基于電解鋁廢煙氣的發電系統改造及經濟性評價

尚亞平,高建強

(中國能源建設集團 山西省電力勘測設計院有限公司,山西 太原 030001)

我國是世界第一原鋁生產大國,電解鋁產量穩居世界第一。2018年,我國電解鋁建成產能4665.2 萬噸,運行產能3570.1萬噸[1];而我國鋁電解企業年耗電量高達4200億度,占全國總耗電量的5%[2]。在電解鋁生產過程中會產生大量廢煙氣,煙氣溫度一般在100～140 ℃之間,即便在冬季也不會低于80 ℃[3]。對電解鋁產生的廢煙氣加以利用,能夠有效提高電解鋁行業能源利用率,符合我國節能、減排、余熱綜合利用的政策。

國內外學者對電解鋁廢煙氣余熱利用進行了許多研究。一方面,田官官等人[4]提出布置鋁電解煙氣余熱回收系統,通過換熱器將煙氣的余熱傳遞給水,用以提供員工生活用水;段呈璽等人[5]提出利用煙氣余熱來給反吹氣缸加熱,保證氣缸的穩定運行;于海等人[6]對氧化鋁生產和電解鋁生產工藝中的煙氣余熱進行分析,并構建了煙氣余熱回收的利用模式。此外,北歐海德魯[7]用鋁電解槽煙氣余熱替代地熱,用于居民取暖和熱水供應。另一方面,部分學者對鋁電解槽煙氣進行余熱發電技術進行了相關研究,周乃君等人[8]探討了ORC發電技術應用于鋁電解槽煙氣余熱發電技術的可行性;王志奇等人[9]對鋁電解槽低溫煙氣余熱發電系統進行了熱力分析,其結果表明煙氣余熱發電系統存在最大輸出凈功;于淼等人[10]通過(Engineering Equation SOLVER)EES軟件模擬,建立數學模型,提出多種方案回收電解鋁廢煙氣余熱,其中,熱電聯產系統更加全面均衡。此外,周乃君等人[11]還對鋁電解煙氣余熱發電系統的工質選擇進行了相關的研究。這些研究為降低電解鋁行業能耗提供了很多可能性,但針對電解鋁煙氣用于發電系統的助燃氧氣源仍然缺少可行性的探討以及實際的應用。

本文簡述某電解鋁項目自備電廠的當前概況,對電解鋁廢煙氣用于發電系統助燃氧氣源的可行性進行探討,改造當前設備及發電系統工藝流程并分析討論,在此基礎上對該技術的經濟性進行評價,以期為電解鋁廢煙氣的利用提供新思路,降低行業能耗,提高能源利用率。

1 概況描述

1.1 電解鋁廢煙氣概況

電解鋁工業生產采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法[12]。熔融冰晶石是溶劑,氧化鋁作為溶質,以炭素體作為陽極,鋁液作為陰極,通入電流后,在950～970 ℃下,在電解槽內的兩極上進行電化學反應[14]。電解鋁生成過程中,主要污染物包括廢氣污染、廢水污染、廢渣污染和噪聲污染,其中廢氣污染是影響最大的污染因素[15]。

每生產1噸電解鋁需耗電約13,500度,電力成本占比30%～40 %,產生約42,000 Nm3廢煙氣[16]。因此,為了降低成本,電解鋁企業一般均配有自備電廠,以滿足電解鋁工藝需求[17]。國內某40萬噸/年電解鋁項目廢煙氣的參數如表1所示。由表1可知,電解鋁的廢煙氣中含氧量為20.62%,與助燃空氣的含氧量基本相當,因此可以將電解鋁廢煙氣作為電廠鍋爐的助燃氧氣源。

表1 電解鋁廢煙氣參數表

1.2 自備電廠概況

上述電解鋁項目規模為40萬噸/年,配套自備電廠為2×300 MW亞臨界燃煤發電機組,電廠鍋爐送風系統由空氣預熱器、吸風口、風機、暖風器等組成,如圖1所示。

圖1 電廠鍋爐送風系統示意圖

2 基于電解鋁廢煙氣的工藝流程說明

采用高溫電解鋁廢煙氣作為機組助燃氧氣源的送風系統,由于廢氣溫度較高,暖風器和吸風口旁路布置,如圖2所示。從電解槽出來的廢煙氣經脫氟、除塵,再經引風機增壓后分兩路,一路至電解鋁煙囪,一路經再次增壓后送至發電廠的鍋爐送風系統,進入爐膛參與燃燒。正常運行時,關閉引風機至電解鋁煙囪的風門,煙氣供電廠燃燒使用;當電廠檢修或事故停爐時,關閉增壓風機側的風門,廢煙氣自電解鋁煙囪完成污染物脫除后排入大氣。

機組的送風選用電解鋁廢煙氣作為助燃氧氣源主要有以下幾點好處:

(1) 在電廠正常運行時不需暖風器預熱,節約加熱蒸汽,鍋爐能夠較高效率的利用電解鋁廢煙氣的余熱,同時在輸送管道設置保溫層,能夠進一步降低熱量的耗散;

(2) 廢煙氣中的CO等可燃性氣體進入爐膛后燃燒,釋放出較多熱量;

(3) 通過電廠成熟的污染物脫除系統,將電解鋁廢煙氣中的污染物脫除。此外,采用電解鋁廢煙氣會導致排煙溫度升高,在對系統的改造過程中,通過設置低溫省煤器回收煙氣余熱,進一步提高煙氣的余熱利用率。

2.1 送風機改造

當前自備電廠助燃氧氣源使用電解鋁廢煙氣之后,一次風機、送風機入口溫度上升,同時由于廢煙氣中的含氧量略低于大氣,所需總風量比改造前略有增加。更換送風機,功率提高至1000 kW,并對風機后的風道進行加大改造。機組正常運行時,可停運一次風機和送風機出口的暖風器;考慮事故工況鋁廠煙氣無法送達自備電廠或廢煙氣無法滿足使用要求時,鍋爐部分或全部配風需切換為室外吸風,為防止空預器的低溫腐蝕,保留暖風器系統;同時為降低暖風器阻力對機組運行的影響,將風機的暖風器移至風機入口。

此外,本次改造后一次風系統會將大量CO帶入磨煤機,有可能超過原系統300 ppm的限值,為此,在每臺磨煤機入口再設置一套CO分析儀,同時修改原報警邏輯,在磨煤機出入口CO分析儀數據差值大于300 ppm時提出報警信號,然后根據報警信號執行相應的操作。

2.2 混合空氣預加熱系統

在進入自備電廠鍋爐空氣預熱器之前,考慮與鍋爐助燃氣量匹配,如煙氣量低于所需助燃空氣量,則需補充一部分空氣與之進行混合,調整至合適氣量后進入空氣預熱器。因此,自備電廠布置混合空氣預加熱系統?？紤]電解鋁廠煙氣中含濕量較低(一般低于1%),輸送過程中不會出現氟腐蝕問題,而混合空氣抽取自大氣環境,溫度會隨環境溫度變化,在-30℃～30 ℃之間,兩者直接混合過程中可能會出現水冷凝,造成管路氟腐蝕的問題。為解決該類問題,本工藝在此段工序中,通過現有的空氣預熱設施,使少量的補充空氣經過加熱達到20 ℃以上后再與電解鋁煙氣進行混合,避免出現氟腐蝕的現象。

2.3 低溫省煤器

當機組的送風選用廢煙氣時,通過項目計算可得:由于電解鋁廢煙氣溫度較高,導致空氣預熱器的換熱效果變差,排煙溫度將隨之升高。排煙溫度過高會超過布袋除塵器的安全運行溫度。為了回收此部分余熱,可以采用空氣預熱器出口煙道上設置低溫省煤器的方案。在空氣預熱器出口至除塵器入口之間的煙道上設置低溫省煤器,能夠有效回收此部分余熱。

設置低溫省煤器后,對整個發電系統的影響體現在以下兩個方面:一方面,回收部分熱量,增加的機組的實際出力;另一方面,增加廠用電率。廠用電率增加的原因在于:(1)煙風系統阻力增加,引風機電耗隨之增加;(2)凝結水系統循環的循環水泵電耗增加;(3)凝結水通過吸收煙氣余熱提高了水溫,減少的回熱抽汽,此部分蒸汽隨乏氣一起進入空冷島,空冷電耗隨之增加。

3 改造對相關系統的影響

改造期間,綜合評估電解鋁煙氣用于自備電廠助燃氧氣源的對相關系統的影響:

(1) 實測該電解鋁煙氣含氧量在20.5%～20.8%之間,平均為20.62%,接近于空氣,可替代鍋爐助燃空氣進行燃燒,對鍋爐燃燒效率幾乎沒有影響,該過程中O2的體積流動框圖如圖3所示,在輸送過程中存在空氣漏入管道,漏風率為15%,整體上O2濃度不會發生較大變化,O2能夠被電廠鍋爐有效利用。

圖3 O2體積流動示意圖

(2) 電解鋁煙氣中含有一氧化碳、二氧化硫和氟化物等污染物,該污染物對鍋爐系統的影響程度也是技術是否可行的關鍵。一方面,煙氣中CO含量在210～860 ppm之間,小于CO的爆炸極限范圍12.5%～74.2%,不存在進入鍋爐后CO爆炸風險,如圖4所示,CO的總量并不會發生變化,只被漏入管道的空氣稀釋,所以體積分數降低。另一方面,電解鋁煙氣中的SO2濃度一般在200 mg/m3以下,氟化物排放在3 mg/m3以下,SO2排放濃度在0.3 mg/m3以下,煙氣中水含量在1%左右,由于電解鋁煙氣中的水含量較低,且SO2和氟化物含量濃度都相對較低(我國燃煤鍋爐的原煙氣氟含量平均在8～30 mg/m3范圍內),因此,電解鋁煙氣中的硫化物和氟化物基本不會對鍋爐造成較大腐蝕影響。

圖4 CO體積流動示意圖

(3) 該技術工藝中采用自備電廠污染控制系統對電解鋁煙氣中的污染物進行協同脫除,電解鋁煙氣污染物對污染控制系統負荷的影響程度也是技術是否可行的關鍵之一。由表1可知,當電解鋁廢煙氣單獨排放時,廢煙氣中顆粒物的濃度為8～16 mg/Nm3,SO2濃度為128～196 mg/Nm3,氟化物的濃度為1.5～2.6 mg/Nm3。發電項目污染物排放執行超低排放標準[18](顆粒物小于5 mg/Nm3,SO2濃度小于35 mg/Nm3),將電解鋁廢煙氣用于發電廠送風系統,所攜帶的顆粒物、SO2經電廠尾部煙氣處理系統后濃度降低至超低排放的要求;同時,除塵器對顆粒態氟化物的協同脫除效率達到90%以上,石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術對煙氣中HF脫除效率達到92%以上,氟化物的排放濃度大大降低[19]。由此可以看出,將電解鋁廢煙氣用于發電后,污染物排放總量減少,有助于實現污染物超低排放。該過程中SO2體積流動如圖5所示,電解鋁廢煙氣中包含的SO2被漏入空氣稀釋后進入鍋爐爐膛,從爐膛排出后經脫硫塔進行脫除。

圖5 SO2體積流動示意圖

(4) 在BRL工況時,環保島系統的入口煙氣量為原設計值的103%,在裕量允許范圍內,不需要進行改造;經實測,電解鋁煙氣用于電廠助燃氧氣源后,酸露點溫度為84～86 ℃,濕法脫硫系統之前沿程溫度均大于此溫度,所以改造對煙風道的影響很小。

綜上所述,將電解鋁煙氣用于電廠助燃氧氣源能夠有效降低電解鋁廢煙氣中的污染物濃度,對電廠相關系統影響較小。

4 經濟性分析

假定:采用低溫省煤器以后,鍋爐出口的排煙溫度與采用空氣作為助燃風的排煙溫度一致,則廢煙氣所含熱值與空氣所含熱值之差即為鍋爐有效利用熱量。

廢煙氣輸送系統增壓風機前負壓煙道長度約150 m,負壓鋼制煙道每10 m的漏風率取0.01[20],總漏風率為15%,煙氣經過分支管路的輸送,煙溫降至70～90 ℃,通過設置可靠的保溫措施后,可忽略散熱損失。

1 Nm3廢煙氣可被利用熱量的計算如下:

燃燒90 ℃(取平均值)電解鋁煙氣中的空氣比直接燃燒20 ℃空氣增加的熱量為:

Q1=ρ1×(h1-h2)=92 kJ/m3

(1)

式中:ρ1——空氣密度,kg/m3;

h1——廢煙氣焓值,kJ/kg;

h2——空氣焓值,kJ/kg。

電解鋁煙氣中CO燃燒放出的熱量為:

Q2=ρ2×QCO=6.76 kJ/m3

(2)

式中:ρ2——CO含量(取平均值),ppm;

QCO——CO熱值,kJ/kg。

機組燃燒所需的空氣量為[5]:

V=αB(1+0.0016d)V0

(3)

式中:α——鍋爐過量空氣系數;

B——計算煤耗,g/kWh;

V0——理論空氣量,m3。

依據《火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程》DL/T 5240-2010進行計算,300 MW機組燃燒所需的空氣量約為106m3/h,根據煤質、過量空氣系數以及主機參數的不同,在5%范圍以內波動。若采用電解鋁廢煙氣作為助燃氧氣源,機組可利用的熱量為:

Q3=(Q1+Q2)×η1×η2×106×(1-λ)×

(21/20.62)=67,582,230 kJ/m3

(4)

式中:η1——鍋爐效率;

η2——低溫省煤器效率;

λ——廢煙氣負壓煙道部分漏風率。

以此部分熱量替代6級抽汽,則可減少回熱抽汽量約28 t/h,此部分蒸汽可在剩余低壓缸中繼續膨脹做功,折合發電量為3320 kWh。采用電解鋁廢煙氣作為氧氣源后,機組的發電標煤耗可在原有基礎上降低3.39 g/kWh。

設置低溫省煤器后,300 MW機組新增的的耗電量分別為330 kWh(引風機)、90 kWh(增壓水泵)、260 kWh(空冷)、100 kWh(廢煙氣增壓風機),每小時增加的供電量為2540 kWh。假定常規燃煤火電機組的廠用電率為6%,則采用電解鋁廢煙氣作為助燃氧氣源后,機組的供電標煤耗可在原有基礎上降低3.61 g/kWh。

采用電解鋁廢煙氣后,考慮發電機組的年度檢修計劃,機組年利用小時數按7000 h計,上網電價按0.332元/kWh計,300 MW機組年增加的收益為:

N1=2540×7000×0.332=5,902,960元

(5)

采用電解鋁廢煙氣后,300 MW機組脫硫系統增加的工業水及脫硫劑耗量為:

N2=ΔW×7000×P1=31,500元

(6)

式中:ΔW——脫硫系統用水增加量,m3/h;

P1——工業水單價,取5元/t。

脫除廢煙氣中SO2增加的脫硫劑用量[21]及費用為:

GCaCO3=MSO2×ηSO2×(Ca/S)×100/64/KCaCO3

=1723.6 t/a

(7)

N3=GCaCO3×P2=155,128元

(8)

式中:MSO2——廢煙氣SO2含量(取平均值),

mg/Nm3;

ηSO2——脫硫效率,取99%;

Ca/S——鈣硫摩爾比,取1.03;

KCaCO3——石灰石純度,取90%;

P2——脫硫劑單價,取90元/t。

年綜合效益合計為:

N=N1-N2-N3=5,716,332元

(9)

單臺爐低溫省煤器及其附屬系統、增壓風機、旁路煙道(長度按500 m計)的總投資約為1800萬元。根據上述計算結果,投資方可在4年內收回投資,具有顯著的經濟效益。

5 結 論

本文提出將電解鋁廢煙氣作為電廠鍋爐助燃氧氣源的設想,分析電解鋁廢煙氣作為助燃氧氣源的可能性,然后對自備電廠的概況進行描述,最后對采用電解鋁廢煙氣余熱利用發電的自備電廠進行經濟性分析,結果表明:

(1)廢煙氣中氧氣濃度接近21%,能夠用作助燃氧氣源。

(2) 將電解鋁廢煙氣用于發電后,利用電廠鍋爐尾部煙氣處理系統對電解鋁廢煙氣污染物進行協同脫除,降低了項目整體污染物的排放量,有助于實現污染物超低排放,降低項目的污染物排放量。

(3) 采用電解鋁廢煙氣作為電廠助燃氧氣源之后,改造送風機,增設CO分析儀,設置混合空氣預加熱系統,避免鍋爐系統運行故障;此外,由于鍋爐排煙溫度升高,通過設置低溫省煤器回收此部分余熱,進一步回收煙氣熱量,提高煙氣余熱利用率。

(4)經濟性評價結果表明:自備電廠采用電解鋁廢煙氣作為助燃氧氣源能夠提高經濟效益。