1、 年第期基于温差发电有机朗肯循环联合循环的铝电解槽余热综合利用系统杨添林，莫政宇（四川大学 水利水电学院，四川 成都 ）摘要：本文提出了一种基于温差发电有机朗肯循环（）联合循环的余热综合利用系统。为充分利用含有多种热源的铝电解余热资源，该系统根据其热源的不同该系统由烟气余热 子系统和侧壁余热 联合 子系统组成，通过模拟计算发现有机工质的选择、蒸发温度、热端温度计塞贝克系数等对余热回收综合系统的性能有着较大影响，因此本文通过对比六种不同有机工质的性能及系统参数进行优化，经过优化，该铝电解槽余热综合利用系统可实现最大输出功率 ，系统循环效率达 。关键词：电解铝；余热利用；有机朗肯循环；温差发电中图
2、分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），：；作者简介：杨添林（），男，贵州铜仁，侗族，硕士研究生，研究方向为新能源科学与节能。铝金属作为我国乃至世界产量第一的有色金属，在其生产过程中部分能量以热能方式通过排烟、槽体散热损失，从而导致该工艺能源利用率不足，。因此开展基于铝电解烟气及槽体余热回收利用技术的研究，是电解铝行业适应发展、节能降耗有效途径之一。对于铝电解烟气余热，如东铝、中铝等部分企业利用其制备生活热用水以供员工使用，但由于烟气余热量大仅用以对厂区供热水不能充分消纳这部分余热资源。四川启明星铝业则利用该余热干化处理市政污泥，但大多电解铝厂都远离市区，不具备推广效果。等人采用在低
3、温余热回收领域的有机朗肯循环（，）对烟气余热进行回收，该方案通过将烟气余热最终转换为电能以供厂区使用，但其综合余热回收效率不足。此外对于电解铝槽侧壁散失的余热，王兆文，等人提出一种将以熔盐为取热介质的余热回收装置安装于电解铝槽侧壁内部的方案对电解铝侧壁余热进行回收，通过实验发现该方案可回收近 的侧壁余热，但该方案需要对槽体进行改动，对已建成铝电解厂而言改动成本太大。梁高 卫 等 人 提 出 在 电 解 铝 槽 侧 壁 安 装 热 电 发 电 机（，）的方案以回收侧壁余热，由于 结构简单、体积小等优点，该方案对电解铝槽改动较小、改动成本较低，但由于发电系统转换效率低于，其发电量仅能满足于车间的照
4、明需求。目前，回收效率低下是铝电解余热回收利用尚未有效推广的原因之一。本文提出一种在不改变原有生产工艺的情况下的基于 联合 的铝电解槽余热回收利用改进综合方案，并对系统进行了模拟研究，探讨了联合系统回收铝电解余热的性能表现。余热回收系统设计铝电解余热回收利用系统如图所示，联合有机朗肯循环和热电发电机对电解铝烟气及槽体余热进行回收。该系统由烟气余热回收利用和侧壁余热回收利用两个独立子系统组成，其中 左右的电解铝烟气余热蒸发器将烟气热量传递至有机工质，使得有机工质蒸发后送往膨胀机中做功并使其带动发电机进行发电，做完功后的有机工质进入冷凝器中冷凝后在工质泵的加压下再送往蒸发DOI:10.19475/
5、ki.issn1674-957x.2023.04.034内燃机与配件 器中吸热，往复循环。被取热后的烟气经过烟气净化装置处理后再排入大气中。对于温度在 左右的铝电解槽侧壁余热则由 循环联合 加以回收利用，其换热结构如图所示，有机工质在换热主管道中分流至各板式换热器的主流道，再分流至换热器支流道中对侧壁进行取热，吸热蒸发后的有机工质送往膨胀机中做功带动发电机进行发电。热电模块安装于板式换热器内部，利用有机工质与侧壁间的温度差进行发电。图铝电解余热回收利用系统示意图图侧壁换热结构示意图系统热力学模型本文基于 和 的工作机制及热力学原理，利用 软件对计算工质物性参数、软件进行建模并展开对 烟气余热回
6、收利用子系统及 联合 侧壁余热回收利用子系统性能变化规律的分析。烟气余热回收利用子系统如图所示，采用 对烟气余热进行回收利用，其主要由工质泵、蒸发器、冷凝器、膨胀机等四个热力设备组成，该系统中各设备的热力学过程的能量平衡方程如下所述。过程中工质在泵中等熵压缩，其加压过程所消耗功 （）（）式中：为有机工质的质量流量；为对应状态点处的比焓，。为工质泵效率，取值为.。过程为工质在蒸发器中等压吸收烟气余热并蒸发，该过程工质吸热量 为 （），（，）（）式中：，为烟气比热容；为烟气质量流量；，、，分别为烟气进口及出口温度。过程为工质在膨胀机中做功，其中膨胀机的做功量 为：（）（）式中：为汽轮机效率，取值为
7、.。过程 为 工 质 在 冷 凝 器 中 等 压 放 热，其 放 热 量 为 （）（）因此烟气余热回收利用系统的净输出功 为：（）系统循环效率为：（）联合 侧壁余热回收利用子系统如图所示，侧壁余热回收利用系统由 和 联合循环组成，系统中 热力学过程及 能量流动方程如下所述。对于 而言，其从侧壁端吸收的能量 为：（）（）.（）式中：为侧壁温度；、分别为 热端温度、冷端温度；、分别为热端热阻及 内阻；为塞贝克系数；为回路电流；为 结导热率；其向 端释放的能量为：（）（）.（）根据塞贝克效应，回路中的电流为：（）（）（）由电工学原理可得，当发电器内阻 与负载电阻相同时获得最大输出功率 ，其值为：（）
8、对应的发电效率 为：（）对于侧壁 而言，在忽略散热损失的情况下有：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）铝电解槽侧壁余热回收利用系统净输出功 及循环效率为：（）（）模型验证图最大输出功率随温差的变化情况对于 装置的计算模型是基于能量平衡和质量平衡编写的，其经过广泛的验证具有足够的精度。因此，本文主 年第期要对系统中的 模型的性能进行验证，其中本文选用型号为 的温差发电元件实现对侧壁余热的回收。其在不同温差下的模拟结果与实验结果对比如图所示，其最大相对误差低于，计算模型符合要求。计算结果及分析本文以某厂 系列预焙铝电解槽为研究对象，其槽型及烟气参数如表所示。单台铝电解槽侧壁布置 个板式换热器，
9、每个板式换热器中布置 共 个热电模块，其中每行热电模块并联，行与行间进行串联结构。表 系列预焙铝电解槽各项参数名称数值单位槽体长 槽体宽 槽体高 总烟气量 烟气密度 烟气温度 烟气比热容 （）烟气余热回收计算结果分析不同有机工质的物性参数差异影响着 系统的热力性能，根据工质的饱和蒸汽线在图中斜率的不同分为干流体、湿流体以及等熵流体，其中湿流体工质在膨胀机中做完功后的蒸汽中会产生对叶片造成侵蚀的液滴，因此本文选用 、共六种毒性低、非易燃易爆且环保的干流体和等熵流体工质进行分析比较。图为烟气 循环性能随蒸发温度的变化趋势图。考虑到换热器的换热温差及烟气温度，最大蒸发温度设置为 。由图（）可以看出，
10、系统净输出功率在相同的冷凝温度、过热度的条件下随着蒸发温度的提升逐渐上升。由式（）及式（）可得，在其他参数一定的情况下，膨胀机入口焓值及工质泵出口焓值都随着蒸发温度提升而变大，因此在膨胀机对外做功量增加的同时也提升了工质泵的功耗，但工质泵的功耗增量低于膨胀机的做功增量，因此净输出功率一直呈现上升趋势。由于作为热源的铝电解烟气为保障净化装置的寿命，在其进入净化系统时其温度不得低于 ，因此根据图（）可以发现，采用工质 及 下的 系统，其烟气出口温度均远低于 ，这是由于工质 及 的气化潜热值较大，在相同的蒸发温度的条件下二者相较于其他工质而言所需吸热量更大，由此其膨胀机入口焓值、净输出功率也随之提升
11、。因此结合图（）与图（）可得，选用 工质能在保证烟气出口温度达标的同时净输出功率最大，其最大净输出功为 。（）净输出功的变化（）烟气出口温度的变化（）系统净循环效率的变化图 蒸发温度对 性能的影响 侧壁余热回收计算结果分析对于侧壁余热回收系统而言，需要同时考虑 及 的各自性能及联合循环下的综合性能差异，从而获得最佳的余热回收效果。鉴于前文对 工质的分析结果，侧壁 初步筛选 和 作为循环工质。侧壁余热回收利用系统性能在冷凝温度、热端温度、塞贝克系数一定的情况下随 蒸发温度的变化情况如图所示。图（）为系统净输出随蒸发温度的变化情况，随着蒸发温度的提升，联合循环系统中的 净输出功率在逐渐下降，这是由
12、于蒸发温度的上升意味着 冷端温度提升，从而降低了冷热端的温差，使得 输出功率下降。以 为工质的联合循环系统总净输出功率随着蒸发温度的升高而增加，直 至 蒸 发 温 度 为 时，其 净 输 功 到 达 最 大 值 ，随后净输功率开始逐渐下降。这是由于随着蒸发温度的提升，净输出功率的增速逐渐放缓，直至 时，输出功率下降量大于 的增量，因此从获取最大输出功率的角度考虑，联合循环系统最佳蒸发温度值为 。在 蒸 发 温 度 为 时，相 较 于 仅 采 用 系统回收侧壁余热而言，以 为工质的联合循环净输出功提升了 ，增幅高达 ，这使得余热回收利用系统性能得以较大提升。图（）为系统循环效率随蒸发温度的变化情
13、况，随着蒸发温度的上升 循环效率逐渐下降，且其降幅始终低于循环效率在上升的 循环，因此联合循环系统效率逐渐提升且增速逐渐放缓。以蒸发温度为 时的情况为例，相较于仅采用 循环而言，以 为工质的 联合 子系统使得系统循环效率从 提升至 ，增幅高达 ，有效缓解了余热回收利用效率不足的问题。结合图（）、（）可以发现相同蒸发温度的情况下侧壁 中工质 的净输出功率及循环效 率 都 高 于 ，因 此 侧 壁 侧 系 统 也 采 用 作为循环工质。（）系统净输出的变化（）系统循环效率的变化图蒸发温度对侧壁侧系统性能的影响内燃机与配件 结合前文的分析结果，采用 为工质且蒸发温度设置为 ，冷凝温度保持不变，以探究
14、 性能参数中的热端温度、塞贝克系数的变化对联合循环下各系统性能的影响。图（）为侧壁余热回收利用系统净输出功及循环效率随 热端温度的变化曲线。可以看出，随着热端温度的升高，、及系统总输出功率都逐渐增大。其中，热端温度从 提升至 过程中，系统输出功率的最大增幅为 ，系统输出功率的增幅最大增幅为，联合循环系统最大增幅为，这说明热端温度的提升能有助于改进系统的工作性能。不同输出功率而言，随着热端的升高，系统循环效率始终保持在 ，这是由于在相同蒸发温度和冷凝温度下，单位质量流量下的系统吸热量和净输出功率不变，热端温度的增大使得质量流量增加从而其净输出功率增加但循环效率不变。的循环效率及联合循环系统循环效
15、率逐渐提升，其中联合循环系统循环效率最大增速为。因此综合以上分析，在优化侧壁余热回收利用系统时，因尽量降低侧壁与板式换热器间的热阻，使得 热端温度接近于侧壁的壁温，从而提升系统性能。（）系统性能随热端温度变化情况（）系统性能随塞贝克系数变化情况图 参数对系统性能的影响图（）为侧壁余热回收利用系统净输出功及循环效率随 塞贝克系数的变化曲线。从图中可以看出，随着塞贝克系数的增加，系统的净输出功率和循环效率都呈上升趋势，其中净输出功最大增幅为 ，循环效率最大增幅为 ，与此同时联合循环系统的净输出功率和循环效率分别以大约及的增速持续提升。由此说明，即使塞贝克系数在数值上相对较小，但其对 系统的发电性能
16、影响较大，因而对于选择程中需要尽可能优化提高材料的塞贝克系数，从而提升系统性能。经济性分析以安装有 台 预焙槽的某厂为例。每台铝电解槽在仅采用 对烟气侧余热进行回收利用时，单位时间内以 的能量回收率将 热能转换为电能。通过增设 联合 对侧壁侧余热进行回收利用，该子系统 的发电功率和 的能量转换率，最终使得该余热综合回收方案实现 的净输出功率及 的循环效率，铝电解厂余热资源回收利用效果得以大幅度提升。初步估算本文所设计余热回收综合方案可实现全年全厂余热发电 亿度，以电解铝行业综合使用电价平均值 元 千瓦时进行计算，其增加发电收益约为 亿元。结论本文创新性地提出一种基于 联合 对铝电解槽烟气及侧壁余热综合回收利用方案，该方案解决了铝电解生产过程中余热资源回收利用不足的问题，并通过计算分得到以下结论：）综合分析对比了种有机工质 在不同工况下回收烟气余热的性能。得出在保障烟气出口温度不低于 的情况下，采用 作为循环工质时，系统性能达到最佳。）分析了热端温度、塞贝克系数等对以 为工质的 联合 侧壁余热回收系统性能的影响。其系统在净输出功在蒸发温度为 、热端温度为 及塞贝克系数为 时达到最大值 。
