NO339614B1 - Fremgangsmåte og utstyr for varmegjenvinning. - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og utstyr for varmegjenvinning

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et utstyr for varmegjenvinning fra avgass fra et prosessanlegg, spesielt rågass fra et elektrolyseanlegg for produksjon av aluminium. Slik avgass kan før den renses, inneholde støv og/eiler partikler som vil danne beleggavsetninger på varmegjenvinningsutstyret, og således redusere virkningsgraden av varmegjenvinningen til et uønsket, lavt nivå.

Bakgrunn

Mange industrielle prosesser produserer avgasser som kan være forurenset med partikler, støv og annet som kan medføre beleggavsetning på energigjenvinningsutstyr. Slik beleggsavsetning medfører redusert virkningsgrad, og fordrer et omfattende vedlikehold så som rengjøring av de strømingsutsatte flater. Dette innebærer at energigjenvinnere vil være plassert etter at en rensing av avgassen er utført i et renseanlegg. Av energigjenvinningshensyn vil det imidlertid være av interesse å arrangere gjenvinnere så nært den industrielle prosessen som mufig, der hvor energi-innholdet i avgassen er høyest. Dette innebærer at energigjenvinnerne må anbringes oppstrøms gassrenseanlegget, siden slike anlegg ofte er plassert i relativt stor avstand fra selve prosessen.

US 4,339,249 beskriver en varmeveksler for gjenvinning av varme energi fra støvholdige avgasser. Varmeveksleren er konstruert for opptak av mye av støvet som medbringes gassen og omfatter en hul kanal hvorigjennom avgassen passerer. Kanalen omfatter en første og en andre rørbunt anbrakt etter hverandre samt en støvoppsamlingsflate mellom nevnte rørbunter. Varmeinnholdet i avgassen overføres til vann som strømmer gjennom de to nevnte rørbunter, og støv avsettes på støvoppsamlingsflaten. Rørene i buntene kan være anbrakt i en serpentin form, og i den første rørbunten er det benyttet rør med en glatt ytre flate for fjerning av varme fra avgassen inneholdende støv oppstrøms støvoppsamlingsflaten. Når gassen kommer frem til den rørbunten med finner, er det angitt i publikasjonen at ingen avsetning (og tetting) av de smale åpninger mellom finnene vil finne sted. Fra denne publikasjonen kan man altså lære at støvinneholdende avgasser bør behandles i et første kjøletrinn og deretter i et separasjonstrinn før disse ledes inn i en seksjon omfattende en andre rørbunt bestående av rør med finner.

US 1585754A viser en varmeveksler apparatur innrettet for å utnytte varmen i avgasser fra ovner for produksjon av sement. Varme gasser inneholdende støv strømmer over varmevekslerrør og tilhørende struktur i varmeveksleren, som videre omfatter midler for effektivt å separere støvet fra gassen slik at støv avsettes i bunnen av apparaturen og i liten grad på varmevekslerflatene. Dette støvet fjernes raskt ved hjelp av en eksempelvis en skruetransportør.

For eksempel vil avgass fra aluminium elektrolyseovner inneholde store mengder energi ved relativt lavt temperaturnivå. Denne energien blir i liten grad utnyttet i dag, men kan utnyttes til oppvarmingsformål, prosessformål og kraftproduksjon dersom teknisk/økonomisk akseptable løsninger for varmegjenvinning etableres. Temperaturen som kan oppnås på det oppvarmede fluidet er avgjørende for verdien og anvendbarheten av gjenvunnet varmeenergi. Varmen bør derfor tas ut av avgassen ved så høy avgasstemperatur som mulig. Andre eksempler på industrielle prosesser som avstedkommer store avgassvolum med støv/partikkelholdig gass er: Ferro-, legerings- og annen smelteverksindustri som typisk opererer med støvholdige avgasser på 300°C og høyere, og lavtemperaturdelen ved avfallsforbrenning (dvs. ekonomiser og luftforvarmerseksjonene) som opererer ved typisk 300°C og lavere.

Avgassen fra elektrolyseovner transporteres gjennom systemet ved hjelp av vifter, og effektforbruket på disse avhenger av volumstrøm avgass samt trykkfallet i systemet. Effektforbruket kan reduseres ved å redusere disse størrelsene. Kjøling av avgassen vil bidra til redusert volumstrøm og trykktap, med redusert vifteeffekt som konsekvens. Størst reduksjon i trykktapet oppnås ved å kjøle avgassen så nær aluminiumscellene som mulig.

Ved forbedring eller oppskalering av en industriell prosess, eksempelvis økt strømstyrke på et gitt celledesign i et anlegg for aluminumselektrolyse, vil rågasstemperaturen og derved trykket under overbygget stige dersom det avgis mer varme over toppen av cellen. Dette vil medføre at cellen lettere kan punkteres, dvs. det oppnås likt trykk på innsiden av cellen som på utsiden. Ved punktering av cellen vil utslipp av prosessgasser til hallmiljøet øke.

Dette problemet kan i utgangspunktet løses på tre separate måter:

-Økt kapsling av overbygg, noe som i praksis kan være vanskelig.

-Økt avsug ved installasjon av større viftekapasitet. For å unngå for stort trykktap i rågassledninger vil også disse måtte dimensjoneres opp. Renseanlegget vil også måtte dimensjoneres for å unngå redusert effektivitet eller overbelastning av komponenter i renseprosessen. Totalt sett vil dette bli kostbart både investeringsmessig og driftsmessig. -Kjøling av rågass før viftene med påfølgende varmegjenvinning, noe som vil redusere volumstrømmen av rågass samt trykktapet i rørledningsnett og renseanlegg. Avsuget kan med dette økes uten at det vil være behov for å foreta endringer på dimensjon på ledninger og renseanlegg.

Den foreliggende oppfinnelse kan benyttes i samsvar med den sistnevnte tekniske løsningen, som vil komme best ut økonomisk fordi varmen som fjernes fra rågassen kan nyttiggjøres i annen prosessøyemed.

Prosessbeskrivelse

Prosessen er her eksemplifisert ved et anlegg for aluminiumsproduksjon, og kjennetegnes ved at store avgassmengder (i størrelsesorden 5.000 Nm3/h pr. aluminiumscelle) inneholdende lavtemperatur energi (typisk ca. 120-140°C, men kan økes opp mot ca. 200'C) suges fra aluminiumscellene. Avgassen inneholder forurensinger som partikler og gassformige komponenter, som må fjernes fra avgassen i en renseprosess før den kan slippes ut.

Energiinnholdet i avgassen kan gjenvinnes i en varmeveksler (varmegjenvinner), hvor avgassen avgir varme (kjøles) til et annet fluid egnet for den aktuelle anvendelsen. I prinsippet kan varmegjenvinneren plasseres - oppstrøms renseprosessen - hvor varmegjenvinneren må operere med en partikkelholdig gass - nedstrøms renseprosessen - hvor forurensende komponenter og partikler i gassen er fjernet.

I og med at dagens tilgjengelige renseprosesser må operere med lave temperaturnivå er energigjenvinning i praksis kun interessant for alternativet der varmegjenvinneren plasseres oppstrøms renseprosessen. Dette betyr i praksis at varmegjenvinneren må kunne operere med partikkelholdig, varm gass.

Partikler og sporkomponenter i avgassen vil, på grunn av treghetskrefter, diffusjon og porese, avsettes på heteflaten i varmegjenvinneren og danne et isolerende sjikt som reduserer varmeoverføringen. Uten tilstrekkelig kontroll vil effektiviteten (varmegjenvinningsgraden) til varmegjenvinneren bli uakseptabelt lav, samtidig som trykkfallet (og det assosierte arbeidet med å pumpe avgassen gjennom) blir stort. Kontroll med det avsatte beleggets tykkelse kan skje ved hjelp av aktive eller passive teknikker.

Aktive teknikker innebærer at belegget helt eller delvis fjernes ved hjelp av mekanisk feiing, hydraulisk eller pneumatisk spyling/vasking, slag- eller impulsfeiing eller tilsvarende metoder.

Passive teknikker innebærer at det ikke benyttes noen form for eksternt utstyr eller apparatur til å kontrollere partikkelbelegget, men at dette kontrolleres/begrenses ved hjelp av prosessparameterne, eksempelvis strømningshastigheten for avgassen.

Den foreliggende oppfinnelsen inkluderer en passiv teknikk for begrensing av belegget i varmegjenvinneren.

I tillegg til at varmegjenvinneren skal gjenvinne varmen fra avgassen, er det nødvendig at dette gjøres uten at trykkfallet for avgassen gjennom varmegjenvinneren blir for stort. Vifter benyttes til å drive avgassen gjennom systemet, og energien som må tilføres viftene er tilnærmet proporsjonal med trykktapet og volumstrømmen. Det er derfor viktig at varmegjenvinneren har en utforming som medfører så lavt trykkfall som mulig.

Å redusere volumstrømmen gir en gevinst i form av lavere effektforbruk på viftene som driver avgassen gjennom systemet. Mindre volumstrøm kan oppnås ved

i. Reduksjon avgasstemperatur inn på viften

ii. Reduksjon av avsugd avgassmengde fra elektrolysecellene.

Ved en reduksjon i volumstrømmen reduseres også trykktapet i øvrige deler av systemet.

En reduksjon av avsugd gassmengde fra elektrolysecellene er normalt ikke mulig fordi det vil medføre økt trykk under dekslene i cellen. Økt trykk vil føre til at cellen lettere vil kunne punktere slik at mer gass og støv slipper ut i hallmiljøet.

Reduksjon i avsugd avgassmengde vil i utgangspunktet medføre økt gasstemperatur ut av elektrolysecellene (hvilket reduserer gevinsten i redusert gassmengde) med mindre avgassen kjøles før viftene. Trykkfallet i systemet er avhengig av gasshastigheten som kan reduseres ved å redusere gasstemperaturen. Den foreslåtte løsningen medfører netto redusert effektforbruk på viftene nettopp fordi avgassen kjøles. I tillegg er varmen gjenvunnet fra avgassen tilgjengelig som prosessvarme for ulike oppvarmings- og prosesseringsformål.

Den foreslåtte løsningen vil ved nybygg også medføre mulighet for reduserte dimensjoner av renseanlegg inklusive tilførselskanaler ved at avgassvolumet som skal transporteres gjennom systemet blir redusert.

Det er ønskelig (men ikke nødvendig) med en varmegjenvinner som er relativt kompakt, dvs. har minst mulig volum. Dette for å redusere plassbehov og kostnader.

Formål

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å kunne gjenvinne varme fra støv/partikkelholdig avgass fra industrielle prosesser, spesielt aluminiumsceller i en eller flere varmegjenvinner(-e) plassert oppstrøms gassrenseprosessen ved å benytte en passiv teknikk for å holde beleggavsetningen på heteflatene under kontroll, og for å oppnå en stabil drift.

Ved kjøfing av rågassen fra et anlegg for aluminiumselektrolyse vil en kunne holde gasstrykket under dekslene i cellen på et tilstrekkelig lavt nivå til å unngå økt utslipp av gass og støv til hallmiljø.

Disse og ytterligere fordeler kan oppnås med oppfinnelsen slik den er definert i de vedføyde patentkrav.

Foreliggende oppfinnelse skal i det etterfølgende beskrives nærmere ved eksempler og figurer hvor:

Fig. 1 viser resultater fra forsøk med elliptiske, finnede rør,

Fig. 2 viser en beregning av varmevekslervolum for 120°C innløpstemperatur på

varmegjenvinner, 6,5 MW termisk effekt. Avassmengde: 440.000 Nm<3>/h, innløpstemperatur på vifte: 80°C. Indikert er resultater for tillatt trykkfall i varmegjenvinner på 3.000 Pa,

Fig. 3 viser en beregning av varmevekslervolum for 180"C innløpstemperatur på

varmegjenvinner, 6,5 MW termisk effekt. Gassmengde: 176.000 Nm<3>/h, innløpstemperatur på vifte: 80°C. Indikert er resultater for tillatt trykkfall i varmegjenvinner på 4.000 Pa,

Fig. 4 viser en forsøksutrustning av en varmegjenvinnerutførelse med elliptiske,

finnede rør.

Beskrivelse av varmegjenvinner

Varmegjenvinneren kan bestå av ett eller flere hule elementer, så som rør med sirkulært eller elliptisk/ovalt tverrsnitt, med eller uten finner montert på utsiden av rørene, se Figur 4. Rørene kan være tildannet av karbonstål som er behandlet i en galvaniseringsprosess. Også andre materialer kan være aktuelle for denne anvendelse, så som aluminium. Videre kan rørenes flater som er i kontakt med partikler/støv behandles i henhold til aktuelle overflatebehandlingsteknikker, for å gi en øket "slipp" effekt. I slike behandlingsteknikker kan aktuelle slippbelegg inngå.

Avgassen strømmer på utsiden av rørene og normalt på rørenes akseretning. Rørene er pakket i et regulært mønster med senter-til-senter røravstand tilpasset slik at avgassens massefluks (massestrøm per enhet strømningstverrsnitt) og impuls holdes på et nivå hvor det oppnås balanse mellom partikkelavsetning og -medrivning på de varmeoverførende flatene. Varmegjenvinneren omsluttes av sidevegger og danner derved en kanal som avgassen strømmer gjennom. Det stilles ingen spesielle krav til mediet som strømmer innvendig i rørene. For eksempel kan mediet utgjøres av væske/damp eller gass, så som vann/damp eller luft.

For å oppnå en balanse mellom partikkelavsetning og -medrivning må det være en viss minimum massefluks og impuls på avgassen. Denne "terskelen" er både geometri- og prosess-spesifikk. Forsøk er gjennomført for å identifisere terskelverdien for noen spesifikke geometrier (036 mm sirkulære rør, 036 mm sirkulære rør med 072mm annulære finner, 14x36 mm elliptiske rør med rektangulære finner) i et småskala forsøksoppsett. I forsøket ble reell avgass fra aluminiumsproduksjon benyttet, med partikkelkonsentrasjon og - fordeling typisk for denne prosessen.

Netto avsetning av partikler/støv på de varmeoverførende flatene er styrt av transport av partikler/støv til overflaten, adhesjon ved overflaten og medrivning fra overflaten. Transport til overflaten påvirkes av partikkelkonsentrasjonen i gassen, samt konveksjon, diffusjon og porese for små partikler, mens impuls- og treghetskrefter er dominerende for større partikler. Adhesjon på overflaten påvirkes blant annet av van der Waalske bindingskrefter, kapillære krefter, porese og gravitasjon. Medrivning av partikler/støv fra overflaten påvirkes av skjærkrefter fra strømningen, sliping og kollisjoner fra større partikler som treffer overflaten, samt gravitasjonskrefter. En balanse mellom partikkelavsetning og -medriving oppnås ved at medrivningsmekanismene økes til et nivå som balanserer avsetningsmekanismene, og kan for et gitt system uttrykkes ved karakteristiske gasshastigheter, hvor ulike hastigheter gir korresponderende netto beleggtykkelser som isolerer mot varmeovefrøringen. Disse karakteristiske gasshastighetene kan i prinsippet etableres fra teoretiske beregninger, men vil i praktiske prosesser, på grunn av kompleksiteten, bestemmes ved hjelp av målinger og forsøk. Optimal hastighet vil være en hastighet som, for det gitte systemet, gir en akseptabel reduksjon i varmeovefrøringen på grunn av belegg ved stabile forhold uten at trykkfallet blir for stort. I de viste forsøkene vil akseptable rågasshastigheter typisk være ca 12 m/s eller høyere.

Avgasstemperaturen var i forsøkene ca. 130°C, og rørveggtemperaturen ca. 70°C. Et eksempel på forsøksresultater er vist i Figur 1 (elliptiske rør med rektangulære finner), hvor motstanden mot varmeoverføring på grunn av befeggsjikt (foulingfaktor) er vist som funksjon av tid for ulike gasshastigheter. En stabil tilstand (ingen endring i foulingfaktor) oppnås typisk etter 50-500 timers drift ved en gasshastighet på ca. 11-13 m/s (tilsvarer ca 9,5-11 kg/m<2>s). [For forsøkene vist i Figur 1 inntrer stabile forhold ved en gasshastighet på ca. 11 m/s (10 kg/m<2>s) etter ca. 400 timers drift.]

Reduksjonen i varmeoverføring ved stabiliserte forhold kompenseres ved en moderat økning i heteflaten, typisk 25-40% i forhold til ren heteflate. Samtidig holdes trykkfallet for avgassen gjennom varmegjenvinneren på et akseptabelt nivå. Disse målene oppnås gjennom en kombinasjon av rør/finnegeometri, rørpakking og strømningsforhold.

Eksempler på dimensjonering av varmegjenvinnere for gjenvinning av 6,5 MW varme fra avgass ved henholdsvis 120'C og 180°C er vist i Figur 2 og Figur 3. Disse eksemplene er basert på gitte trykktapskorrelasjoner samt at det er forutsatt et totalt trykktap i varmegjenvinnerne tilsvarende et effektbehov på viftene som utgjør 10%, respektive 5% av den gjenvunne energien. I disse eksemplene er det kun design med avgasshastigheter (hastighet i det åpne strømningstverrsnittet i varmmegjenvinneren) over ca. 11 - 13 m/s (9,5-11 kg/m<2>s) som vil oppnå stabile betingelser, de øvrige vil over tid få uakseptabel stor beleggavsetning. Som figurene viser, er det kun elliptiske rør med finner som vil kunne ha hø<*>y nok hastighet til at stabile forhold oppnås ved de spesifiserte trykktapene.

Sammenhengen mellom massefluks og impuls for avgassen og stabilisert beleggmotstand (foulingfaktor) er funksjoner av avgasstemperatur og -sammensetning, samt partikkelkonsentrasjon og -fordeling. Samtidig er trykktapet en funksjon av rør- og finnegeometri, rørpakking, avgasstemperatur og -hastighet, samt total heteflate. De hittil påviste sammenhengene er derfor ikke universelle; hvorvidt en varmegjenvinner kan operere med stabile beleggforhold og akseptable trykktap avhenger av prosessen (temperaturnivå, partikkelkarakteristika, krav til termisk effektivitet for varmegjenvinneren etc.) De funne sammenhengene anses imidlertid typiske for anvendelser for varmegjenvinning fra avgass fra aluminiumsproduksjon basert på prebaked elektrodeteknologi.

Det skal forstås at selv om ovennevnte eksempel er beskrevet med utgangspunkt i prebake teknologi, kan oppfinnelsens prinsipper også komme til anvendelse i forbindelse med aluminiumslektrolyseanlegg som benytter såkalt Søderberg teknologi, samt andre industrielle prosesser, eksemplifisert ved ferrolsilisium smelteverksindustri og avfallsforbrenning.

I eksemplene har det vært omtalt rør med sirkulært og ovale (elliptiske) tverrsnitt. Imidlertid kan det i ytterligere utførelser opereres med en ytre geometri av rørene hvor disse er optimalisert med hensyn til partikkelavsetning, varmeoverføring og trykkfall. For eksempel kan rørenes tverrsnitt i hovedsak være utformet som et vingeprofil.

Videre kan også elektrostatiske eller andre lignende metoder benyttes for å motvirke beleggsdannelse på varmegjennvinnerutstyret.

Ytterligere tilpasninger av fagmessig art kan gjøres med utganspunkt i den avgass varmen skal gjenvinnes fra. Det kan eksempelvis innebære materialvalg av gjenvinner eller overflatebehandling av denne i forhold tii fuktige eller korrosive avgasser.

Ytterligere tilpasninger med hensyn til gjenvinnerens geometri, avgassens hastighet ved dens overflate og andre strømningsmessige forhold kan gjøres med utgangspunkt i karakteristika for den aktuelle avgass varme skal gjenvinnes fra, så som gasshastigheter og -temperaturer

Densitet og størrelse på støvet/partiklene i avgassen vil også kunne være bestemmende for gjenvinnerens design.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for gjenvinning av varme fra urenset avgass som fjernes fra en elektrolyseprosess for produksjon av aluminium ved hjelp av et avsug eller tilsvarende, idet avgassen inneholder støv og/eller partikler, og hvor i det minste ett hult element er innrettet for gjennomstrømning av et varmeopptakende medium og hvor det i det minste ene varmeopptakende element(er) er omsluttet av vegger som danner en kanalseksjon for tilkopling til eller integrasjon med avsuget,karakterisert vedat det nevnte hule elementet(ene) er hovedsakelig stillet slik at elementets(enes) rådende lengderetning er beliggende på tvers av avgassens rådende strømningsretning og at varme trekkes ut av avgassen som har en temperatur i størrelsesorden 120°C - 600°C, og bringes i kontakt med ett eller flere varmeopptakende elementer ved en hastighet høyere enn 10 m/s og mindre enn 25 m/s og videre utformet slik at støvets og/eller partiklenes belegg avsetning på nevnte flater holdes på et stabilt, begrenset nivå slik at the oppnås en balanse mellom partikkelavsetning og partikkelfjerning på varmeveksleroverflatene til det i det minste ene hule element.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat avgassens strømningshastighet er 12 m/s.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat gassen utgjøres av en avgass fra én eller flere elektrolyseceller.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat det hule element eller elementer er designet med et hovedsakelig sirkulært tverrsnitt.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat det hule element eller elementer er designet med et hovedsakelig avlangt, ovalt tverrsnitt hvor den lange aksen til tverrsnittet er hovedsakelig sammenfallende med den rådende strømningsretningen til avgassen.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat det hule element eller elementer er utstyrt med ribber eller finner for forbedret varmeopptak.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat det varmeopptakende medium er vann/damp eller luft.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat det eller de hule element er tildannet av karbonstål som er galvanisert.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, karakterisert vedat det hule element eller elementer er utstyrt med ribber eller finner for forbedret varmeopptak, og hvor det stabile, begrensede nivå er representert ved en fouling faktor under 0,01 m<2>K/W.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat en reduksjon av varmeoverføring ved stabiliserte forhold er kompensert for ved en moderat økning i arealet av varmeoverføringsflaten, typisk 25-40% i forhold til en ren varmeoverføringsflate.