一种利用铝电解槽余热发电的方法与流程

本发明涉及一种将铝电解槽余热回收，将低位热能转化为电能的方法，以达到节能之目的，属于能源利用领域。

背景技术：

铝是全球交易量最大的大宗商品之一。2014年，中国铝产量同比增长14%，创下2830万吨的历史新高，对外出口量也正在激增，中国已成为世界上最大的电解铝生产国和消费国。

电解铝生产需要消耗大量的能源，每生产一吨铝耗电12200～1450kWh，电解铝行业是名副其实的工业耗能大户。在我国，电解铝行业更是高能耗行业，同国外相比，我国每吨电解铝生产成本一般比国外高2000元。

节能降耗是电解铝行业提高经济效益、迎接市场挑战的根本出路，节能减排是企业不可推卸的经济责任和社会责任。国家制定了有关措施给引导，计划实现年度单位GDP能耗降低4%。将铝电解槽产生的低温烟气余热整合到能源系统，可以实现低品位能源的高效利用，给企业带来经济和环保双重效益。

我国铝电解工业在二十世纪70年代以前，主要以引进苏联的自焙槽生产技术为主，效率低、能耗高、操作落后且污染严重。80年代后，铝电解槽在引进国外先进技术的基础上，经消化吸收和试验研究，从小到大，已形成大型化装置，如400kA的预焙阳极铝电解槽，彻底地解决了传统自焙阳极铝电解槽存在有害烟尘治理环保、机械化、自动化等技术难题，而且取得了铝电解生产高效节能和节省投资等良好效果，并由此形成了国内铝电解工业较为先进的预焙槽工艺装备技术及完整的技术开发体系，目前，我国铝电解工艺与装备技术已达到国际先进水平。400kA电解槽具有大容量的鲜明特点，大型电解槽为余热利用奠定了良好基础。

本发明将低位热能以水为介质，通过热交换产生蒸汽，蒸汽通过透平发电机组发电，电返回电解铝用电系统。从单台电解槽来说，回收的热能并不多，但大型铝厂装机数量多，如335kt的铝企业，如果烟气余热回收利用，可装备12～15Mw发电机组一套，年发电量可达10000～11000万kWh，发电量相当可观。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用铝电解槽余热发电的方法，将铝电解过程中产生的低位热能通过热交换产生蒸汽，蒸汽通过透平发电机组发电，电返回电解铝用电系统，以达到节能之目的。其原理是以水为介质，以直流的方式通过从低到高的阶段性换热，将水转化为动力用的蒸汽，再将蒸汽通过透平机转化为电能。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种利用铝电解槽余热发电的方法，使用的设备包括：铝电解槽1、锅炉给水装置2、计量泵3、环状吸热器4、蒸发器5、汽水分离器6、蒸汽总管7、冷凝式蒸气透平发电机组8、烟气支管9、烟道蝶阀10、烟气总管11、水量调节阀12、烟气净化系统13、烟气换热器14。

铝电解槽1排出的烟气，通过烟气支管9从烟气换热器14的顶部进入烟气换热器14管内，烟气支管9上设有烟道蝶阀10，用于控制烟气流量，烟气流量为2000-3000Nm³/h，烟气从上至下通过烟气换热器14，进行热量交换后从烟气换热器14底部排出，向上通过烟气总管11进入净化系统13；

计量泵3从锅炉给水装置2将水抽出并加压至0.9～1.0MPa，送入烟气换热器14的下部进入烟气换热器14管间，通过汽水分离器6的液位控制水量调节阀12控制进水量为160～170L/h；水从下至上通过烟气换热器14，利用烟气提供的热量将水温加热至100～110℃，然后将水通入环状吸热器4，环状吸热器4紧靠铝电解槽1侧壁环状布置，利用铝电解槽侧壁热量将水温加热至150～160℃，然后再将水通入置于铝电解槽顶部空间的蒸发器5，利用槽顶热量，生成水、汽混合物进入汽水分离器6，将液态水和蒸汽分离，0.8MPa蒸汽送往冷凝式蒸气透平发电机组8发电，发出的电返回电解铝用电系统，冷凝水返回作锅炉给水用。

优选地，烟气换热器14为竖式列管换热器。

本发明的优点及效果：

1、铝电解槽排出的烟气温度为100～110℃，其低位热能采用竖式列管换热器换热方式进行热交换而使锅炉给水取得热量。竖式列管换热器其作用有二：（1）换热作用：锅炉给水从下至上通过管间，吸取烟气中的热量，将锅炉给水温度从常温提高至100～110℃；（2）除尘作用：烟气从上至下通过管内，从底部排出，并突然改变方向向上进入烟气净化系统，烟尘随重力沉积于灰斗中而排出，炉内烟气经竖式列管换热器后粉尘降低30%。

2、铝电解槽侧壁经碳硅隔热砖后，钢板外表面温度高达300～350℃，这部分热损失相当大，采用紧靠侧壁环状布置的吸热管，吸取侧部的散热，将锅炉给水温度从100～110℃升高至150～160℃左右；

3、铝电解槽介质熔融温度为945～950℃，上部结壳温度高达700℃，阳极析出的CO₂的气体通过结壳带出大量的显热，结壳与阳极盖板空间有较大的热量，采用槽顶蒸发器，吸取槽顶的显热和辐射热，将锅炉给水蒸发成0.8MPa的水蒸汽；

4、锅炉给水为直流供水方式，以汽水分离器的液位控制水量调节阀调节锅炉进水量；

5、以烟道蝶阀调节烟道排出烟气量，在不影响操作的情况下，烟气量尽量降低，烟气量越低，回收的热量越多，烟气量至少要比采用本发明前减少60%以上；

6、为了多发电，蒸汽透平发电机组采用冷凝式，冷凝水返回作锅炉给水用，减少锅炉给水处理设备及成本；

7、回收低位热设备结构简单，不改变铝电解槽的原有结构，在原有结构上添加换热设备即可，改造实施容易，不影响操作和设备检修；

8、烟气量减少60%以上，干法净化系统至少减少一套，每年可节电1300～1500万kWh，每吨铝电耗降低40～50kWh；

9、将电解铝烟气及电解槽侧壁进行收集利用，将铝电解过程中产生的低位热能转化为附加值较高的电能，热量分级回收，热回收效率较高，节能效果明显，每吨铝可节电300～400kWh，使铝单位能耗达到先进水平。

附图说明

图1为铝电解槽余热直流换热蒸汽发电流程图；

图2为铝电解槽余热直流换热产蒸汽试验流程图。

图中：1-铝电解槽，2-锅炉给水装置，3-计量泵，4-环状吸热器，5-蒸发器，6-汽水分离器，7-蒸汽总管，8-冷凝式蒸气透平发电机组，9-烟气支管，10-烟道蝶阀，11-烟气总管，12-水量调节阀，13-烟气净化系统，14-烟气换热器，15-流量计。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于以下所述内容。

实施例1：铝电解槽余热直流换热产蒸汽

铝电解槽余热直流换热产蒸汽试验流程如图2所示，以400kA型电解槽1作为试验槽，软水从锅炉给水装置2由计量泵3抽出，加压至0.9～1.0MPa送往烟气换热器14的管间，由汽水分离器6的液位控制水量调节阀12控制软水流量为160～170L/h，软水吸收热量后温度上升至100～110℃，进入环状吸热器4吸取铝电解槽侧壁散热后水温上升至150～160℃，然后进入电解槽顶部空间的蒸发器5，利用槽顶热量，生成水、汽混合物进入汽水分离器6，将水滴和蒸汽分离，0.8MPa蒸汽放空，达到试验目的。

铝电解槽1排出的烟气，从烟气支管9进入烟气换热器14的管内，烟气支管9上设有烟道蝶阀10控制烟道气排出量，在满足操作条件下尽量多回收热量，吸热后的烟气经流量计15计量后进入烟气总管11，然后进入净化系统13。

实施例2：铝电解槽余热直流换热发电

铝300kt/a规模的企业，400kA型铝电解槽288套，给水压力为1.0MPa，流量为170L/h，分别进入每套烟气换热器14的管间，吸收热量后温度上升至100～110℃，进入环状吸热器4吸取铝电解槽侧壁散热后水温上升至150～160℃，然后进入电解槽顶部空间的蒸发器5，利用槽顶热量，生成水、汽混合物进入汽水分离器6，将水滴和蒸汽分离，取得0.8MPa饱和蒸汽，汇集于蒸汽总管7内，蒸汽总量为40t/h，驱动15Mw冷凝式蒸气透平发电机组发电，发出的电返回用电系统。

铝电解槽1排出的烟气，从烟气支管9进入烟气换热器14的管内，烟气支管9上设有烟道蝶阀10，控制烟气流量为3000Nm³/h，烟气将热量传给水后从底部排出，经烟气总管11进入净化系统13。铝电解槽余热直流换热蒸汽发电流程如图1所示。

实施例3：铝电解槽余热直流换热发电

铝200kt/a规模的企业，300kA型铝电解槽255套，给水压力为0.9MPa，流量为160L/h，分别进入每套烟气换热器14的管间，吸收热量后温度上升至100～110℃，进入环状吸热器4吸取铝电解槽侧壁散热后水温上升至150～160℃，然后进入电解槽顶部空间的蒸发器5，利用槽顶热量，生成水、汽混合物进入汽水分离器6，将水滴和蒸汽分离，取得0.8MPa饱和蒸汽，汇集于蒸汽总管7内，蒸汽总量为35t/h，驱动12Mw冷凝式蒸气透平发电机组发电，发出的电返回用电系统。

铝电解槽1排出的烟气，从烟气支管9进入烟气换热器14的管内，烟气支管9上设有烟道蝶阀10，控制烟气流量为2000Nm³/h，烟气将热量传给水后从底部排出，经烟气总管11进入净化系统13。铝电解槽余热直流换热蒸汽发电流程如图1所示。