專利名稱：用于熱量回收的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從制煉廠產(chǎn)生的廢氣中回收熱量的方法和裝置，例如來自用于鋁生產(chǎn)的電解裝置的原氣體。這種廢氣，在其被凈化之前，包含在熱量回收設(shè)備上形成沉積物的灰塵和/或顆粒，并且因此降低的熱量回收效率達到不希望的低水平。
背景技術(shù)：
不同的工業(yè)過程產(chǎn)生廢氣，其能夠被顆粒、灰塵和在能量回收裝置中引起污染的其它物質(zhì)所污染。這種污染將意味著效率的降低，并且需要廣泛的維護，例如暴露于氣流的表面的凈化。因此，在氣體已經(jīng)凈化之后，能量回收單元設(shè)置在氣體凈化裝置的下游。關(guān)于能量回收的優(yōu)選，有益的是設(shè)置回收單元盡可能接近工業(yè)過程，其中在廢氣中的含能量處于其最大值。這意味著能量回收單元必須設(shè)置在氣體凈化裝置的上游，因為這些裝置經(jīng)常相對于工業(yè)過程遠距離地定位。
例如，從鋁電解反應(yīng)堆中產(chǎn)生的廢氣在相對低溫水平包含大量的能量。這些能量當前僅僅利用到較小的程度，但是其能夠用于加熱目的、加工目的和電力生產(chǎn)，如果用于熱量回收的技術(shù)和經(jīng)濟上可接受的解決辦法被確立。在加熱的流體中實現(xiàn)的溫度水平對回收熱能的值和有效性是決定性的。因此，應(yīng)該在盡可能高的廢氣溫度下從廢氣中吸取熱量。產(chǎn)生包含灰塵/顆粒的大量廢氣體積的工業(yè)過程的其它例子為通常具有300攝氏度和更高的溫度的包含灰塵的廢氣運行的亞鐵，合金-和其它的冶煉廠工業(yè)，以及通常運行在300攝氏度和更低溫度下的廢物焚化(即節(jié)約器和空氣預(yù)熱部分)中的低溫部分。
從電解反應(yīng)堆中產(chǎn)生的廢氣利用風(fēng)扇通過吸取系統(tǒng)傳送，并且風(fēng)扇的能量消耗取決于廢氣的體積流量和在系統(tǒng)中的壓降。能量消耗能夠通過這些量的減少而被減少。冷卻廢氣將有助于體積流量和壓降的減小，從而造成風(fēng)扇功率的減小。壓降最大的減小可通過盡可能接近鋁電解槽冷卻廢氣來實現(xiàn)。
當改進或者增大工業(yè)過程時，例如相對于在鋁電解裝置中的給定槽設(shè)計增加電流(安培)，原氣體溫度和因此在上層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的壓力將增加，因為在電解槽頂部的上面具有更多的熱量。這能夠?qū)е虏蹞舸?，即出現(xiàn)在內(nèi)部的壓力程度與槽的外部的壓力程度相同。通過這種擊穿，排出到生產(chǎn)車間的過程氣體將增加。
此問題能夠以三個方法進行解決-在槽頂部增強封裝，其實際上是困難的。
-通過安裝更高容量的風(fēng)扇來增加吸力。為了避免在原氣體通道中的大的壓降，同樣必須增加尺寸。氣體凈化裝置將不得不重新設(shè)計以避免在氣體凈化過程中減小的效率或者過載的部件。關(guān)于投資和操作成本兩者而言，總體上這種解決方案是昂貴的。
-和熱量回收一起的風(fēng)扇上游的原氣體的冷卻；解決方法將減少在通路系統(tǒng)和氣體凈化裝置中原氣體的體積流量和壓降。從而吸力能夠被增加，而不需要改變通道和氣體凈化裝置的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)最后提到技術(shù)的解決方法進行利用，其將是最經(jīng)濟性的，因為從原氣體去除的熱量能夠利用在其他的過程或者應(yīng)用中。
過程說明該過程在此通過用于鋁生產(chǎn)的設(shè)備進行示例，并且其特征在于包含低溫能量(通常大約120攝氏度到140攝氏度，但是能夠增加達到大約200攝氏度)的大量廢氣(約為每鋁電解槽5000Nm3/h)，其中該低溫能量從鋁電解槽中抽出/吸取。廢氣包含諸如顆粒和氣體組分的污染物，這些污染物必須在廢氣可以排出之前在凈化過程中從廢氣中除去。
廢氣的能量含量能夠在熱交換器(熱量回收系統(tǒng))中回收，其中廢氣散發(fā)熱量(被冷卻)到另一個適于所討論的應(yīng)用中的流體中。一般地，熱量回收系統(tǒng)能夠設(shè)置在
-凈化過程的上游-在此熱量回收系統(tǒng)必須與包含顆粒的氣體一起運行-凈化過程的下游-其中在氣體中被污染的組分和顆粒已經(jīng)被去除。
因為現(xiàn)在可利用的凈化過程必須運行在低溫水平，所以能量回收實際上僅對于其中熱量回收系統(tǒng)設(shè)置在凈化過程的上游的選擇方案是相關(guān)的。這意味著實際上熱量回收系統(tǒng)必須能夠采用包含顆粒的熱氣體進行運行。
因為慣性、擴散和電泳現(xiàn)象，在廢氣中的顆粒和微量組分將沉積在熱量回收系統(tǒng)的傳熱面上，并且形成減少熱傳遞的絕熱層。在沒有足夠的控制的情況下，熱量回收系統(tǒng)的效率(熱量回收水平)將是不可接受地低，并且壓降(以及泵送廢氣通過的相關(guān)作用)將較大。沉積涂層的厚度能夠利用主動的或者被動的技術(shù)進行控制。
主動的技術(shù)意味著沉積物借助于機械的清掃、液壓的或者氣動的沖洗/洗滌、撞擊或者脈沖掃除、或者相當?shù)姆椒▉硗耆虿糠值厝コ?br> 被動的技術(shù)意味著沒有外部設(shè)備或者裝置的形成來控制顆粒沉積物。而是借助于過程參數(shù)，例如廢氣的速率來控制和限制微粒沉積物。
本發(fā)明包括用于限制在熱量回收系統(tǒng)中沉積物的被動的技術(shù)。
除了從廢氣中回收熱量的熱量回收系統(tǒng)之外，對此有必要使得通過熱量回收系統(tǒng)的廢氣的壓降不能過大。風(fēng)扇用來驅(qū)動廢氣通過該系統(tǒng)，供給到風(fēng)扇的能量大約與壓降和體積流量成比例。因此，對熱量回收系統(tǒng)進行設(shè)計，使得壓降盡可能低是重要的。
體積流量的降低產(chǎn)生用于風(fēng)扇的較低功率消耗形式的增益，該風(fēng)扇驅(qū)動廢氣通過該系統(tǒng)。較小的體積流量能夠通過下列實現(xiàn)，i.在風(fēng)扇之前降低廢氣溫度ii.減少從電解槽中抽取的廢氣量。
減少體積流量還減小了在系統(tǒng)的其他部分中的壓降。
減少從電解槽中抽出/吸取的體積通常是不可能的，因為其將意味著在它們的殼體中增加壓力。增加的壓力將進一步使得槽更易容易被擊穿，從而導(dǎo)致選出到工作環(huán)境中的氣體和灰塵的增加。
減少抽取廢氣的量通常將引起電解槽以外氣體溫度的增加(其減少了由于減少的廢氣量獲得的增益)，除非廢氣在風(fēng)扇之前被冷卻。在系統(tǒng)中的壓降取決于氣體速度，其能夠通過減小氣體溫度被減小。提出解決方案引起了用于風(fēng)扇的功率消耗的凈減小，就是因為廢氣被冷卻。此外，從廢氣中回收的熱量作為用于不同加熱和加工目的的過程熱量是可利用的。
對于新的設(shè)備，提出的解決方案將意味著在包括其運輸通道的氣體凈化裝置中可以采用更小的尺寸，因為傳送的廢氣體積將被減少。
需要(但不是必要的)具有相對緊湊的熱量回收系統(tǒng)，也就是說其具有最小的體積。這可以減少占地面積和成本。
目的本發(fā)明的目的在于在氣體凈化過程上游處設(shè)置的一個或者多個熱量回收系統(tǒng)中，通過利用被動技術(shù)以將在熱回收表面上的涂層沉積物保持在控制之下，從工業(yè)過程，特別是鋁電解槽中產(chǎn)生的包含灰塵/顆粒的廢氣中回收熱量，并且以實現(xiàn)穩(wěn)定運行。
通過從用于鋁生產(chǎn)的電解設(shè)備中冷卻原氣體，有可能將在槽的殼體內(nèi)部的氣體壓力保持在充分低的水平，以避免流出到大氣中的氣體和灰塵增加。
這些以及其他的優(yōu)點能夠通過本發(fā)明實現(xiàn)，其限定在所附的權(quán)利要求中。


本發(fā)明將利用例子和附圖在下面進一步詳細的描述，其中圖1示出采用橢圓的，翅片管的測試結(jié)果，圖2示出了6.5MW熱功率的，120攝氏度的到熱量回收系統(tǒng)的入口溫度的熱交換器體積的計算。廢氣流量440,000Nm3/h，到風(fēng)扇的入口溫度80攝氏度。用于3000Pa的熱量回收系統(tǒng)中的允許壓降的結(jié)果被示出，圖3示出了6.5MW熱功率的，180攝氏度的到熱量回收系統(tǒng)的入口溫度的熱交換器體積的計算。氣體流量176,000Nm3/h，到風(fēng)扇的入口溫度80攝氏度。對于4000Pa的熱量回收系統(tǒng)中的允許壓降的結(jié)果被示出，圖4示出了采用橢圓的，翅片管的熱量回收系統(tǒng)實施例的試驗設(shè)備。
具體實施例方式
熱量回收系統(tǒng)的描述熱量回收系統(tǒng)可由一個或多個中空部件組成，例如具有圓形的或者橢圓/卵形的橫截面的管，在管的外面安裝有或者沒有翅片，見圖4。該管由已經(jīng)在鍍鋅過程中處理的碳素鋼組成。其它的材料還可對這些應(yīng)用是相關(guān)的，例如鋁。與顆粒/灰塵接觸的管的外表面還可根據(jù)相關(guān)的表面處理技術(shù)進行處理，以產(chǎn)生增加的滑動(slip)效應(yīng)。相關(guān)的滑動涂層還可以包括在這種處理技術(shù)中。
廢氣在管的外面流動并且垂直于管的軸向。這些管以常規(guī)模式包裝，調(diào)節(jié)中心管距從而使得質(zhì)量流量(每單元流動橫斷面的質(zhì)量流量)和廢氣的動量保持在一個水平，在該水平下在傳熱表面上的顆粒沉積和顆粒的去除之間的平衡被實現(xiàn)。熱量回收系統(tǒng)通過側(cè)壁被包圍，并且因此形成廢氣流動通過的通道。對在管內(nèi)部流動的冷卻劑沒有特殊的要求。例如，冷卻劑可以由流體/蒸汽或者諸如水/蒸汽或者空氣的氣體組成。
為了在顆粒沉積和顆粒去除之間實現(xiàn)平衡，必須存在廢氣的一定的最小質(zhì)量流量和動量。該閾值是幾何特定和過程特定的。試驗被實施以確定在小型試驗機構(gòu)中的一些具體的幾何結(jié)構(gòu)(36毫米的圓形截面管，具有72毫米環(huán)形翅片的36毫米圓形截面管，具有矩形翅片的14x36毫米橢圓管)的閾值。在試驗中，從鋁生產(chǎn)中產(chǎn)生的真實的廢氣被使用，其中顆粒濃度和顆粒分布對于這些過程是典型的。
在傳熱面上的凈顆粒/灰塵沉積物通過將顆粒/灰塵傳送到表面上，附著在表面和從所述的表面的夾帶/除去來進行控制。在氣體中顆粒的濃度以及對流、擴散和對于小顆粒的電泳現(xiàn)象影響到表面的傳送，同時動量作用力和慣性力對于較大的顆粒來說是更加主要的。到表面上的粘附被范德華(van der Waal)粘合力，毛細管力，電泳現(xiàn)象和重力的效果影響。從表面夾帶/除去顆粒/灰塵受到在流動中的剪切力、由撞擊表面的較大的顆粒所引起的磨碎和沖撞，連同重力作用力一起的影響。在顆粒沉積物和顆粒夾帶/除去之間的平衡通過下面事實進行實現(xiàn)，該事實是導(dǎo)致顆粒的夾帶/除去的機理被增大到可平衡沉積機理的水平。對于一個給定系統(tǒng)而言，這些機理能夠通過特征氣體速度進行表示，借此不同的速度將給出相應(yīng)的污染層凈厚度。所述層將隔絕熱傳遞。這些特征氣體速度基本上能夠通過理論計算確定，但是實際上將通過試驗和測量確定，因為該問題的復(fù)雜性。優(yōu)選速度是一個速度，該速度對于給定的系統(tǒng)在穩(wěn)定情況下提供由污染導(dǎo)致的熱傳遞的可接受的減少，而不會導(dǎo)致過高的壓降。在實施的試驗中，可接受的原氣體速度測得為大約12米/秒或者更高。
在該試驗中廢氣溫度大約為130攝氏度，并且管壁溫度大約為70攝氏度。試驗結(jié)果的例子在圖1(采用矩形翅片的橢圓管)中示出，其中由于沉積層的傳熱熱阻(污垢系數(shù))作為時間的函數(shù)被示出，對于不同的自由流氣體質(zhì)量流量。穩(wěn)定狀態(tài)(污垢系數(shù)不變化)一般在大約11-13m/s(相當于大約9.5-11kg/m2s)的氣體速度下運行50-500小時之后實現(xiàn)。[對于在圖1所示的試驗中，在大約400小時的運行之后大約11m/s(10kg/m2s)的氣體速度處發(fā)生穩(wěn)定狀態(tài)。]在穩(wěn)定條件下的熱傳遞的減少通過相對于凈化的傳熱面適度增加熱傳遞面，一般為25-40％，進行補償。同時，通過熱量回收系統(tǒng)的廢氣的壓降保持在可接受的水平。這些目標通過管/翅片結(jié)構(gòu)、管填料和流動條件的結(jié)合來實現(xiàn)。
用于從120攝氏度和180攝氏度的廢氣中回收6.5MW熱量的設(shè)定熱量回收系統(tǒng)尺寸的例子在圖2和圖3中示出。這些例子是基于給定的壓降關(guān)系式，并且在熱量回收系統(tǒng)中假定的總壓降相當于回收的能量的10％，各自為5％的風(fēng)扇中的能量需求。在這些例子中，只有具有在大約11-13m/s(9.5-11kg/m2s)之上的廢氣速度的設(shè)計將實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。其它的設(shè)計隨著時間的過去將產(chǎn)生不可接受的大量沉積物。如附圖中示出，只有橢圓的翅片管將允許在具體的壓降下實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的足夠高的速度。
在廢氣的質(zhì)量流量以及動量和穩(wěn)定的涂層熱阻之間的關(guān)系(污垢系數(shù))是廢氣溫度和成分加上顆粒濃度和分布的函數(shù)。同時，壓降是管和翅片幾何結(jié)構(gòu)，管填料，廢氣溫度和速度以及總熱量傳遞面積的函數(shù)。因此表示的關(guān)系至今為止不是通用的。熱量回收系統(tǒng)是否能夠在穩(wěn)定的涂層情況和可接受的壓降下運行取決于過程(溫度范圍，顆粒特征，對于熱量回收系統(tǒng)熱效率的要求等等)然而，這些得到的關(guān)系認為對于從基于預(yù)焙電極技術(shù)的鋁生產(chǎn)中廢氣的熱量回收的應(yīng)用中是通常的。
盡管本發(fā)明已經(jīng)基于預(yù)焙技術(shù)進行定義，本發(fā)明的原理還可被應(yīng)用于采用所謂的Sφderberg技術(shù)的系統(tǒng)，以及其它的工業(yè)過程，例如硅鐵合金冶煉工業(yè)和廢物焚化。
在例子中，具有圓形的和卵形的(橢圓的)橫截面部分的管已經(jīng)提及。然而，在其它的實施例中，可能采用具外部的幾何結(jié)構(gòu)的管進行運行，其中管已經(jīng)相對于顆粒沉積、熱傳遞和壓降進行優(yōu)化。例如，管的橫截面大體上可設(shè)計為翼型截面。
而且，靜電或者其它的相似的方法還可用來抵制在熱量回收表面上的沉積物生成。
進一步的技術(shù)設(shè)計調(diào)整能夠基于熱量從中回收的廢氣的特征進行實施。例如這能夠包括使用在回收裝置或者它的表面處理中使用的材料的選擇，特別相對于從濕的或者腐蝕性氣體中回收熱量。
關(guān)于回收裝置的幾何結(jié)構(gòu)的進一步的設(shè)計調(diào)整，在其表面上的廢氣速度，和其它的流動相關(guān)的問題能夠基于被處理的廢氣的具體特征，諸如氣體速度和溫度，進行實施。在廢氣中的灰塵/顆粒的密度和尺寸還相關(guān)于熱回收裝置的結(jié)構(gòu)具有重要性。
權(quán)利要求
1.一種用于從通過抽出/吸取系統(tǒng)自工業(yè)過程中去除的廢氣中回收熱量的方法，其中廢氣包含灰塵和/或顆粒，其特征在于，通過廢氣與一個或多個熱回收部件接觸來回收熱量，所述熱回收部件被設(shè)計成使得在表面上的灰塵和/或顆粒的沉積物保持在穩(wěn)定的受限制的水平。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于廢氣沒有被凈化。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于廢氣的流動速度高于10m/s并小于25m/s。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于廢氣的溫度約為120攝氏度到600攝氏度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述工業(yè)過程是用于生產(chǎn)鋁的電解過程。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于廢氣的速度是12m/s。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于廢氣是來自一個或多個電解槽的原氣體。
8.一種用于從通過抽出/吸取系統(tǒng)或等效物自工業(yè)過程中去除的包含灰塵和/或顆粒的廢氣中回收熱量的裝置，其中該裝置包括至少一個中空部件，該中空部件被設(shè)計成允許熱回收介質(zhì)流過其中，其特征在于，所述中空部件大體上被設(shè)置成使得部件的主縱向橫過廢氣的主流向，并且被進一步設(shè)計成使得由灰塵和/或顆粒引起的沉積物保持在受限制的穩(wěn)定的水平。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述中空部件被設(shè)計成具有大體圓形的截面。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述中空部件被設(shè)計成具有大體延長的橢圓形截面，其中所述截面的縱軸線與廢氣的主流向大體一致。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述中空部件被裝配有用于改進熱量回收的肋或者翅片。
12.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于熱量回收介質(zhì)是水/蒸汽或者空氣。
13.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述中空部件由鍍鋅碳素鋼制成。
14.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于至少一個中空部件被壁包圍，所述壁形成用于與抽出/吸取系統(tǒng)耦合/結(jié)合成一體的通道部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從自工業(yè)過程中，例如用于生產(chǎn)鋁的電解過程，除去的廢氣中回收熱量的方法和裝置。熱量通過抽出/吸取系統(tǒng)回收，其中廢氣包括灰塵和/或顆粒。當廢氣與熱量回收部件接觸時，熱量被回收。熱量回收部件的流動條件和結(jié)構(gòu)使得在表面上的灰塵和/或顆粒的沉積物保持在穩(wěn)定的受限制的水平。在優(yōu)選的實施例中，熱量回收部件具有圓形的或者延長的橢圓形截面并且可以裝配有翅片或者肋。
文檔編號F27D17/00GK101031673SQ200580030868
公開日2007年9月5日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者埃林·奈斯, 托爾比約恩·斯倫高, 奧托·K·索紐, 比約恩·P·莫克斯內(nèi)斯 申請人:諾爾斯海德公司, Ntnu技術(shù)轉(zhuǎn)化公司