专注于烟气余热利用以及余能余压利用技术交流，提供一个相互学习、交流的平台。

上海炫风实业集团有限公司（炫风节能）是一家专注于节能环保设备研发、制造、销售的公司，致力于为社会提供高效、环保的节能设备。

公司成立于2013年，主要经营压力容器、超导热管、余热锅炉、余热回收设备、工业窑炉节能设备、空压机节能设备的研发、制造；锅炉安装及销售；工业节能改造工程、水暖电安装建设工程、环保建设工程的施工；从事节能环保技术领域内的技术开发、技术服务；合同能源管理等。

炫风节能拥有一批专业的管理和技术人才，不断进行技术革新，完善服务质量，研发产品应用于多个领域，给客户创造了较大的经济效益，为社会节约了大量的能源，保护了环境。

摘要：串联法氧化铝生产中，烧成窑烟气经电除尘，除尘后直接经烟道汇总后直排大气，虽然排烟温度不高，烟气热能品位低，但由于产生的烟气量巨大，仍然会造成了较大程度的能量浪费。从长远看，烧成窑余热回收项目可以通过回收烟气中的热量来降低氧化铝生产的能耗，即节约了成本，也保护了环境，为节能减排降本做出积极有效的贡献。

我国历来的能源消耗结构中，工业生产部门始终是能源消费的大户，约占全国能耗量的70%左右。而先进工业国家中，日本占50%左右，德国、英国、法国都在35%以下，美国只占27.5%左右。除了产业结构的原因之外，我国工业部门能源消耗如此高的主要原因是：我国工业生产工艺落后，能源综合利用差，尤其是余热回收装置设备陈旧或设计不合理，热效率低；其它次要原因有：自动化水平低，节能意识不强，管理工作不完善，技术改造资金不加制约等。

冶炼企业属于耗能型企业，其能耗占全国能耗的10%左右，占工业部门能耗的15.25%。目前，能源生产的增长速度尚难以适应国民经济发展的要求，能源价格仍呈上升趋势，这对于能源费用占企业生产总成本20%—30%的冶金企业将是新的挑战。因此，节能降耗是冶炼企业长期的战略任务，充分回收和利用这些能量，也是企业现代化程度的标志之一。

我国冶炼企业常用的废气余热利用方式有：①安装换热器；②安装余热锅炉；③发电(热电联产)；④制冷。回收后的热量主要用于预热助燃空气、预热燃料、加热热媒介质、生产蒸汽和热水。

冶炼企业使用的废气余热回收利用设备主要有:①管式换热器，热回收率低，平均在26%—30%，结构简单、密封性好，应用面广。②片状管换热器，联合企业及中小企业采用的较多，热回收率平均为28%—35%。③辐射式换热器，是使用较为广泛的一种换热器，热回收率较低，平均为26%—35%，对材质有一定的耐高温要求。④余热锅炉，联合企业采用的较多，其特点是工作状态稳定。⑤热管换热器，中小企业安装使用的较多，一般为钢水重力式热管，多用于预热空气或煤气，热回收率一般在50%以上。⑥余热锅炉+汽轮机发电装置，以电力回收余热是最好的形式，但受动力设备运转的连续性以及电力并网等条件的限制，此种设备应用的较少。

如上所述，如何最大限度的充分回收和利用这些余热资源是企业节能未来发展的方向。如何使节能设备由简单的低效型走向智能高效型；由大体积高钢耗走向集约型低钢耗；如何最大限度的回收热能是未来节能技术发展的方向。

1、串联法的实质及烧成窑运行状况

串联法氧化铝生产是以拜耳法为主的一种新型氧化铝生产方法，它将拜耳法与烧结法串联，拜耳法生产系统中的赤泥进入烧结法生产系统中进一步提取赤泥中的氧化铝和碱，产生的铝酸钠溶液送入拜耳法生产系统中。它同混联法、拜耳法相比能耗居中，主要因为串联法中包含有高能耗的烧结法。因此，如何降低串联法能耗也是串联法氧化铝厂面临的亟待解决的问题。

1.1山西某铝厂烧成窑运行状况

山西某铝厂拥有年产20万吨氧化铝烧成窑3台，由该铝厂提供的烟气数据，如表1、2所示，其烟气流量较大，烟气流量最大值和平均值分别为260000Nm3/h、240000Nm3/h，温度可达180℃—205℃，烟气中蕴含可观的能量。因此，烟气余热有很大的回收利用价值。将烧成窑的烟气余热进行回收，设计换热系统对烟气余热显热进行回收，显热用来加热循环母液、蒸发原液，降低蒸汽消耗。这项措施可产生很大的经济效益和社会效益，同时可降低热污染，减少二氧化碳和烟尘的排放，保护了环境。

1.2单台烧成窑烟气显热余热资源分析

目前需要加热的低温介质主要有：

循环母液：初始温度为60℃—65℃；

蒸发原液：初始温度为75℃—82℃。

1.2.1烧成窑烟气显热余热资源

依据烟气成份计算烟气露点温度，并考虑烟气温度的波动影响将烟气温度利用至105℃已足够安全。

（1）满负荷条件下回收热量。

烟气换热器进口温度180℃~205℃计算平均进口烟气温度为192.5℃，则192.5℃至105℃烟气的平均定压比热容约为：1.42kJ/Nm3·K,烟气量取260000Nm3/h，取热系数按90%。

计算烟气温度由192.5℃降到105℃可回收热量：

Q=cmΔt

=260000×1.42×(192.5-105)×0.9

=29.1×106kJ/h

=29.1GJ/h

（2）实际工况下回收热量。

若烟气换热器平均进口烟气温度按190℃，则190℃至105℃烟气的平均定压比热容约为：1.419kJ/Nm3·K,烟气量平均取240000Nm3/h，取热系数按90%。

计算烟气温度由190℃降到105℃可回收热量：

Q=cmΔt

=240000×1.419×(190-105)×0.9

=26×106kJ/h

=26GJ/h

1.2.2实际回收余热量

由于受烧成窑产量的影响，实际可回收的热量随产量负荷的波动会发生变化。结合该厂现有可加热热源工艺参数和烧成窑烟气参数（见表1-2）条件下的余热资源情况进行建模计算，并结合实际烟气换热器投用后的余热系统调试运行参数以及其用户端热量计算仪反馈的数据，综合得出以下实际回收热量参考数值表，如下表3：

单台窑平均每小时熟料产量（该厂2021年平均值）约56.34t/h，按差值法计算：

烟气回收的余热实际可回收热量约为26GJ/h,平均负荷生产时三台窑可吸收热量为26×3=78GJ/h。

按三台窑烟气平均进口温度190℃，三台窑均满负荷运行即按熟料产量60t/h计算，那么，三台窑同时满负荷生产时最大可吸收余热量为29.08×3=87.24GJ/h。

综上所述，烧成窑实际回收热量与计算值基本匹配。若按单台窑熟料产量为56.34t/h，烟气换热器平均进口烟气温度190℃，平均每小时单台烟气换热器可余热回收量可达26GJ/h，三台烟气换热器可回收烟气余热量可达78GJ/h，最大可达87.24GJ/h。

2、冷源分析

2.1加热循环母液消耗热量计算

考虑设备条件、循环母液终温要求以及计划检修影响，计划循环加热的循环母液量为700—900m3/h，加热平均温升15℃（从80℃升至95℃），加热效率按97%，计算消耗热量（c=0.855×4.187J/kg℃；循环母液密度：1350kg/m3）：

按700m3/h计算：

Q=cmΔt

=（0.855×4.187）×（700×1350）×15×0.97

=49.22×106kJ/h

=49.22GJ/h

按900m3/h计算：

Q=cmΔt

=（0.855×4.187）×（900×1350）×15×0.97

=63.29×106kJ/h

=63.29GJ/h

2.2加热蒸发原液量消耗余热计算

蒸发原液量为1200—1400m3/h，采用两根700m3/h进料管，蒸发蒸发原液平均初温为：80℃，计划温升15℃，可消耗烟气热量（蒸发原液密度：1276kg/m3）：

按加热700m3/h计算：

Q=cmΔt

=（0.855×4.187）×（700×1276）×15

=47.96×106kJ/h

=47.96GJ/h

按加热1400m3/h计算：

Q=cmΔt

=（0.855×4.187）×（1400×1276）×15

=95.92×106kJ/h

=95.92GJ/h

3、结合山西某铝厂最大冷源及热平衡分析

3.1最大冷源分析

循环母液冷源：循环母液槽每小时进料流量900m3/h：余热系统共计有三台循环母液板式换热器，和三台循环母液泵，循环母液泵从循环母液槽中抽取循环母液进入板换进行循环加热，运行时循环母液槽液位有最低液位运行要求及流量波动情况，且循环加热进口温度会缓慢上涨会导致板换换热能力下降，因此只能较短时间运行（一般不超过12小时）。

循环母液冷源负荷计算：循环母液按加热15℃（从80℃加热至95℃），可消耗热量（c=0.855×4.187J/kg℃；循环母液密度：1350kg/m3）：

按900m3/h计算：

Q=cmΔt

=（0.855×4.187）×（900×1350）×15×0.97

=63.29×106kJ/h

=63.29GJ/h

蒸发原液冷源：蒸发原液槽有三根进料管，正常情况进料管两用一备，单根进料管每小时进料流量平均为700m3/h，正常情况下可用加热蒸发原液量为1400m3/h，考虑计划检修情况下可能单管运行。

按升温15℃折算三台回收烟气余热量回收热量可加热蒸发原液流量为：

当回收热量为78GJ/h时：

78×106÷（15×0.855×4.187×1276）

=1138.37m3/h

当回收热量为87.24GJ/h时：

87.24×106÷（15×0.855×4.187×1276）

=1273.22m3/h

3.2热平衡分析

（1）供热端：经上述计算可知三台窑满负荷运行时可提供热量为87.3GJ/h,平均负荷运行时可吸收热量为78GJ/h。

（2）冷却端：只加热循环母液：经上所述正常生产状态下循环母液供应量约900m3/h，结合现有设备及实际运行条件，可供余热利用的最大循环母液量约为700m3/h，则冷端可消耗余热49.22GJ/h＜87.3GJ/h。不足以消耗三台窑的烟气余热量。

（3）只加热蒸发原液：经上所述正常生产状态下蒸发原液供应量约1400m3/h，考虑蒸发停车检修，停车检修时只有一组运行，一组运行时可供余热利用的蒸发原液量约为700m3/h，则冷端可消耗余热47.96GJ/h＜87.3GJ/h。也不足以消耗三台窑的烟气余热量。

（4）同时加热循环母液和蒸发原液，冷端吸热量：

49.22+47.96=97.18GJ/h

97.18GJ/h远大于供热端供热量87.3GJ/h，达到热平衡需求，则满足三台窑同时满负荷运行的工况条件。

各铝厂可根据自身实际余热回收情况和实际每小时循环母液、蒸发原液流量来计算制定最佳回收方案，满足热平衡需求。

4、余热回收系统安全环保性能分析

4.1安全性能分析

（1）对原有烧成窑工艺无影响，该烟气显热余热回收装置设置在引风机之后烟囱之前的水平烟道上，新增烟气显热余热回收装置总阻力＜400Pa，对原生产系统无影响。

（2）系统采用水热媒专利技术，避免烟气换热设备局部过冷，避免结露。烟气取热换热器采用了径向夹套复合式热管换热器，具有能提高壁温防止露点腐蚀，换热能力强，换热效率高的优点；能有效提高设备的运行稳定性，使余热回收系统更安全可靠。

（3）换热设备设置新型多点空气激波吹灰装置，能有效避免换热面积灰影响传热以及防止烟道因积灰阻力增加的问题，提高了换热设备运行的可靠性。

（4）采用间接换热，间接换热用的板式换热器一用一备（方便清洗），可实现余热回收系统不间断运行，提高了系统的可靠性。

（5）系统辅助设计了超压排放装置，能有效避免因余热回收系统超压泄露造成安全风险。

4.2环保性能分析

项目实施的目的是：为了回收烟气余热用于氧化铝工艺生产，项目实施后可回收烟气余热，减少煤炭的使用，从而达到节能降耗的目的，同时该项目的实施符合国家提倡的节能减排降碳要求。

因此，该项目的实施符合国家的环保政策和国家及企业的环保要求。

5、回收方案效益分析

三台窑烟气显热年效益计算。

烧成窑运转率按82%计算实际有效回收烟气显热余热利用量：

Q=cmΔt

=78×106×24×365×82%

=5.6×1011kJ

=5.6×105GJ

5.1经济效益

折合标准煤：

5.6×105×106÷(7000×4.187)÷103≈19107tce/a

（注：1kg标准煤的热值按7000千卡；1千卡=4187J）

5.2社会效益

减少温室气体CO2排放量：

19107×2.5=47767.5tCO2/a

减少酸雨气体SO2的排放量：

19107×0.075=1433.02tSO2/a

减少酸雨气体NOx的排放量：

19107×0.0375≈716.5tNOx/a

减少悬浮颗粒物TSP排放量：

19107×0.011≈210.2t/a

因此，串联法烧成窑余热回收，即节约了能源，也保护了环境，为节能减排作出积极有效的贡献。

6、结论

由上述分析可知，串联法烧成窑尾气余热回收项目能够：①回收大量的烧成窑烟气余热并应用于氧化铝工艺生产，大大节省了蒸汽、燃煤的用量，从而降低了生产成本及能耗；②节约能源、保护环境，并符合国家的循环经济，为公司创造经济效益的同时为“碳达标、碳中和”作出贡献。

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