氧化鋁焙燒爐余熱可利用分析

王寶奎,李志國,王曉平,楊群太

(1.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001;2.西安建筑科技大學 華清學院,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,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。焙燒過程的主反應發(fā)生在主爐內(nèi),反應所需的熱量主要是通過燃料燃燒提供,反應完成后攜帶熱量的高溫氧化鋁在多級旋風冷卻系統(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預熱系統(tǒng)中與低溫氫氧化鋁換熱降溫回收熱量,通過這種多級旋風預熱、多級旋風冷卻的熱量回收制度設計,整個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)露對于設備造成的不利影響,通常排煙溫度控制在露點以上;即使是在國家提高了煙氣排放控制標準后,受限于認知水平和投資強度,排煙溫度仍然沒有明顯變化。從焙燒爐旋風冷卻系統(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”目標是習主席代表中國向世界做出的莊嚴承諾,中國將力爭在2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達到峰值,2060年前實現(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)實現(xiàn)雙碳目標,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度

1.1 余熱的產(chǎn)生及分布

氫氧化鋁焙燒過程的實質(zhì)是一個脫水的過程,將氫氧化鋁的附著水和結(jié)晶水脫除,結(jié)晶水和附著水合計約占氫氧化鋁總重量的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冷卻系統(tǒng)和流化床冷卻器中預熱助燃空氣提高燃燒效率,來料氫氧化鋁在旋風預熱系統(tǒng)中被燃燒后的高溫煙氣預熱,使得氫氧化鋁在進入焙燒裝置主爐時,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,大大縮短了焙燒時間,進而降低整個過程的熱耗。

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,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 碳排放強度

根據(jù)《2006年IPCC指南》對于碳排放量計算方法,主要采用燃料熱量乘以排放因子來計算,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)此可以計算出在采用不同燃料進行氫氧化鋁焙燒時的碳排放強度,即碳排放強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,同時降低系統(tǒng)碳排放量,余熱利用效果與系統(tǒng)碳排放強度直接相關(guān),也可以從這個角度評估不同焙燒過程的碳排放強度差異。焙燒過程采用不同燃料時對應的碳排放強度不同,以某一具體企業(yè)為例,表2為當采用三種不同燃料條件下單位氧化鋁產(chǎn)品的碳排放強度。可以看出,如不進行余熱回收利用,采用天然氣碳排放強度最大。

表2 三種不同燃料下單位產(chǎn)品的碳排放強度

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)過多級旋風冷卻系統(tǒng)后溫度仍然較高,無法通過皮帶輸送,為了設備的使用安全,需要對氧化鋁進行二次降溫,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現(xiàn)的,物料在流化床內(nèi)的停留時間一般為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)的正常運行,采用目前的運行方式,對于熱量利用來說是雙重浪費,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)的正常運行。

2.2 可回收熱量

從焙燒爐旋風冷卻系統(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℃時的比熱,kJ/(kg·℃);

0.84——氧化鋁在80℃時的比熱,kJ/(kg·℃)。

2.3 回收方法

旋風冷卻系統(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,通過先進的流程和設備進行梯級利用,在預期熱回收率可以達到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 露點溫度影響

3.1.1 不同燃料燃燒產(chǎn)出煙氣露點差異

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、焦爐煤氣、天然氣,分別按照典型氣體成分進行物料平衡計算,再分別按照上述煙氣露點公式計算,煙氣對應的露點溫度如表3所示。

表3 三種不同燃料下煙氣露點溫度

3.1.2 不同二氧化硫控制濃度煙氣露點差異

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)污染物排放標準》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,排放控制限值標準的提高也為煙氣的進一步經(jīng)濟安全利用提供了可能。通過計算發(fā)現(xiàn),二氧化硫的排放濃度對于煙氣露點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)生煙氣對應的露點溫度。

表4 三種不同燃料下不同排放限值下煙氣露點溫度

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:焦爐煤氣>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,三種燃料都能達到90%左右。焦爐煤氣煙氣中水蒸汽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定排煙溫度進行利用。

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行間接換熱,由于煙氣露點溫度限制,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,達到80%以上回收比例時,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高于間接換熱,可以達到22%～34%,但其得到的熱水溫度僅有76～80℃,該低溫熱水需要從全氧化鋁流程尋找加熱冷源。在回收熱量的同時,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)爐窯超低排放標準,實現(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。在實施直接換熱的同時,可以添加低溫脫硝催化劑[6],在同一裝置中實現(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,可實現(xiàn)余熱回收和深度收塵一體化,煙氣達到超低排放要求。