专利名称：一种带烟气分离装置的铝电解槽烟气余热发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带烟气分离装置的铝电解槽烟气余热发电系统。
背景技术：
目前，通常采用电解铝，即冰晶石一氧化铝融盐电解法生产金属铝。其中，熔融冰晶石作为溶剂，氧化铝作为溶质，在950°C、70°C温度范围内，使用碳质材料的阳极和阴极对其进行电解。通入直流电后，铝液集中在阴极上，而氧则向阳极移动；在电解过程中，阳极还会产生副反应，阳极副反应的主要产物为高温烟气，该高温烟气中的主要成分二氧化碳和一氧化碳气体，由于其中一氧化碳的含量较高，该高温烟气也被称作电解煤气；另外，高温烟气中还会含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘等杂质。使用电解方法生产金属铝的能耗很高，生产中的能源消耗所产生的成本占电解铝成本40%以上。平均吨铝的耗电量约为14，000度。所以，一直以来，节能减排都是电解铝行业发展的一个重要的战略目标。在现有的电解铝生产设备中，在电解铝生产过程中并没有设置高温烟气回收和再利用的装置。并且，为了避免由阳极排出的高温烟气温度过高而对后续设备造成的损害， 均在高温烟气排入到后续设备之前，通过向高温烟气中引入大量冷空气使其降温，使高温烟气冷却变为低温烟气。所以，现有技术中所利用的电解铝余热资源主要是这种低温烟气所含有的余热。根据理论计算，每吨铝的电解煤气生产量为1，000 m3左右，但实际生产中，由于大量冷空气的混入，使高温烟气中的CO与空气发生反应，燃烧生成的烟气量为 125, 200m3/t (约为理论值的100余倍)，可见过量空气系数非常大。显然，在现有技术中，由于铝电解槽中均未配置高温烟气余热回收系统。铝电解过程中所蕴含巨大的余热资源并未得到有效利用。以现有的年产5万吨电解铝车间200kA系列电解槽为例，主烟道烟气参数100°C，300，000m3/h，可上述直接利用低温烟气采用有机工质循环余热发电装机约600kW，功率太小，经济效益太差，无法实际应用。究其原因是该方案的设计者未考虑到烟气温度低的原因是由于混入了大量冷空气造成的，而只是被动的接受该余热源条件，是一种消极的余热利用方式。
发明内容
为解决现有技术中电解铝设备余热无法有效回收利用的问题，本发明提供一种铝电解槽烟气余热发电系统，该发电系统利用铝电解池中阳极高温烟气的余热进行发电，通过在电解槽中加装烟气分离装置，将高温的阳极副反应产生的高温烟气与混入的低温冷空气分离，提取出温度为400°C飞00°C的中高温烟气通入余热锅炉产生蒸汽，再利用汽轮发电机系统进行发电。为实现上述目的，本发明提供一种带烟气分离装置的铝电解槽烟气余热发电系统，该烟气余热发电系统包括烟气系统、余热锅炉系统、汽轮发电机组、电气、控制系统；其中烟气系统用于收集铝电解槽阳极所产生的高温烟气，并将高温烟气送入到所述余热锅炉系统中，高温烟气在余热锅炉系统进行热交换产生蒸汽，所述蒸汽进入到汽轮发电机组中进行发电；所述电气、控制系统用于为烟气系统、余热锅炉系统、汽轮发电机组提供动力和协调控制。进一步，所述烟气余热发电系统还包括冷却系统，所述冷却系统用于将汽轮发电机组中排出的蒸汽进行冷却，再回送至余热锅炉系统中，进行再次利用。进一步，所述烟气系统包括设置在铝电解槽内的烟气分离装置、引风机、用于连接烟气分离装置与余热锅炉系统的第一烟气管道、用于连接余热锅炉与引风机的第二烟气管道，和用于连接引风机与铝电解槽原有烟气管道的第三烟气管道；所述烟气分离装置将铝电解槽火口罩起来，分离出来的高温烟气通过烟气分离装置和第一烟气管道导入到余热锅炉系统中的余热锅炉中放热；降温后的高温烟气又余热锅炉中排出，经过第二烟气管道，并通过引风机升压后通过第三烟气管道重新与铝电解槽中的二次烟气混合，共同进入原有后续的烟气处理系统中，对烟气进行进一步处理。进一步，所述余热锅炉系统包括余热锅炉、除氧器和给水泵，其中余热锅炉用于利用高温烟气的热量产生用于发电的蒸汽；给水泵用于为余热锅供水；除氧器设置在余热锅炉前，用于除去溶解于给水中的氧及其它气体，防止锅炉给水管道、省煤器和其它附属设备的腐蚀。进一步，所述余热锅炉为饱和蒸汽余热锅炉或过热蒸汽余热锅炉。进一步，所述汽轮发电机组包括蒸汽汽轮机和发电机；所述蒸汽汽轮机用于将所述余热锅炉中所产生的蒸汽中的热能转化为动能，进而带动发电机输出电能。进一步，所述汽轮发电机组中所用的热力循环工质可以用水，软化水或去离子水。进一步，所述汽轮发电机组中所用的热力循环工质可以用其他低沸点工质异丁焼、氯乙焼、氨。进一步，所述电气、控制系统为上述各系统提供电能，并对上述各系统的工作进行协调控制。进一步，所述冷凝系统包括冷凝器、冷却水循环泵、冷却塔；其中冷凝器将蒸汽汽轮机中做完功后的乏汽冷凝成水，乏汽冷却后形成冷凝水，再回到余热锅炉完成整个蒸汽循环；冷却塔和冷却水循环泵为冷凝器中的冷却水提供循环动力和冷却装置；冷凝器中的冷却水将乏汽冷凝过程中的大量热量带走，在冷却水循环泵的作用下进入冷却塔中，并在其中通过自然(或强制)通风蒸发带走热量，经过冷却塔中冷却后的冷却水，再次进入到冷凝器中继续工作。本发明的特点是通过铝电解槽烟气分离装置将高温电解烟气分离出来，之后通入余热锅炉产生蒸汽，进而推动汽轮机转动带动发电机发电。高温烟气能够提高余热锅炉的蒸汽参数及余热回收效率，蒸汽参数的提高能够增加汽轮机的运行效率，两者共同作用提高了烟气余热的回收率及余热电站的发电量。
图1为本发明中烟气余热发电系统结构示意图； 图2为本发明的烟气余热发电系统中烟气循环示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种带烟气分离装置的铝电解槽烟气余热发电系统，用于回收铝电解槽的烟气余热来发电。本系统由烟气系统、余热锅炉系统、汽轮发电机组、冷凝系统及配套的电气、控制系统组成。如图1、2所示，烟气系统包括设置在铝电解槽1内的烟气分离装置2、引风机10、 用于连接烟气分离装置与余热锅炉系统的第一烟气管道21、用于连接余热锅炉与引风机 10的第二烟气管道22，和用于连接引风机10与铝电解槽原有烟气管道12的第三烟气管道 23。铝电解槽罩收集的烟气可分为一次高温烟气和二次低温烟气，其中，一次高温烟气主要为由阳极排出的电解煤气在火口 11处燃烧生成高温烟气，二次低温烟气主要为电解槽罩壳四周混入的冷空气和一次高温烟气泄漏的部分烟尘。烟气分离装置2布置在铝电解槽1内部，将铝电解槽火口 11罩起来，使一次高温烟气有效的与周围的二次低温烟气分离开；减小火口 11处电解煤气与空气的接触，将电解煤气燃烧过程中过量空气系数降到最低，避免过多冷空气混入到电解煤气燃烧产生的一次高温烟气中，保持一次高温烟气的温度。分离出来的一次高温烟气通过烟气分离装置2和第一烟气管道21导入到余热锅炉系统中的余热锅炉3中放热，将余热锅炉3中的软化水加热，产生蒸汽。降温后的一次高温烟气由余热锅炉3中排出，通过第二烟气管道22，并经过引风机10升压后，通过第三烟气管道23重新与铝电解槽1中的二次低温烟气混合，共同进入原有后续的烟气处理系统中，对烟气进行进一步处理。余热锅炉系统包括余热锅炉3、除氧器(图中未显示)和给水泵7。其中余热锅炉3 用于利用一次高温烟气的热量产生用于发电的蒸汽；给水泵7用于为余热锅炉3供水；除氧器设置在余热锅炉前，用于除去溶解于给水中的氧及其它气体，防止锅炉给水管道、省煤器和其它附属设备的腐蚀。余热锅炉3可以为饱和蒸汽余热锅炉，也可以为过热蒸汽余热锅炉。汽轮发电机组包括蒸汽汽轮机4和发电机5。蒸汽汽轮机4用于将余热锅炉3中所产生的蒸汽中的热能转化为动能，进而带动发电机5输出电能。汽轮发电机组中所用的热力循环工质可以用水，软化水或去离子水或其它低沸点工质例如异丁烷、氯乙烷、氨等。电气、控制系统为上述各系统提供电能，并对上述各系统的工作进行协调控制。冷凝系统包括冷凝器6、冷却水循环泵9、冷却塔8。其中冷凝器6使蒸汽汽轮机 4中做完功后的乏汽冷凝成水，乏汽冷却后形成冷凝水，再由给水泵7重新加压回到余热锅炉3完成整个蒸汽循环。冷却塔8和冷却水循环泵9作为冷凝器6中的冷却水提供循环动力和冷却装置。冷凝器6中的冷却水将乏汽冷凝过程中的大量热量带走，在冷却循环泵9 的作用下进入冷却塔8中，并在其中通过自然(或强制)通风蒸发带走热量，经过冷却塔8中冷却后的冷却水，再次进入到冷凝器6中继续工作。工作时，烟气系统中的烟气分离装置将铝电解槽中的一次高温烟气引出，并将其输入到余热锅炉中产生蒸汽，蒸汽带动蒸汽汽轮机转动，将热能转化为动能，进而带动发电机发电。高温烟气经过余热锅炉的换热后，温度降低，通过引风机加压，与铝电解槽原有的烟气管道相连，将经过换热后的烟气输入到烟气处理系统中。经过蒸汽汽轮机的转换后，冷却的蒸汽(乏汽)通过冷凝器冷却，然后经过给水泵重新回到蒸汽锅炉中继续使用。如此，使铝电解槽中高温烟气得到了有效利用。仍以年产5万吨电解铝生产线为例，其主烟道烟气参数100°C，300，000m3/h，通过本发明专利实施后可分离出400°C飞00°C的一次烟气，上述铝电解槽烟气余热回收后可配套装机容量为3000kW的一座余热电站。采用本发明对现有铝电解槽实施改造时，现有烟气处理系统维持不变，只需要在电解槽内部加装烟气分离装置和导入余热锅炉的烟气管道，并对管道进行保温处理。整个余热发电系统布置紧凑、结构简单、运行方便。将废烟气中的高温资源提取出来加以利用，提高了余热资源的品质，减少了铝电解的散热损失，降低了铝电解的综合能耗，并减少了对环境的热污染；同时余热用来发电产生效益，降低了单位生产成本增强了企业的产品竞争力。
权利要求
1.一种带烟气分离装置的铝电解槽烟气余热发电系统，其特征在于，该系统包括烟气系统，余热锅炉系统，汽轮发电机组和电气、控制系统；其中烟气系统用于收集铝电解槽产生的高温烟气，并将高温烟气送入到所述余热锅炉系统中，高温烟气在余热锅炉系统进行热交换，并产生蒸汽，所述蒸汽进入到汽轮发电机组中进行发电；所述电气、控制系统用于为烟气系统、余热锅炉系统、汽轮发电机组提供动力和协调控制。
2.根据权利要求1所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述烟气余热发电系统还包括冷却系统，所述冷却系统用于将汽轮发电机组中排出的蒸汽进行冷却并回送至余热锅炉系统中，进行再次利用。
3.根据权利要求1所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述烟气系统包括设置在铝电解槽内的烟气分离装置、引风机、用于连接烟气分离装置与余热锅炉系统的第一烟气管道、用于连接余热锅炉与引风机的第二烟气管道，和用于连接引风机与铝电解槽原有烟气管道的第三烟气管道；所述烟气分离装置将铝电解槽火口罩起来，分离出来的高温烟气通过烟气分离装置和第一烟气管道导入到余热锅炉系统中的余热锅炉中放热；降温后的高温烟气又余热锅炉中排出，经过第二烟气管道，并通过引风机升压后通过第三烟气管道重新与铝电解槽中的二次烟气混合，共同进入原有后续的烟气处理系统中，对烟气进行进一步处理。
4.根据权利要求1所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述余热锅炉系统包括余热锅炉、除氧器和给水泵，其中余热锅炉用于利用高温烟气的热量产生用于发电的蒸汽，给水泵用于为余热锅供水，除氧器设置在余热锅炉前，用于除去溶解于给水中的氧及其它气体， 防止锅炉给水管道、省煤器和其它附属设备的腐蚀。
5.根据权利要求4所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述余热锅炉为饱和蒸汽余热锅炉或过热蒸汽余热锅炉。
6.根据权利要求1所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述汽轮发电机组包括蒸汽汽轮机和发电机；所述蒸汽汽轮机用于将所述余热锅炉中所产生的蒸汽中的热能转化为动能，进而带动发电机输出电能。
7.根据权利要求1所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述汽轮发电机组中所用的热力循环工质可以用水，软化水或去离子水。
8.根据权利要求1所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述汽轮发电机组中所用的热力循环工质为低沸点工质异丁烷、氯乙烷、氨。
9.根据权利要求1所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述电气、控制系统为上述各系统提供电能，并对上述各系统的工作进行协调控制。
10.根据权利要求2所述烟气余热发电系统，其特征在于，所述冷凝系统包括冷凝器、 冷却水循环泵、冷却塔；其中冷凝器使蒸汽汽轮机中做完功后的乏汽冷凝成水，乏汽冷却后形成冷凝水，再由给水泵重新加压回到余热锅炉完成整个蒸汽循环；冷却塔和冷却水循环泵作为冷凝器中的冷却水提供循环动力和冷却装置；冷凝器中的冷却水将乏汽冷凝过程中的大量热量带走，在冷却循环泵的作用下进入冷却塔中，并在其中通过自然或强制通风蒸发带走热量，经过冷却塔中冷却后的冷却水，再次进入到冷凝器中继续工作。
全文摘要
一种带烟气分离装置的铝电解槽烟气余热发电系统包括烟气系统，余热锅炉系统，汽轮发电机组，电气、控制系统；其中烟气系统用于收集铝电解槽阳极所产生的高温烟气，并将高温烟气送入到余热锅炉系统中，高温烟气在余热锅炉系统进行热交换产生蒸汽，蒸汽进入到汽轮发电机组中进行发电；电气、控制系统用于为烟气系统、余热锅炉系统、汽轮发电机组提供动力和协调控制。本发明通过铝电解槽烟气分离装置将高温电解烟气分离出来，并输入余热锅炉产生蒸汽，进而推动汽轮机转动带动发电机发电。高温烟气能够提高余热锅炉的蒸汽参数及余热回收效率，蒸汽参数的提高能够增加汽轮机的运行效率，两者共同作用提高了烟气余热的回收率及余热电站的发电量。
文档编号F01D15/10GK102287245SQ20111021014
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者程珩, 陈恩鉴 申请人:北京世纪源博科技有限责任公司