鋁電解槽余熱回收利用技術(shù)的研究

楊健壯 李萬利

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學院冶金工程學院， 甘肅 蘭州 730021)

0 前言

金屬鋁是我國重要的戰(zhàn)略性金屬之一，其涉及行業(yè)有航空航天、電子信息、冶金化工、先進制造業(yè)等國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。我國在電解鋁生產(chǎn)、消費和出口三個方面占據(jù)全球重要地位，鋁產(chǎn)品的使用滲透到了人類生產(chǎn)活動的各行各業(yè)[1]。一直以來電解鋁在冶金工業(yè)中屬于能耗大戶，2019年我國生產(chǎn)的電解金屬鋁產(chǎn)能相比2018年減產(chǎn)約269萬t，且大部分產(chǎn)能向水電資源豐富的西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，所以節(jié)能降耗是當前電解鋁企業(yè)面臨的最大問題和挑戰(zhàn)之一[2]。鋁電解在工業(yè)生產(chǎn)中素有“電老虎”之稱，據(jù)統(tǒng)計我國電解鋁總耗電量占全國電能消耗總量的6.5%左右，現(xiàn)有電解鋁生產(chǎn)平均能耗保持在14 000 kWh/t，電力成本占總成本的1/3，且其中約有50%的電能以余熱的方式散失[3-4]。如何有效地減少鋁電解余熱產(chǎn)生是實現(xiàn)鋁冶金工業(yè)節(jié)能的一個重要措施，同時對散失余熱回收利用的研究是解決電解鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展能耗瓶頸問題的關(guān)鍵因素。本文介紹了鋁電解槽的余熱來源及危害等基本內(nèi)容，并結(jié)合當下的研究現(xiàn)狀，綜合討論了如何在生產(chǎn)過程中降低余熱的散失以及鋁電解槽余熱回收利用方面的新技術(shù)。

1 鋁電解槽余熱來源

鋁電解槽的余熱來源主要是槽殼散熱和煙氣散熱。張亞楠[5]等人調(diào)研了5家電解鋁企業(yè)不同規(guī)模鋁電解槽的散熱情況，見表1。由表1可以看出，電解槽平均散熱量可達到1.875 V，槽殼散失熱量占總散熱量的76%，煙氣余熱占24%；其中通過槽殼側(cè)部(熔體區(qū)和陰極保溫區(qū))的余熱損失占總散熱量的37%(679 mV)；槽頂、槽底、槽罩板和槽沿板合計損失熱量占總散熱量的39%(747 mV)。

表1 不同電解鋁企業(yè)的電解槽散熱情況

工業(yè)電解槽生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生100 ℃左右的含氣態(tài)和固態(tài)氟化物污染物的熱煙氣，煙氣通常需要通過以電解生產(chǎn)原料氧化鋁為吸附劑的凈化系統(tǒng)，再通過布袋除塵器過濾煙氣中的粉塵。而從鋁電解槽側(cè)壁產(chǎn)生的廢熱會使車間工作環(huán)境惡化，并且造成能量的損失。以2019年中國電解鋁產(chǎn)量3 500萬t、電解鋁生產(chǎn)平均能耗保持在14 000 kWh/t計算，通過余熱散失損耗的能量就高達3 500×104×14 000×50%=2.45×1011kWh，該部分余熱有一定回收潛力。

2 鋁電解槽余熱節(jié)能措施

2.1 減少生產(chǎn)過程散熱

為了能夠保證鋁電解槽正常平穩(wěn)的運行和電解槽能量的平衡，電解槽散失的熱量需要通過提高槽電壓的方式來補充。從鋁電解余熱來源分布來看，電解槽散失的熱量占到了總熱量的一半以上，而電解槽側(cè)壁散熱最為嚴重，物料表面損失的熱量也占了一小部分。因此減少電解槽殼面上的熱量散失對降低能耗有一定的幫助。鋁電解工廠可以通過提高槽蓋板與電解槽的密閉性來盡量減少熱量向外部擴散，同時在電解槽陽極側(cè)部的鋼窗處使用保溫磚來阻止熱量的大幅度散失[6]。在鋁電解工作中更換陽極操作時會伴隨著大量結(jié)殼塊的產(chǎn)生，將大塊的結(jié)殼進行破碎化處理也能起到保溫的作用。同時合理地增加陽極保溫料的厚度也可減少電解槽熱量向外流失。

2.2 充分利用生產(chǎn)余熱

在鋁電解生產(chǎn)過程中進行換極操作時，電解質(zhì)中部分熱量會被要置換的高溫殘極帶走，同時在拔極到重新裝極的整個過程，高溫電解液液面會與低溫空氣直接進行熱交換，造成能量損失，所以換極操作也是鋁電解槽產(chǎn)生大量余熱的源頭之一。王俠前[7]提出了一種熱極澆鑄技術(shù)，將焙燒出來的熱極直接澆鑄用于電解，這樣可以有效降低鋁電解生產(chǎn)中換陽極散失的熱量，從而保持電解槽基本熱量平衡。采用該技術(shù)后能夠減少陽極效應(yīng)的發(fā)生，對電解槽的平穩(wěn)運行有一定的幫助，同時有利于電流效率的提高和能耗的降低。利用生產(chǎn)過程中殘極產(chǎn)生的余熱和電解槽自身的余熱為熱源對電解槽新陽極炭塊組預加熱，這樣做的目的是讓預置換的電解塊自身溫度接近工作狀態(tài)下的溫度，避免預置換的電解塊從電解槽內(nèi)高溫電解液吸收熱量，導致電解槽內(nèi)熱失衡。同時電解塊經(jīng)過預熱烘烤進入電解槽后很容易熔化為液體狀態(tài)，這樣就避免了槽底有大量沉淀產(chǎn)生的情況，保證了電解槽工作運轉(zhuǎn)的連續(xù)穩(wěn)定性[8]。

趙洪興[9]針對200 kA預焙陽極鋁電解槽進行了電熱場模擬分析，發(fā)現(xiàn)利用有限元FELAC 2.0分析軟件獲得的結(jié)果與實際情況一致。根據(jù)分析結(jié)果提出了從三個方面來控制熱量的散失：規(guī)范鋁水平管理系統(tǒng)、精準把控物料輸入、科學化調(diào)控靜壓及煙氣流量。從這三方面入手可以分別有效減少槽熱量、物料消耗、煙氣熱量的損失，對企業(yè)節(jié)能降耗有一定的幫助。同時，趙洪興在減少煙氣熱量散失方面設(shè)計了一種電解槽U型口專用密封卡具，這種工具在支煙管靜壓和煙氣流量兩者不受影響的情況下，降低了電解槽煙氣散亂排放程度和熱量的散失。

3 鋁電解槽余熱利用技術(shù)

3.1 熱交換技術(shù)

在煙氣未到達除塵凈化系統(tǒng)之前，其溫度通常在120 ℃左右。利用熱管技術(shù)可以將高溫的氣體換熱后以較低的溫度進入凈化系統(tǒng)，可以將回收的熱量用于工廠的日常使用。楊海峰[10]列舉了某廠利用煙氣余熱供暖的數(shù)據(jù)(表2)，原高溫煙氣溫度約為85 ℃，經(jīng)過余熱回收器處理后，尾部排煙溫度下降了15 ℃；回收熱量按照回收效率94%計算，500 kA電解鋁生產(chǎn)線每小時回收的高溫電解槽煙氣熱量可供23萬m2的廠房供暖，去除人工費和維修費，年節(jié)能效益可達226.57萬元。

表2 某廠利用煙氣余熱供暖的數(shù)據(jù)表

王兆文[4]等人提出了一種使用熔鹽換熱介質(zhì)循環(huán)體系來實現(xiàn)鋁電解槽余熱回收利用的目的，并從換熱系統(tǒng)及電解槽結(jié)構(gòu)方面入手，系統(tǒng)地研究了NaNO3-KNO3-NaNO3系熔鹽換熱介質(zhì)在鋁電解槽中的應(yīng)用，并完成了2 kA新型可換熱鋁電解槽的研發(fā)工作(圖1)。其研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以連續(xù)平穩(wěn)工作，且能夠有效回收電解槽側(cè)壁80%的余熱，并且該鋁電解槽可以通過自身配備的換熱系統(tǒng)來實現(xiàn)爐幫可控性。

圖1 2 kA新型換熱鋁電解槽結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 利用余熱發(fā)電技術(shù)

明勇[11]等人在解決鋁電解槽側(cè)壁低溫余熱回收利用方面，提出了采用有機工質(zhì)朗肯循環(huán)的方法來利用低品質(zhì)余熱發(fā)電，并且設(shè)計了適合電解槽側(cè)壁工況環(huán)境使用的換熱器。利用ANSYS軟件建立三維有限元模型，研究對比了200 kA鋁電解槽在有無換熱器條件下的熱- 電耦合模擬。模擬結(jié)果表明，換熱器存在條件下的電解槽主要換熱面溫度呈減小趨勢且槽幫厚度有所增加，這種工具對于降低熱量損失和保護槽內(nèi)層有積極的影響。槽幫溫度分布如圖1所示，通過換熱系統(tǒng)槽幫表面的溫度與電解質(zhì)的初晶溫度(910 ℃)相接近，且槽幫形狀很規(guī)整。在余熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)下其發(fā)電量最大為7.568 kW，在對系統(tǒng)進行效率分析時，其值為0.82時可達到最大發(fā)電量。

圖2 槽幫溫度分布

4 結(jié)束語

鋁電解槽余熱損失作為鋁電解行業(yè)一種主要的能量損失形式，一直是制約企業(yè)“節(jié)能降耗”的瓶頸。為了更好地發(fā)展綠色、低碳鋁冶金，盡量減少電解鋁生產(chǎn)過程中熱量的散以失及最大化回收利用電解槽余熱，需要從鋁電解槽型結(jié)構(gòu)設(shè)計、節(jié)能新技術(shù)和企業(yè)管理等方面入手。另外需要注意的是不能為了最大化回收電解槽余熱，而以犧牲電解鋁生產(chǎn)電流效率及電解槽平穩(wěn)運行為代價；應(yīng)該在電解鋁生產(chǎn)理想熱平衡狀態(tài)為基礎(chǔ)的條件下，把低電壓、高電流效率和高電解槽余熱回收率三者有機結(jié)合起來，這才是未來鋁電解槽余熱回收利用的研究方向。