（热能工程专业论文）基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国经济的快速发展，能源相对不足已经成为制约经济和 社会发展的重要因素之一。当前，工业过程节能技术的研究与开发具 有重要的现实意义。近年来，我国电解铝工业取得了令人瞩目的进 步，已成为世界第一产铝大国。电解铝工业作为资源、能源密集型行 业，是电能消耗大户，因此节电是电解铝技术发展的永恒主题。 铝电解生产过程中排放了大量的低温烟气，烟气带走的热量大致 占整个槽体系能量支出的2 0 - - 3 5 。本文针对铝电解槽烟气余热的 特点，在国内外首次提出了基于有机朗肯循环的铝电解槽低温烟气余 热发电技术原型，为电解铝行业的节能减排工作提供了新的思路。 本文在对国内外相关领域进行充分调研的基础上，以某厂一个典 型的2 0 0 k a 系列铝电解槽烟气系统为对象，建立了基于低沸点工质 有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电系统。以热力学第一、第二定 律为基础建立了相关的计算模型。以系统性能最优为目标，对低沸点 工质工质进行了筛选与分析，得出了异戊烷为系统最合适单一循环工 质的结论。对系统主要设备进行了选型，确定非标低沸点工质汽轮机 的型式为单缸单列级凝汽冲动式汽轮机，蒸发器的型式为螺旋肋片管 式热交换器，冷凝器型式为固定管板式热交换器；并对主要设备的结 构和工作参数进行了研究和设计，通过理论计算得到：针对本文的研 究对象，系统额定功率为6 0 0 k w ，循环效率为7 5 ，蒸发器面积为 2 0 0 0 m 2 ，冷凝器面积为4 5 0 m 2 。最后通过编程计算，研究了工质蒸发 温度、过热度、冷却水温对系统循环效率、输出功率、排烟温度的定 量影响规律。 本文的研究成果为电解槽烟气余热发电技术的开发做好了技术 准备，并可为下一步开展工业试验提供理论指导。本文提出的技术方 案对其它行业的烟气余热动力回收技术的研究与开发具有借鉴作用， 因而对推进我国节能减排事业的发展具有重要的理论价值和现实意 义。 关键词铝电解，低温烟气，余热发电，有机朗肯循环，低沸点工质 a bs t r a c t w r i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fo u rc o u n t r y s e c o n o m y , t h e c o n t r a d i c t i o no far e l a t i v es h o r t a g eo fe n e r g yh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tl i m i t e df a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n d s o c i e t y c u r r e n t l y , r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o n e n e r g ys a v i n g t e c h n o l o g i e so fi n d u s t r i a lp r o c e s sh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nr e c e n ty e a r s ，e l e c t r o l y t i ca l u m i n i u mi n d u s t r yh a v e b e e nd e v e l o p e df a s t i no u rc o u n t r y , a n dt h ep r i m a r yp r o d u c t i o ni sa tt h ef i r s tp l a c eo ft h e w h o l e w o r l d e l e c t r o l y t i c a l u m i n i u m i n d u s t r y h a sh i g h e n e r g y c o n s u m p t i o na si n t e n s i v er e s o u r c ea n de n e r g ye n t e r p r i s e s ，a n dt h ep o w e r s a v i n gi si t se t e m a lt h e m e a 1 a r g en u m b e ro fl o w t e m p e r a t u r ef l u ee m i s s i o n sf r o mp r o c e s so f a l u m i n i u mr e d u c t i o n ，w h i c hh e a tl o s so ft h ef l u ea w a yt r o u g hs y s t e m g e n e r a l l y i s2 0 35 b yt o t a le n e r g ye x p e n d i t u r e b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l u e g a s f r o ma l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s ，a t e c h n o l o g yp r o t o t y p e o fw a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o nf o ra l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l s f l u eo nt h eb a s i so fo r g a n i cr a n k i n ec y c l ew a sp r o p o s e d ， w h i c hp r o v i d e san e wt h o u g h tf o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n o fe l e c t r o l y t i ca l u m i n u mi n d u s t r y b a s e do ns u 伍c i e n ti n v e s t i g a t i o nf o rt h er e l a t i v ef i e l da th o m ea n d a b r o a d ，w i t hat y p i c a lf l u es y s t e mo f2 0 0 k as e r i e s a l u m i n u mr e d u c t i o n c e l l si naf a c t o r y , w a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do nr a n k i n e c y c l ew a sb u i l t r e l e v a n tm a t h e m a t i c sm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do n t h ef i r s ta n ds e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c s w i t ht h ea i mo fe n s u r i n g o p t i m a ls y s t e mp e r f o r m a n c e ，s c r e e n i n ga n do p t i m i z a t i o na n a l y s i s f o r w o r k i n gf l u i d s w e r ed o n e ，a n dt h em o s ta d a p t a b l eo n ei s i s o p e n t a n e w h i c hw a ss e l e c t e da st h ec y c l ef l u i di nt h es y s t e m t h em a i ne q u i p m e n t i nt h es y s t e mw e r es e l e c t e d ，w h i c hi n c l u d e st h a tat y p eo fn o n - s t a n d a r d t u r b i n ew i t hl o wb o i l i n gp o i n tw o r k i n gf l u i d si so n ew i t hs i n g l e c l a s s s i n g l e c y l i n d e rc o n d e n s i n gs t e a mi m p u l s e ，t h ee v a p o r a t o ri ss p i r a l f i n t u b ee x c h a n g e ra n dt h ec o n d e n s e ri sf i x e dt u b es h e e te x c h a n g e r a n dt h e n t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp a r a m e t e r so ft h em a i ne q u i p m e n tw e r e l l 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er a t e dp o w e ro fs y s t e mi s6 0 0 k w , t h ec y c l ee f f i c i e n c yi s 7 5 ，t h ea r e ao fe v a p o r a t o ri s2 0 0 0 m z ，t h ea r e ao fc o n d e n s e ri s4 5 0 m z a tl a s t ，b yp r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o n ，t h eq u a n t i t a t i v ei n f l u e n c e so fc y c l e e f f i c i e n c y , o u t p u tp o w e r , e x h a u s tg a st e m p e r a t u r eo nt h ee v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r e ，t h es u p e r h e a td e g r e eo ft h ew o r k i n gf l u i da n dt h ec o o l i n g w a t e rt e m p e r a t u r ew e r er e s e a r c h e d t h er e s e a r c hr e s u l t sw i l lb et e c h n i c a lp r e p a r a t i o nf o rt h ee x p l o i t a t i o n o ff l u ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fa l u m i n i u mr e d u c t i o n c e l l sa n dp r o v i d es o m eg u i d a n c ef o rt h en e x ts t e p e x p e r i m e n t t h e t e c h n o l o g yi s a l s ou s e f u lf o rr e f e r e n c eo fo t h e rf l u eg a sw a s t eh e a t r e e o v e r y , a n di th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e f o rp r o m o t i n gt h ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o ni no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：a l u m i n i u mr e d u c t i o n ，l o wt e m p e r a t u r ef l u e ，w a s t eh e a t p o w e rg e n e r a t i o n ，o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，l o w b o i l i n gp o i n t w o r k i n gf l u i d s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名： 翩签必眺掣年上月掣日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 能源是人类赖以生存和发展所不可或缺的资源。目前，绝大多数国家都以石 油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着我国经济的快速发展和人口的不 断增长，能源相对不足的矛盾日益突出，已经成为影响经济和社会发展的重要制 约因素之一。寻找新的资源或可再生能源，以及合理的综合利用现有的宝贵资源 将是我国今后如何确保经济可持续发展的关键所在。为了缓解这一矛盾，早在 1 9 9 6 年国务院就制定并出台了一系列开展资源综合利用的政策，倡导要坚持资 源开发与节约并举【l 】，并把节约放在首位，一切生产、建设、流通、消费等各个 领域，都必须节约和合理利用现有的各种资源，千方百计减少资源的占用和消耗。 在“十一五”期间，我国政府又提出各级政府和企业要把“节能减排 工作放在 重要地位，达到每年产值能耗下降4 的目标，并实行逐级考核，同时加大了奖 惩力度，以促使这一目标的实现。 2 l 世纪，我国处于一个经济飞速发展的时期，工业化进程加快必然要求以 能源增长作为基本保障，能源需求量大幅度增长，目前已创历史新高，并且在未 来几十年内还将快速增长。据有关专家保守预测：如果以2 0 0 0 年我国能源消费 数据为基点，到2 0 1 0 - - 2 0 2 0 年，按g d p 分别翻一番和翻两番计算，我国能源消 费总量增长的幅度分别为3 8 和8 9 ，2 0 1 0 年能源消费总量将增长到2 2 4 亿吨 标准煤；2 0 2 0 年为2 5 5 亿吨 - 3 0 亿吨标准煤【2 1 。因此，能源资源不足是我国能 源发展面临的最大问题。 我国是世界上唯一以煤炭为主的能源消费大国，燃煤占世界煤炭消费量的 2 7 。大量燃煤并缺乏有效治理造成了严重的环境污染。我国排放的二氧化碳中 8 5 是由燃煤排放的；排放的二氧化硫中的9 0 、氧化氮中的6 0 和烟尘中的7 3 也是由燃煤排放的。大量燃用矿物燃料产生的二氧化碳等温室气体会使全球气候 变暖造成环境恶化。我国能源使用排放的二氧化碳约占各种温室气体总排放量的 8 0 。我国温室气体排放量约占全世界总排放量的1 3 ，仅次于美国之后居世界 第二位【3 j 。按人均和国土面积平均，我国温室气体排放量很低，但我国随着能源 消费量增加而引起的温室气体排放量的增加正引起全球的瞩目。国际能源组织预 计，中国二氧化碳排放量有可能在2 0 2 0 - 2 0 3 0 年间超过美国。部分工业化国家于 1 9 9 9 年在日本京都签定的议定书中承诺减排二氧化碳，中国是世界环发大会联 合国气候变化框架公约的签字国，将根据可持续发展战略，努力减缓温室气体 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 排放的增长率。 我国燃煤排放的二氧化硫也不断增加，2 0 0 0 年起排放总量达1 9 9 5 万吨，首次 超过美国，成为世界二氧化硫第一大排放国。从2 0 世纪8 0 年代开始，我国酸雨区 迅速扩大，覆盖了四川盐地、长江以南和青藏高原以东的广大地区，至2 0 0 4 年酸 雨区面积约占国土面积的1 3 。据测算，每年我国由酸雨导致的经济损失高达1 1 0 0 亿元人民币【4 j 。控制和治理二氧化硫污染刻不容缓，因此，依据中华人民共和 国大气污染防治法、中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲 要、国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定及国家环境保护“十 一五 规划，本着“整体控制、突出重点、分区要求、总量削减”的方针，国 家环境保护总局制定了国家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”规划。 在我国，由于高耗能工业的快速发展，带动煤炭需求和消耗量以2 亿吨年的 速度递增，2 0 1 0 年煤炭消费总量将达2 1 亿吨；n 2 0 2 0 年约为2 0 亿吨。在我国一次 能源消费中：煤炭占6 7 1 ，原油占2 2 7 ，天然气占2 8 ，可再生能源占7 3 t 5 1 。 煤炭比重过高，而石油、天然气、可再生能源的比重则偏低。煤炭消费比重过高， 必然会降低能源的利用率，增大对资源和环境的压力。为此，许多国家都对煤炭 采取限产政策，重新调整能源结构。 从总体上来看，目前我国能源利用效率低，只有3 7 左右，比发达国家低近 l o 个百分点，可节省能源费用1 3 0 多亿元【3 】。很多产品的单位能耗与发达国家相 比差距很大，如钢铁、电解铝、发电、建材、化工等行业的主要工业产品单位能 耗高出2 0 - 8 0 ，有很大的节能潜力。2 0 0 5 年我国钢铁、有色、化工、建材、 石化、轻纺、机械等主要能耗工业，余热利用率为4 5 ，工业炉窑热效率低 于7 0 1 6 1 。通过产业结构调整、优化产品结构、降低高能耗行业的比例、增加高 附加值产品的比重以及居民生活用能优质化等措施，近期产值能耗节能潜力达3 亿吨标准煤左右。 在国家资源综合利用产业政策的鼓励下，许多企业开始利用生产过程中产生 的余热进行发电，这样既降低了成本，又保护了环境，其经济和社会效益十分显 著。我国利用高温热源的余热发电技术已经成熟( 例如钢铁企业和中空水泥回转 窑高温烟气回收热量发电) ，并且已成功走向工业化，但中低温余热发电技术尚 不很成熟。然而，在钢铁、电解铝、石油化工、建材、水泥、制糖等行业中，生 产厂家具有大量低品位余热，包括低品位烟气、蒸汽和热水等，这些热量品位低、 数量大、分布较散，基本不能为生产再利用，因此，推广纯低温余热发电作为一 项低品位余热利用的手段，已经成为当前余热发电技术上的研究热点，并受到了 政府部门的重视。从我国能源局编制的( 2 0 1 0 热电联产发展规划及2 0 2 0 年远景 目标可以知道，中国低温余热发电的未来将十分光明1 7 j 。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 综上所述，我国能源利用效率低、节能潜力巨大。电解铝行业属于高耗能行 业，生产过程中有大量的低温烟气排放到大气中，其中所含有的余热资源被白白 浪费掉，因此，铝电解行业低温烟气余热节能技术值得深入研究和探讨。依靠科 技进步，利用现代技术，对预焙阳极电解槽的低温烟气进行余热回收利用研究具 有重要的现实意义，是顺应时代要求的必然选择。 1 2 我国电解铝工业耗能现状 温家宝总理在十届五次人代会上所作的政府工作报告中提出要把节能降耗 作为转变经济发展方式的突破口。电解铝工业是高耗能产业，而且消耗的主要是 二次能源电力，是节能降耗的重点行业。从电力结构和能源实际情况来看， 在相当长的时间内，我国电解铝工业基本还是使用煤电和水电。 要抓好我国电解铝工业节能降耗工作，首先需要对我国能源基本国情和电解 铝工业能耗情况有一个清晰的了解，才能科学决策。改革开放以来，我国电解铝 工业在市场的拉动下高速发展。我国电解铝年产量从1 9 5 3 年开始，产量上1 0 0 万吨用了整整4 0 年，上2 0 0 万吨仅用了5 年，上3 0 0 万吨用了4 年，而从4 0 0 万吨突破到6 0 0 万吨，仅用了3 年时间【8 】。在“十五 期间，我国电解铝产量猛 增，2 0 0 2 至2 0 0 6 年5 年间电解铝产量年增幅高达1 7 0 1 2 6 1 6 。我国电解 铝产量从2 0 0 4 年起已占世界电解铝产量2 0 以上。我国已经成为世界上最大的 电解铝生产国和消费国。2 0 0 7 年，我国电解铝产量达1 2 5 6 万吨，同比增加3 2 0 8 6 万吨，增幅达3 4 2 0 ，而同期全球铝实际产量为3 8 2 5 万吨，除去中国后全球产 量增长1 1 8 万吨，增幅仅为4 9 。统计公报数据显示，2 0 0 8 年高耗能行业产 品产量增速大幅回落，电解铝产量比上年增长6 8 。具体数据请参考表1 1 。 表1 - 1 我国电解铝产量及其增长情冽9 1 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 续表1 1 铝工业是有色金属工业的重要组成部分，既是重要的基础原材料行业，也是 耗能大户，俗称“电老虎”，在我国，电解铝已成为名副其实的高能耗行业【l o l 。目 前我国有色金属行业单位产品能耗达4 7 6 吨标煤，远高于钢铁行业( 1 7 吨标煤) 和水泥行业( 0 2 7 吨标煤) ，其中铝的能耗又占行业总能耗的7 0 。我国有色金 属单位产品能耗比国际先进水平约高1 5 左右。据来自中国有色金属工业协会的 数据显示：2 0 0 7 年，我国电解铝行业综合交流电耗全年平均水平为1 4 4 8 8 千瓦 时吨，总耗电1 8 1 9 7 亿千瓦时，占全国电力消费的5 左右。而同年电解铝的总 产值还不到全国g d p 的1 【l 。同国外相比，我国电解铝厂的生产成本一般比 国外的高2 0 0 0 元吨铝左右。最近十三年来，我国电解铝耗电量如表1 2 所示。 表l - 2 我国电解铝耗电量及其增长情冽9 l 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 随着我国电解铝产量的急剧增加，电解铝所消耗的电量也大幅度增长。九五 期间每年增加的电量均低于1 0 0 亿千瓦时，2 0 0 1 2 0 0 5 年5 年间电解铝耗电量 年增幅高达1 6 1 5 2 4 2 0 0 , 6 。自2 0 0 5 年起，我国电解铝行业年耗电量首次突破 千亿千瓦时大关，2 0 0 5 2 0 0 7 年，我国电解铝投资过热，产量大增，耗电量也 呈现梯级增长，尤其是2 0 0 7 年，增幅高达3 2 3 0 ，创历史新高。2 0 0 8 年，由于 下半年受美国次贷危机( s u b p r i m em o r t g a g ec r i s i s ) 的影响，全球经济萎缩。金 融危机对有色冶金行业造成了极大的冲击和影响，电解铝行业亦不能幸免，实际 产量较预期有所回落。 由于我国经济发展模式粗放，资源、能源供应紧张，加之电解铝产能过度膨 胀，高耗电的电解铝工业已成为国家宏观调控的主要对象，节能降耗是企业必走 的发展之路。 1 3 电解铝工业的节能途径 国家提出在“十一五”期间万元国内生产总值能耗下降到o 9 8 吨标煤，比 “十五”期末降低2 0 ，平均年节能率达到4 ，并要求重点行业主要产品单位 能耗总体达到或接近本世纪初国际先进水平【1 2 】，铝电解行业在有色金属行业中肩 负着节能降耗的重要责任。电能是铝电解主要的成本构成部分，目前生产1 吨铝 需要1 3 0 0 0 k w h 1 5 0 0 0 k w h 的直流电，电能消耗占到吨铝成本的4 5 左右，节 电工作显得尤为重要。同时在我国电解铝工业上，节能降耗所带来的经济效益也 十分可观，据来自中国有色金属工业协会的报道，2 0 0 7 年我国综合交流电耗比 上年下降了1 8 3 千瓦时吨，耗电水平创历史新低，全年节电2 3 亿千瓦时。从2 0 0 6 年起，铝生产企业积极贯彻国家的节能减排政策和措施，加快结构调整，淘汰落 后生产能力。在全部淘汰自焙槽产能的基础上，又关闭了部分能耗高的小型预焙 槽产能。到目前，国内1 6 0 k a 及以上的大型预焙槽能力占总能力的8 6 1 1 1 j 。与 此同时，国内铝厂也积极探索降低电耗的技术方法，加大节能减排的科技投入和 研发力度。 作为工业耗能大户，电解铝企业生产需要消耗大量的能源。节能减排是企业 不可推卸的经济责任和社会责任。目前国内、外针对电解铝行业，实现节能降耗 的具体方法有两个大的方面：工艺节能和余热利用。 1 3 1 工艺节能 自1 8 8 6 年霍尔一埃鲁特法生产铝电解以来，电耗由最初的每千克铝高达 7 4 k w h ，到今天最好的电解槽已到1 3 k w h 以下。所采取的方法主要通过优化电解 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 槽结构和母线配置、电解槽容量及采用计算机控制、点式下料、新材料、等新技 术来实现的。表1 3 列出了有关进展。 表1 3 电解铝工业电耗随年份的变化情况【1 3 i 电解铝工艺节电是非常有效的节能途径。主要有以下措施： ( 1 ) 设计优化。目前已经开始引进和应用的新技术主要是：大面多点进电 和母线补偿；船形结构和小面加工；超浓相输送技术；计算机优化设计；槽型大 型化；电流强化等。 ( 2 ) 工艺控制方面。随着电解生产管理水平的不断提高，对电解技术条件 的控制更加合理，例如电解质水平、铝水平、分子比、氧化铝浓度、槽温、效应 系数、槽电压等的控制值更加科学以及基本实现准连续“按需下料”【l4 1 。动态仿 真与神经网络技术：加强对槽况的监测、预报等。最要代表性的是美凯撒铝公司 “c e t r o l 技术，法国p e c h i n y 公司的“自适应”技术，德国v a w 公司的“e l a s 技术。采用的控制方法和策略为：多级分布式控制系统结构( 槽控级、监控级、 管理级) ，槽况信息处理模块，氧化铝浓度“饥饿”控制方法，电阻( 电压) 跟 踪调控模块，a i f 3 加料控制，效应处理技术，作业监控技术。在国内，中国铝业 有限公司自主开发了“预焙铝电解槽三度寻优控制技术”，并获得成功。此 项技术于2 0 0 7 年4 月在中铝广西分公司进行产业化应用以来，电流效率提高2 ， 平均电解温度下降1 0 。c ，吨铝电耗、阳极消耗和氟化铝消耗以及排入大气的有 害气体都有显著下降1 1 5 j 。 ( 3 ) 新型导流槽的开发与应用。导流型铝电解槽( 简称导流槽) 采用具有 斜坡的阴极，阴极表面涂覆能被铝液良好润湿的硼化物材料( 如t i b 2 ) ，使电解 产生的铝液在阴极表面析出后，顺着斜坡流入阴极的聚铝沟中。这样，阴极表面 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 仅吸附一层3 m m - - - 5 m m 厚的铝液膜，解决了普通槽中因铝液波动需要维持较高极 距的问题，从而可大幅度降低极距。与普通槽相比，导流槽的优点主要体现在以 下几个方面【1 6 1 ：1 ) 极距可由普通槽的4 c m - - 5 c m 降低至2 c m - - - 3 c r n ，从而减少饱 解质压降带来的巨大能量损耗；2 ) 由于阴极表面铝液厚度很小，这不仅可减少 铝电解槽内铝液造成的热损失和成本积压，还可减小电解槽产生的强大电磁力场 对铝液的作用，从而避免了铝液波动引起的电解不稳定和局部短路现象，减少了 无谓的电能消耗，提高了电流效率；3 ) 阳极底面与阴极表面斜坡平行，使气体 排放更加顺畅，可减少阳极效应的次数，从而减少阳极效应带来的电能消耗。 ( 4 ) 惰性阳极的开发。传统铝电解成本高、污染严重，而采用惰性电极材 料，具有高效率、低能耗、低成本和无污染等诸多好处。近几十年来，这方面一 直是国内外研究的热点。有报导称旧，电解槽在采用惰性阳极技术之后，各类技 术经济指标方面都将有明显提高。主要包括：1 ) 能耗降低2 0 3 0 ；2 ) 无碳 耗、阳极气体为0 2 ，无温室气体c 0 2 和致癌物质c f n ；3 ) 成本降低2 0 以上，生 产稳定，不( 或少) 换极，无阳极效应。美铝采用惰性阳极工艺技术，已于2 0 0 1 年初用于电解铝生产线，这一技术可使每磅原铝节省生产成本0 0 6 - 0 1 1 美元， 同时，美铝宣布这项技术先在一个电解铝厂成功运行一年后再在美铝其他厂使 用，采用这一新技术，新建电解铝厂的投资也会节省2 5 , - - - 3 0 1 1 8 1 。 ( 5 ) 筑炉材料方面。干式防渗料的应用，碳化硅及其复合块的应用，阴极 涂层技术，阳极( 阳极糊) 掺杂，磷生铁新配方等都能优化工艺条件，从而起到 节能降耗的目的1 1 9 1 。 铝电解技术发展1 2 0 年来，正是逐步开发和应用新技术，才使得铝电解的技 术经济指标达到了如今的地步，现代大型预焙槽的电流已高达5 0 0 k a ，电流效率 最高接近9 6 ，吨铝直流电耗最低达到1 2 0 0 0 k w h 的水平。这些技术指标在现有 工艺条件下，差不多已达到了极限，因此，铝电解行业进一步节能降耗需要另辟 蹊径。 1 3 2 余热利用 余热利用分热利用和动力利用两方面。其中热利用是利用电解槽的烟气余热 来加热冷水，用于职工浴池，做洗浴用。根据人体生理特征，洗浴时最佳水温为 4 0 4 2 ，超过5 0 则有可能发生烫伤。这种利用方式在国内某些铝厂得到了 应用1 2 0 l ，但能量只是品质上的降级使用，对资源的利用不够经济，如果能将这部 分余热转变成电能，效益将是相当可观的。因为电能在所有的能源中具有应用推 广、使用方便的特点。动力利用又有两种方式： ( 1 ) 铝电解槽侧部散热的动力利用。目前国内针对侧部散热的应用研究主 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 要有两种思路：一是利用半导体发电技术；二是利用热声热机发电技术。 半导体发电技术是利用温差直接将热能转化为电能一门技术，仅靠温差便可 发电而获取能量【2 1 1 。已成为国际上新能源研究的热点，被公认为继太阳能发电和 风能发电之后的第三种清洁能源发电方式。但因热电能量转换效率和成本的限 制，温差发电技术被广泛应用于工业余热、废热的回收利用、航天辅助电力系统 等领域【2 2 1 。在我国，已经有科研院校将半导体温差发电技术应用到铝电解侧部散 热的回收上，但是文献上并没有详细的报道。该技术目前主要受到热电能量转换 效率和成本的限制，要成功应用到工业实际之上还有许多难点需要攻克。 热声热机发电技术首先研究热驱动热声热机的热源和热端热交换器，进一步 研制余热利用热声发动机样机，再开发出余热利用热声发动机驱动热声发电机， 利用电解槽侧部散发的热量达到发电的目的，是与铝电解有关的一种新节能措施 的研究。热声发动机能够有效地利用低品位热能源，如废热、太阳能和燃气等。 目前该技术在国内也是刚刚起步，一些科研院所进行了初步研究。中南大学的刘 益才、黄谦等人【2 3 1 ，针对铝电解槽中温度为2 0 0 4 c 3 0 0 c 的余热完全没有被利 用的现状，提出了采用相变蓄热换热器作为热声热机热端换热器来进行铝电解槽 余热利用的方法，通过建立系统模型，并进行理论计算得出：在回热器两端温差 为3 0 0 k 时热声模块装置的效率可达到3 0 。虽然该技术在理论上是切实可行的， 但是目前还很不成熟，在工业现场实际应用的可能性并不大。主要问题包括：1 ) 铝电解槽散热的不稳定性不能很好的满足热声热机对稳定热源的要求；2 ) 在热 声热机中由于存在弛豫时间的问题，循环效率并不能很好的保障。 ( 2 ) 铝电解槽低温烟气余热动力利用。它是建立在工程热力学的基础之上， 利用该余热源来加热中间介质，获得高于大气压力的蒸汽，让它在透平机或者其 它膨胀机里做功回收动力。采用低沸点工质有机朗肯循环发电技术对铝电解槽的 低温余热源进行动力利用，将具有更大的实际价值和推广价值。本文正是在此方 面开展初步的研究工作。 1 4 电解槽低温余热动力回收潜力 预焙阳极电解槽的槽型按容量分为小型( 4 0 0 k a ) 等。虽 然各电解槽容量不同，厂房布置也不尽相同，但是在一般情况下，电解槽的烟气 系统结构基本相同，图1 1 为烟气及净化系统简易布置示意图。 如图1 1 所示，每台槽子的烟气分别通过槽体系的集气罩引入自身的烟管， 汇入厂房外墙的支烟管之中，不同厂房的支烟管的烟气又汇入总烟管中。再通过 主烟道汇总进入地下烟道，然后送入除尘系统，经过除尘净化后的烟气最后由引 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 风机抽到烟囱排出。图中的箭头，表示的是烟气的流向。 1 + l f + 虿；7 2 r 、一 l 一式 、7 3 j ； fm d h v 5 一 一 - 、 一一一；_ ；一8 l 一电解厂房；2 一支烟管道；3 一总烟管；4 一地下烟道： 5 一布袋收尘器：6 一净化车间主控室；7 一烟囱；8 一引风机 图1 1 铝电解厂烟气及净化系统布置示意图 电解铝生产过程中产生的低温烟气，温度一般为1 0 0 2 0 0 ，图1 2 为国 内某厂2 0 0 k a 单台槽槽体系热损失分布图，由图以及经验值可知，烟气带走的 热量大致占整个槽体系能量支出的2 0 3 5 。 图卜2 铝电解槽体系热损失分布示意图 电解铝烟气由空气和碳氧化物组成，基本不含硫化物，粉尘含量也较低。以 一个净化系统为例，表1 - 4 列出了国内某厂2 0 0 k a 单台槽排出的烟气基本参数。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表l - 4 电解槽排出烟气的基本参数 参数数值 烟气温度 环境温度 c 烟气实际流量i n 3 h 1 烟气标况流量 m 3 h 1 c o 标况气体流量m 3 h - 1 c 0 2 标况气体流量m 3 h - 1 空气带走热量e l h j 从表1 4 可知，电解槽排出的低温烟气中含有大量的废热资源，回收利用这 部分废热资源能够开创电解铝行业节能减排工作的新局面，而低温烟气余热发电 技术是一种有效的节能途径。据初步估计，对于铝电解行业来说，以2 0 0 k a 电解 槽为例，采用低沸点工质发电技术，可以使吨铝能耗降低2 0 0 - 2 5 0 千瓦时吨， 我国整个电解铝每年节能量将达9 0 - 1 5 0 亿度，相当于3 0 0 - 5 0 0 万吨标准煤。 1 5 有机朗肯循环发电技术原理 低温烟气余热发电现在普遍采用的是低沸点工质有机朗肯循环( o r g a n i c r a n k i n ec y c l e ) 技术，简称o r c 发电技术，图1 3 为其工作原理图，o r c 发电系 统主要由汽轮机( 或螺杆膨胀机) 、发电机、冷凝器、工质密封泵、高效换热器 等组成。o r c 发电技术是采用在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质 ( 或者混合物) ，利用余热产生动力，可回收不同温度范围的低温余热。 余 图1 - 3o r c 发电技术工作原理图 l o 0 9 l 4 巧 叛 孔 4 7 5 3 加 & ” 体4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 课题来源及主要研究内容 本课题以实现能源的低消耗、低排放、高效率为研究目的，结合某铝业公司 5 万吨电解二车间2 0 0 k a 槽型的低温烟气余热进行理论研究与探讨，用来指导工 业实验的开展。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 研究热力系统的运行原理，并给出热力系统主要参数的确定方法及相 关的数学模型； ( 2 ) 结合实际研究对象，通过计算，对常用低沸点工质进行优化分析与选 取，并确定系统的工作工质； ( 3 ) 结合实际工质和工况，对低沸点工质非标汽轮机和新型低温换热器、 冷凝器进行设计选型，给出相关的计算方法；通过编制计算程序，对系统主要设 备及热力参数进行了计算； ( 4 ) 研究o r c 发电系统的影响因素，并对冷却水温所引起的变工况进行分 析。 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 工业烟气余热资源状况 工业余热利用，是工业节能的重要方面，属于所谓“开源 ，可以看作是工 业二次能源的开发利用。从现代热物理学的观点来看，同样多的热量，在不同的 温度下可供利用的价值不同。余热源的温度越低，余热的品位就愈低。 工业余热的总量是非常巨大的。据估计【2 4 】，美国精炼、化工、钢铁等行业在 2 0 0 2 年所具有的余热发电潜力约为3 0 0 0 m w ；而我国单位产值能耗比世界平均 水平高2 4 倍，能源效率比国际先进水平低1 0 个百分点，回收工业余热具有巨 大的潜力。本文主要研究对象是烟气余热发电，所以下面就国内工业烟气余热发 电的现状进行综述。 工业烟气余热可根据它所具有的温度来分类，一般可分为三类：( 1 ) 高温烟 气( 6 0 0 ) ；( 2 ) 中温烟气( 2 3 0 - - 6 0 0 ) ；( 3 ) 低温烟气( 2 3 0 ) 。当然， 这种划分具有一定的主观性，并且温度范围也不存在唯一性。常见的工艺过程的 烟气温度见表2 1 。 表2 - 1 常见的工艺烟气温度【2 5 1 设备名称 排气温度 设备名称排气温度* c 高温烟气中温烟气 氧气顶吹转炉 1 6 5 1 9 0 0 锅炉排烟 2 3 m 4 8 0 炼铜反射炉 11 0 0 1 3 0 0 燃气轮机 4 0 0 - 5 0 0 镍精炼炉 1 4 0 0 - 1 6 0 0 内燃机 3 0 0 , - - 6 0 0 炼锌炉 1 0 0 6 - - 11 0 0 增压内燃机 2 5 0 , - 4 0 0 常规轧钢加热炉 9 0 0 - - l2 0 0 热处理炉 4 0 m 石0 0 干法水泥窑6 0 0 - 8 0 0干燥炉和烘炉 2 5 0 6 0 0 玻璃熔窑6 5 0 9 0 0换热器 3 0 0 4 5 0 高、中温烟气的热能由于温度高，其能级较高，因此容易加以利用，一般都 应最大限度地将其转化成为机械能，用于动力利用，即所谓“高质高用”。对高、 中温烟气的余热，采用余热发电系统更符合能级匹配的原则。高、中温烟气余热 发电技术在我国已经得到了广泛的应用，主要应用于建材行业的水泥炉窑、玻璃 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章文献综述 炉窑；冶金行业的高炉、碳素炉窑、炼钢转炉等上面。高、中温烟气余热发电在 国内应用的技术比较成熟，目前国家大量鼓励和支持的方向是低温余热发电，因 为电力、冶金、化工、建材、石化等高能耗行业存在大量低品位余热。 2 1 1 建材行业烟气余热发电进展 建材行业烟气余热发电技术主要应用在水泥窑和玻璃窑上，下面进行简要介 绍。 2 1 1 1 水泥窑烟气余热发电 水泥窑余热发电是国内外发展较早的余热利用技术，我国水泥窑余热发电技 术源于二十世纪三十年代日本人在我国东北及华北地区建设的若干条中空窑高 温余热发电站，其水泥窑废气温度为8 0 0 - 9 0 0 。c 、熟料热耗为6 7 0 0 k j k g - - 8 4 0 0 k j k g ，所配套的高温余热发电系统的发电能力为每吨熟料9 0 k w 1 3 0 k w t 2 6 1 。当前我国水泥余热发电技术已有了长足的进步，主要有以下几种类型： 1 ) 中空余热发电窑配置立式余热锅炉的余热发电系统。这种技术可用于老 厂改造。但是当前我国全部中空窑生产能力仅剩约1 0 0 0 万t ，亦为淘汰窑型，再 在这种窑型上建余热发电系统要慎重。 2 ) 带补燃锅炉的水泥厂中低温余热发电技术及装备。这是我国“八五”重 大科技攻关成果带补燃锅炉的中低温余热发电工艺及装备的研究开发。 成功回收利用预分解窑、悬浮预热器窑窑头冷却机约2 0 0 、窑尾4 0 0 以下的低 温废气余热用于发电或热电联供。该技术已应用于山东鲁南、北京琉璃河、湖北 葛洲坝、吉林亚泰、牡丹江、广东亨达利等2 0 0 0 t d 级生产线。这种技术对于1 0 0 0 t d 级预分解窑已完全成熟，在节能降耗方面显现出极大的优越性，尤其是循环流态 化床补燃锅炉燃用煤砰石等劣质燃料( 发热量 3 0 0 0 k c a l ) ，降低了发电成本，且 补燃锅炉的炉渣、粉煤灰还可用于生产水泥，实现了废弃物循环利用，降低了原 料外购量。杭州钱潮公司仓前水泥厂2 0 0 3 年余热发电站有效运转率1 0 0 ，缓解 了供电不足，每年可为公司产生几百万元利润，经济效益十分可观1 2 丌。 3 ) 纯低温余热发电系统。这种技术也是用于预分解窑的发电系统，同样是 “八五 国家攻关项目课题双流低温余热发电系统及螺杆膨胀机的研究开 发。我国开展新型干法水泥窑低温废气余热发电技术及装备的研究、开发、推 广应用工作始于1 9 8 9 年，经过多年的努力，目前形成了两种低温余热发电技术： 其一为带补燃锅炉的技术，自1 9 9 2 年，利用此项技术，国内共计有2 2 家水泥厂、 3 7 条新型干法水泥窑( 一条5 0 0 0 t d 、一条4 0 0 0 t d ，其它为7 0 0 t