鋁冶煉余熱利用技術探索

馮恩浪，馮恩湖，蒙志保，陳貞南，蘇積波

（1.吉利百礦集團有限公司，廣西 百色533000；2.廣西百色電力有限公司，廣西 百色533000）

1 課題背景

當前，在電解鋁行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗的具體方法，國內(nèi)外提出的方案可以分兩類：工藝節(jié)能和余熱利用[1]。工藝節(jié)能主要針對新建電解鋁冶煉，可通過開發(fā)和利用新工藝和新技術降低電解鋁的能耗。然而，針對既有的電解鋁冶煉工業(yè)余熱利用是有效的節(jié)能降耗途徑。每噸電解鋁消耗的電量在1.1 ～1.3 萬度，用電成本占到噸鋁成本的45%左右。電解鋁行業(yè)屬于高能耗行業(yè)，積極發(fā)展節(jié)能降耗技術是企業(yè)不可推卸的社會責任。

2 余熱利用潛力分析

電解車間余熱熱源溫度采集表如表1 所示，其為工業(yè)余熱利用的技術經(jīng)濟分析提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 電解車間溫度采集表

鋁電解槽體系熱損失分布如圖1 所示。經(jīng)分析，本電解鋁冶煉易回收利用的余熱主要有鋁電解槽低溫煙氣余熱和陽極高溫余熱等。

圖1 鋁電解槽體系熱損失分布示意圖

2.1 煙氣余熱利用潛力分析

本項目鋁電解生產(chǎn)通常在950 ℃左右高溫下，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過集氣系統(tǒng)離開電解槽，煙氣帶走的熱能約占總輸量的30 %，從煙管中排出時其溫度約在140 ～150 ℃左右（如表1 所示）。 鋁電解煙氣的特點是：流量大，散熱量大，溫度偏低。在生產(chǎn)過程中，電解鋁槽會吸收大量的空氣進入電解槽中。

當前，國內(nèi)外鋁電解余熱利用處于探索階段，較多的技術方案是借鑒其他行業(yè)的低溫余熱發(fā)電技術的應用，但是，在電解鋁行業(yè)中應用方案尚不成熟，由于煙氣溫度較低，發(fā)電效率較低[2]。同時，鋁電解煙氣溫度偏低，受影響因素多，流量不穩(wěn)定等特點在一定程度上阻礙了其應用。并且，煙氣攜帶的大量灰塵在回收設備中容易結(jié)垢影響熱回收效率及氣壓，煙氣攜帶的酸性成分容易對管道造成腐蝕。因此，利用鋁電解煙氣余熱用于發(fā)電，目前仍沒有工業(yè)應用的報道。

2.2 陽極余熱利用潛力分析

在實際生產(chǎn)過程中，需要定期換新陽極，此時，舊極帶走大量的熱量。通常行業(yè)做法是將更換下來的熱舊極放置在車間自然冷卻。其攜帶的大量熱量揮發(fā)浪費到自然環(huán)境中，更嚴重的是其攜帶的氟化物與熱蒸氣發(fā)生化學反應，產(chǎn)生有毒的氣體HF[3]。

本電解鋁項目，每天換出陽極400 塊，平均每塊重150 kg，溫度820 ℃左右，余熱利用利用潛力大。通過利用熱舊極加熱冷新極，實現(xiàn)余熱利用利用。將舊極與新極置于熱交換箱內(nèi)，利用舊極余熱加熱新極，既可以回收陽極余熱加熱新極，利于電解生產(chǎn)，又可以減少HF 氣體的產(chǎn)生。在換熱箱內(nèi)，熱陽極可被冷卻到230 ℃以下，新極可被加熱到100 ～140℃之間，平均溫升約100 ℃。

2.3 光伏發(fā)電利用潛力分析

項目地址位于北回線以南，太陽能資源較豐富，適宜建設太陽能光伏發(fā)電。太陽能發(fā)電裝置安裝位置為建筑屋頂，光伏電站增加的屋面恒荷載最小按15 kg/m2計算，屋頂需滿足承重要求。相關電氣設備需安裝到配電室（需要低壓配電房富余空間或配電房周邊有相對充裕的位置）。本項目廠房用電量大，屋頂總面積約為21 萬平方米，可安裝光伏板的面積為13 萬平方米，光伏發(fā)電項目可實施性越強。

3 余熱利用技術方案

根據(jù)電解鋁冶煉的工業(yè)余熱特征和品位，以及當?shù)靥柲苜Y源的分布情況，現(xiàn)提出以下基于新廢電極余熱利用技術與太陽能一體化利用的方案，流程如圖2 所示。

圖2 基于新廢電極余熱利用技術與太陽能一體化利用

電解過程中，電解槽的中心溫度約為950 °C，也就是，更換新極后需要從常溫吸熱至電解溫度，消耗大量的熱量。而從電解槽取出的陽極的余熱高達800 °C，剛好可以用于預熱新極，提升新極進入電解槽的溫度。另外，為了降低新陽極換熱過程的不可逆損失，可依據(jù)能量梯級利用的原理，先用部分低溫煙氣（140 °C ～160 ℃）預熱新極，之后再將新極與陽極進行換熱。具體流程如圖4 所示：低溫煙氣經(jīng)煙氣分離器分為兩分支管路。一部分用于驅(qū)動熱水型吸收式制冷機進行制冷，可供廠區(qū)高壓整流器的散熱。另一部分用于預熱新極，將新極的溫度提升至約90 ℃后，再用820 ℃的陽極加熱80 ℃的新極，新極溫度可達到450 ℃左右，降低了新極進入電解槽后的能量消耗。煙氣經(jīng)過新極換熱后，溫度降100 ℃左右，進一步可利用板式換熱器將100 ℃的煙氣降低至60～80 ℃用于提供工業(yè)園區(qū)的生活熱水需求。為了降低煤電鋁一體化項目的綜合煤耗，可利用當?shù)乜稍偕茉磧?yōu)勢。經(jīng)分析，廣西百色太陽能資源豐富，且廠區(qū)有大面積的閑置廠房屋面可用于安裝太陽能光伏板。因此，本方案提出利用太陽能進行發(fā)電，根據(jù)屋面面積估算，光伏發(fā)電量可達到15 MW，全部用于電解鋁生產(chǎn)工藝需求。此方案在現(xiàn)有的技術上實施性較強。

方案中主要涉及三種主要的技術模塊，即低溫煙氣制冷循環(huán)、新陽極換熱系統(tǒng)和屋頂光伏發(fā)電。

（1）低溫煙氣制冷循環(huán)

低溫煙氣制冷循環(huán)是利用部分低溫煙氣制取冷量，用于滿足冷卻廠區(qū)高壓整流器的散熱需求。主要利用流程如圖3 所示，低溫煙氣先通過汽水換水熱器用于驅(qū)動熱水型熱泵制冷機制取冷量，所制取的冷量可由下式計算[4]：

圖3 低溫煙氣制冷循環(huán)流程

用于制冷循環(huán)的煙氣量Gexgas，A1，可由廠區(qū)高壓整流器的冷負荷計算而得。式中Tgas和Tout分別等于140 °C 和110 °C。現(xiàn)低溫煙氣熱水型熱泵制冷技術在國內(nèi)很多廠家已可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。此系統(tǒng)可間接降低高壓整流器降溫的電力消耗，消耗量根據(jù)電制冷空調(diào)制冷效率η0折算。

（2）新-舊極換熱系統(tǒng)

為了降低新陽極換熱過程的不可逆損失，可依據(jù)能量梯級利用的原理，先通過部分煙氣的低溫預熱（140 °C ～160 ℃）加熱新極之后再與陽極進行換熱。新舊陽極換熱過程中的能量計算公式如下所示：

式中，ηex1和ηex2分別表示煙氣與新極的換熱效率和新陽極的換熱效率。如圖4 所示，此部分余熱利用需要對換熱系統(tǒng)進行進一步深化設計，以滿足特定余熱利用環(huán)境。出部分的節(jié)電量可由直接電加熱至新極的預熱溫度的耗電量。式中η1表示電加熱的效率。

圖4 新陽極換熱系統(tǒng)示意圖

（3）屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

結(jié)合當?shù)刎S富的太陽能資源的優(yōu)勢，利用大面積彩鋼瓦屋頂，采用廉技術成熟的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生的電量可直接用于電解鋁生產(chǎn)，從而減少煤發(fā)電量。太陽能光伏的年發(fā)電量可由以下公式計算：

4 結(jié)語

本技術方案中提出的低溫熱泵技術很成熟，光伏發(fā)電技術應用廣泛，煙氣換熱技術可行性高，通過一體化綜合利用，更有利于節(jié)能增效，同時，為國內(nèi)鋁冶煉的節(jié)能降耗改造提供思路和方案借鑒。