王寶奎,李志國,王曉平,楊群太

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001;2.西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院,陜西 西安 710043;3.廣西華昇新材料有限公司,廣西 防城港 538000)

冶金級氧化鋁生產(chǎn)的最后一道工序就是氫氧化鋁焙燒,即通過燃料燃燒提供熱量,使?jié)駳溲趸X在升溫過程中依次脫除附著水及部分結(jié)晶水,在1100℃左右發(fā)生最終的脫水反應(yīng),脫除剩余全部結(jié)晶水并發(fā)生晶型轉(zhuǎn)換,生產(chǎn)質(zhì)量合格的冶金級氧化鋁產(chǎn)品。焙燒過程的主反應(yīng)發(fā)生在主爐內(nèi),反應(yīng)所需的熱量主要是通過燃料燃燒提供,反應(yīng)完成后攜帶熱量的高溫氧化鋁在多級旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)中與助燃空氣換熱降溫回收熱量,生成的煙氣在多級旋風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)中與低溫氫氧化鋁換熱降溫回收熱量,通過這種多級旋風(fēng)預(yù)熱、多級旋風(fēng)冷卻的熱量回收制度設(shè)計(jì),整個(gè)焙燒過程的能耗控制在較低的水平,相比之前業(yè)內(nèi)主流的回轉(zhuǎn)窯焙燒技術(shù)在能耗控制上有了質(zhì)的飛躍,實(shí)現(xiàn)了裝備的更新?lián)Q代。

但是焙燒過程仍然是氧化鋁生產(chǎn)中三個(gè)關(guān)鍵耗能工序之一,這主要是以下原因造成的:為了避免煙氣結(jié)露對于設(shè)備造成的不利影響,通常排煙溫度控制在露點(diǎn)以上;即使是在國家提高了煙氣排放控制標(biāo)準(zhǔn)后,受限于認(rèn)知水平和投資強(qiáng)度,排煙溫度仍然沒有明顯變化。從焙燒爐旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)排出的氧化鋁同樣保持了較高的溫度,很多企業(yè)仍然沿用循環(huán)水作為降溫介質(zhì),損失了較多的能量。

“3060”目標(biāo)是習(xí)主席代表中國向世界做出的莊嚴(yán)承諾,中國將力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,作為氧化鋁行業(yè)的從業(yè)者同樣要通過技術(shù)升級助力氧化鋁行業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),這樣來看對于氧化鋁生產(chǎn)中的能源消耗大戶之一的氫氧化鋁焙燒工序進(jìn)行更為充分的余熱利用就顯得更為必要和迫切了。本文主要從理論角度對焙燒爐余熱可以被利用的程度進(jìn)行分析,以期為業(yè)內(nèi)開展焙燒爐余熱利用工作尋找可行的方向。

1 焙燒爐系統(tǒng)余熱分布及碳排放強(qiáng)度

1.1 余熱的產(chǎn)生及分布

氫氧化鋁焙燒過程的實(shí)質(zhì)是一個(gè)脫水的過程,將氫氧化鋁的附著水和結(jié)晶水脫除,結(jié)晶水和附著水合計(jì)約占?xì)溲趸X總重量的38%左右,因此氫氧化鋁焙燒過程必然要消耗大量的能源才能實(shí)現(xiàn)。焙燒爐系統(tǒng)自身通過采用焙燒后的物料在多級旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)和流化床冷卻器中預(yù)熱助燃空氣提高燃燒效率,來料氫氧化鋁在旋風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)中被燃燒后的高溫?zé)煔忸A(yù)熱,使得氫氧化鋁在進(jìn)入焙燒裝置主爐時(shí),物料中絕大部分水已經(jīng)脫除,這樣物料在主爐中主要發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變和剩余少量結(jié)晶水的脫除,大大縮短了焙燒時(shí)間,進(jìn)而降低整個(gè)過程的熱耗。

現(xiàn)行氧化鋁焙燒系統(tǒng)的能耗為3 GJ/t-Al2O3左右。燃料燃燒提供的熱量中,除了完成焙燒主反應(yīng)使用外,其余80%左右以系統(tǒng)余熱形式散失到環(huán)境中,而余熱搭載的載體主要是高溫高濕的煙氣和高溫氧化鋁。氧化鋁焙燒煙氣排煙溫度在135～180℃,由于氫氧化鋁焙燒的特點(diǎn),氧化鋁焙燒爐排放的煙氣含水率都在40%以上,含有大量的水蒸汽潛熱,含熱量2200 MJ/t-Al2O3。氧化鋁產(chǎn)品出焙燒爐的溫度在200～300℃,含有熱量255 MJ/t-Al2O3。 但采用不同燃料產(chǎn)生的焙燒煙氣水蒸汽含量不同,其潛熱含量也不同,表1為采用三種不同燃料條件下余熱在各部分的百分比分布,可以看出目前氫氧化鋁焙燒采用的三種燃料產(chǎn)生的煙氣都含有大量的潛熱,占總熱量的70%以上,極具回收價(jià)值。

表1 三種不同燃料下余熱在各部分的百分比分布 %

1.2 碳排放強(qiáng)度

根據(jù)《2006年IPCC指南》對于碳排放量計(jì)算方法,主要采用燃料熱量乘以排放因子來計(jì)算,其中第一層級方法的排放因子取值采用缺省排放因子,在指南中也給出了不同燃料的排放因子,據(jù)此可以計(jì)算出在采用不同燃料進(jìn)行氫氧化鋁焙燒時(shí)的碳排放強(qiáng)度,即碳排放強(qiáng)度主要和燃料燃燒的發(fā)熱量成線性關(guān)系,這說明提高余熱利用率,可以降低焙燒單位能耗,同時(shí)降低系統(tǒng)碳排放量,余熱利用效果與系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度直接相關(guān),也可以從這個(gè)角度評估不同焙燒過程的碳排放強(qiáng)度差異。焙燒過程采用不同燃料時(shí)對應(yīng)的碳排放強(qiáng)度不同,以某一具體企業(yè)為例,表2為當(dāng)采用三種不同燃料條件下單位氧化鋁產(chǎn)品的碳排放強(qiáng)度。可以看出,如不進(jìn)行余熱回收利用,采用天然氣碳排放強(qiáng)度最大。

表2 三種不同燃料下單位產(chǎn)品的碳排放強(qiáng)度

2 氧化鋁產(chǎn)品攜帶熱量及可回收程度分析

2.1 工藝現(xiàn)狀

焙燒后的氧化鋁產(chǎn)品經(jīng)過多級旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)后溫度仍然較高,無法通過皮帶輸送,為了設(shè)備的使用安全,需要對氧化鋁進(jìn)行二次降溫,生產(chǎn)中目前是采用循環(huán)水與高溫氧化鋁逆流換熱的方式,在流化床冷卻器中實(shí)現(xiàn)的,物料在流化床內(nèi)的停留時(shí)間一般為10～20 min,經(jīng)過這一級用水間接冷卻,合格氧化鋁上氧化鋁輸送系統(tǒng)的溫度控制到80℃以下。目前采用流化床冷卻器用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻,而用于降溫的循環(huán)水吸收的熱量無法回收利用,還需要消耗額外的動力維持循環(huán)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行,采用目前的運(yùn)行方式,對于熱量利用來說是雙重浪費(fèi),既無法回收利用高溫氧化鋁的余熱,還需要消耗額外的能量維持循環(huán)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 可回收熱量

從焙燒爐旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)排出的氧化鋁溫度一般在200～300℃,平均在240℃左右,按照降溫至可安全輸送溫度80℃計(jì)算,噸氧化鋁產(chǎn)品可供回收的熱量量為:

Q=1000×(240×0.93-80×0.84)÷1000000

=0.156 GJ/t-Al2O3

(1)

式中:0.93——氧化鋁在240℃時(shí)的比熱,kJ/(kg·℃);

0.84——氧化鋁在80℃時(shí)的比熱,kJ/(kg·℃)。

2.3 回收方法

旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)出料氧化鋁超過200℃,熱量具備回收的潛力。

山東某氧化鋁企業(yè)[1]通過采用熱媒水作為換熱介質(zhì),冷卻高溫氧化鋁,再加熱蒸發(fā)原液,噸氧化鋁產(chǎn)品可以回收熱量0.03 GJ;河南某氧化鋁企業(yè)[2]采用新型強(qiáng)化傳熱冷卻單元,改善了氧化鋁的冷卻效果,高溫段氧化鋁采用60～70℃的蒸發(fā)回水進(jìn)行冷卻,冷卻后水溫控制在 100℃左右,冷卻水量約為40 m3/h,可用于加熱平盤洗水、蒸發(fā)原液或母液等,中低溫段仍采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻,噸氧化鋁產(chǎn)品可以回收熱量0.08 GJ?？梢钥闯霎a(chǎn)品氧化鋁余熱還有很大的利用空間。

在氧化鋁廠全流程范圍內(nèi)尋找合適的冷源是利用產(chǎn)品氧化鋁余熱的研究方向,氧化鋁廠低溫冷源有電廠除鹽水、蒸發(fā)原液、氫氧化鋁洗水、赤泥洗水、采暖水等。產(chǎn)品氧化鋁溫度在200℃以上,通過先進(jìn)的流程和設(shè)備進(jìn)行梯級利用,在預(yù)期熱回收率可以達(dá)到80%以上,回收熱量0.125 GJ/t-Al2O3以上。

3 煙氣余熱及可回收程度分析

3.1 露點(diǎn)溫度影響

3.1.1 不同燃料燃燒產(chǎn)出煙氣露點(diǎn)差異

焙燒爐煙氣中的主要成分是N2、CO2、H2O、O2、SO2、SO3等,其中對于煙氣露點(diǎn)有影響的主要是H2O和SO3等,根據(jù)H.A.Bapahoba公式[3]:

t=186+20lgΦH2O+26lgΦSO3

(2)

式中:t——煙氣露點(diǎn)溫度,℃;

ΦH2O——煙氣中水的體積百分含量;

ΦSO3——煙氣中三氧化硫的體積百分含量。

氫氧化鋁焙燒工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常采用三種氣體燃料,發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣,分別按照典型氣體成分進(jìn)行物料平衡計(jì)算,再分別按照上述煙氣露點(diǎn)公式計(jì)算,煙氣對應(yīng)的露點(diǎn)溫度如表3所示。

表3 三種不同燃料下煙氣露點(diǎn)溫度

3.1.2 不同二氧化硫控制濃度煙氣露點(diǎn)差異

氧化鋁行業(yè)污染物排放控制限值近些年得到了不斷的升級,二氧化硫的排放濃度限值逐漸由《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中對于現(xiàn)有企業(yè)要求的850 mg/m3,新建企業(yè)要求的400 mg/m3,升級到2013年修訂單中的100 mg/m3,直至A級企業(yè)的50 mg/m3,排放控制限值標(biāo)準(zhǔn)的提高也為煙氣的進(jìn)一步經(jīng)濟(jì)安全利用提供了可能。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),二氧化硫的排放濃度對于煙氣露點(diǎn)溫度的影響較為明顯,而煙氣中的含濕量的影響相對不明顯,表4分別列出了在這幾種不同的排放限值下,不同燃料燃燒產(chǎn)生煙氣對應(yīng)的露點(diǎn)溫度。

表4 三種不同燃料下不同排放限值下煙氣露點(diǎn)溫度

3.2 不同冷卻溫度對可回收熱量程度影響

三種燃料產(chǎn)生的煙氣在不同冷卻溫度下煙氣回收熱量比例如圖1所示?？梢钥闯?隨煙氣冷卻溫度的降低,煙氣中可回收熱量比例增加,三種燃料產(chǎn)生的煙氣在同一冷卻溫度下可回收的熱量:焦?fàn)t煤氣>天然氣>發(fā)生爐煤氣。隨著溫度的降低,煙氣中熱量回收率在45℃下,三種燃料都能達(dá)到90%左右。焦?fàn)t煤氣煙氣中水蒸汽82.5℃開始冷凝,天然氣煙氣中水蒸汽80℃開始冷凝,發(fā)生爐煤氣煙氣中水蒸汽79℃開始冷凝,這與可回收熱量趨勢是一致的。

圖1 不同冷卻溫度煙氣回收熱量比例

通過上述分析,采用間接換熱技術(shù)無法是煙氣冷凝溫度下降至82.5℃以下,煙氣中潛熱(水蒸汽中冷凝熱)無法回收,采用直接換熱技術(shù)可根據(jù)全廠熱和水平衡情況設(shè)定排煙溫度進(jìn)行利用。

3.3 回收方法

(1)間接換熱

目前,有些國內(nèi)氧化鋁企業(yè)采用相變換熱器和熱管換熱器進(jìn)行間接換熱,由于煙氣露點(diǎn)溫度限制,間接換熱煙氣側(cè)最低溫度115℃,換熱后可把熱水加熱至90℃以上, 但熱量回收率僅有4.1%,詳見表5。雖然投資小,但回收的熱量也少,從節(jié)能減排的角度,單獨(dú)的間接換熱回收煙氣余熱是不合理的。

表5 煙氣間接換熱余熱回收表

(2)直接換熱

由前述分析可知,煙氣所攜帶熱量的絕大部分是以潛熱的形式存在,需要將煙氣中的水冷凝下來才能將熱量釋放出來,而擬回收熱量的比例越高,則所需的冷凝溫度越低,達(dá)到80%以上回收比例時(shí),冷凝溫度需要低于60℃,考慮到間接換熱還需要保持合理的溫差,通過間接換熱方式回收煙氣熱量的程度是受限的,而直接冷凝的方式雖然可以部分解決溫差的問題。表6為直接換熱回收熱量計(jì)算數(shù)據(jù)。

表6 直接換熱不同排煙溫度下焙燒爐余熱回收表

由表6可以看出,直接換熱回收的熱量遠(yuǎn)高于間接換熱,可以達(dá)到22%～34%,但其得到的熱水溫度僅有76～80℃,該低溫?zé)崴枰獜娜趸X流程尋找加熱冷源。在回收熱量的同時(shí),直接換熱還可以洗滌煙氣,使煙氣換熱后含塵濃度低于10 mg/Nm3,符合工業(yè)爐窯超低排放標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)余熱回收和深度收塵一體化[4]。河南某企業(yè)[5]從去煙囪前的煙道上抽出一股煙氣,采用直接換熱的方式將煙氣冷卻到70℃左右,洗水可以從20℃加熱到80℃送用戶使用,每年可以回收的熱量折合22,138噸標(biāo)煤,噸氧化鋁可以回收的冷凝水量約0.63噸,投資回收期約半年。在實(shí)施直接換熱的同時(shí),可以添加低溫脫硝催化劑[6],在同一裝置中實(shí)現(xiàn)深度脫硝。

4 結(jié) 論

(1) 焙燒過程能源消耗中的約80%以系統(tǒng)余熱形式散失到環(huán)境中,這其中75%左右以煙氣潛熱的形式散失。

(2) 焙燒后氧化鋁產(chǎn)品帶走余熱折合噸氧化鋁約0.156 GJ,其熱量可以通過加熱洗水、母液和電廠除鹽水等方式回收。

(3) 焙燒煙氣中帶走余熱折合噸氧化鋁約2.2 GJ,間接加熱余熱回收率低,不適合氫氧化鋁焙燒產(chǎn)生的高濕煙氣余熱回收。

(4) 采用直接換熱回收氫氧化鋁焙燒煙氣余熱,熱量回收率高,可實(shí)現(xiàn)余熱回收和深度收塵一體化,煙氣達(dá)到超低排放要求。