馮恩浪，馮恩湖，蒙志保，陳貞南，蘇積波

（1.吉利百礦集團(tuán)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(dāng)前，在電解鋁行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的具體方法，國(guó)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(duì)新建電解鋁冶煉，可通過開發(fā)和利用新工藝和新技術(shù)降低電解鋁的能耗。然而，針對(duì)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(wàn)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(shù)是企業(yè)不可推卸的社會(huì)責(zé)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(shù)經(jīng)濟(jì)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?zé)煔庥酂岷完?yáng)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(xiàng)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(shí)其溫度約在140 ～150 ℃左右（如表1 所示）。 鋁電解煙氣的特點(diǎn)是：流量大，散熱量大，溫度偏低。在生產(chǎn)過程中，電解鋁槽會(huì)吸收大量的空氣進(jìn)入電解槽中。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外鋁電解余熱利用處于探索階段，較多的技術(shù)方案是借鑒其他行業(yè)的低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，但是，在電解鋁行業(yè)中應(yīng)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(shí)，鋁電解煙氣溫度偏低，受影響因素多，流量不穩(wěn)定等特點(diǎn)在一定程度上阻礙了其應(yīng)用。并且，煙氣攜帶的大量灰塵在回收設(shè)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(duì)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(yīng)用的報(bào)道。

2.2 陽(yáng)極余熱利用潛力分析

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要定期換新陽(yáng)極，此時(shí)，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(fèi)到自然環(huán)境中，更嚴(yán)重的是其攜帶的氟化物與熱蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有毒的氣體HF[3]。

本電解鋁項(xiàng)目，每天換出陽(yáng)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(shí)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(yáng)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(yáng)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(xiàng)目地址位于北回線以南，太陽(yáng)能資源較豐富，適宜建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電。太陽(yáng)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(jì)算，屋頂需滿足承重要求。相關(guān)電氣設(shè)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(duì)充裕的位置）。本項(xiàng)目廠房用電量大，屋頂總面積約為21 萬(wàn)平方米，可安裝光伏板的面積為13 萬(wàn)平方米，光伏發(fā)電項(xiàng)目可實(shí)施性越強(qiáng)。

3 余熱利用技術(shù)方案

根據(jù)電解鋁冶煉的工業(yè)余熱特征和品位，以及當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源的分布情況，現(xiàn)提出以下基于新廢電極余熱利用技術(shù)與太陽(yáng)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(shù)與太陽(yáng)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(yáng)極的余熱高達(dá)800 °C，剛好可以用于預(yù)熱新極，提升新極進(jìn)入電解槽的溫度。另外，為了降低新陽(yáng)極換熱過程的不可逆損失，可依據(jù)能量梯級(jí)利用的原理，先用部分低溫?zé)煔猓?40 °C ～160 ℃）預(yù)熱新極，之后再將新極與陽(yáng)極進(jìn)行換熱。具體流程如圖4 所示：低溫?zé)煔饨?jīng)煙氣分離器分為兩分支管路。一部分用于驅(qū)動(dòng)熱水型吸收式制冷機(jī)進(jìn)行制冷，可供廠區(qū)高壓整流器的散熱。另一部分用于預(yù)熱新極，將新極的溫度提升至約90 ℃后，再用820 ℃的陽(yáng)極加熱80 ℃的新極，新極溫度可達(dá)到450 ℃左右，降低了新極進(jìn)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(jìn)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(xiàng)目的綜合煤耗，可利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉磧?yōu)勢(shì)。經(jīng)分析，廣西百色太陽(yáng)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(yáng)能光伏板。因此，本方案提出利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，根據(jù)屋面面積估算，光伏發(fā)電量可達(dá)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(shù)上實(shí)施性較強(qiáng)。

方案中主要涉及三種主要的技術(shù)模塊，即低溫?zé)煔庵评溲h(huán)、新陽(yáng)極換熱系統(tǒng)和屋頂光伏發(fā)電。

（1）低溫?zé)煔庵评溲h(huán)

低溫?zé)煔庵评溲h(huán)是利用部分低溫?zé)煔庵迫±淞?，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?zé)煔庀韧ㄟ^汽水換水熱器用于驅(qū)動(dòng)熱水型熱泵制冷機(jī)制取冷量，所制取的冷量可由下式計(jì)算[4]：

圖3 低溫?zé)煔庵评溲h(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(fù)荷計(jì)算而得。式中Tgas和Tout分別等于140 °C 和110 °C。現(xiàn)低溫?zé)煔鉄崴蜔岜弥评浼夹g(shù)在國(guó)內(nèi)很多廠家已可實(shí)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(yáng)極換熱過程的不可逆損失，可依據(jù)能量梯級(jí)利用的原理，先通過部分煙氣的低溫預(yù)熱（140 °C ～160 ℃）加熱新極之后再與陽(yáng)極進(jìn)行換熱。新舊陽(yáng)極換熱過程中的能量計(jì)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(yáng)極的換熱效率。如圖4 所示，此部分余熱利用需要對(duì)換熱系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)，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(yù)熱溫度的耗電量。式中η1表示電加熱的效率。

圖4 新陽(yáng)極換熱系統(tǒng)示意圖

（3）屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

結(jié)合當(dāng)?shù)刎S富的太陽(yáng)能資源的優(yōu)勢(shì)，利用大面積彩鋼瓦屋頂，采用廉技術(shù)成熟的太陽(yáng)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(yáng)能光伏的年發(fā)電量可由以下公式計(jì)算：

4 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)方案中提出的低溫?zé)岜眉夹g(shù)很成熟，光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用廣泛，煙氣換熱技術(shù)可行性高，通過一體化綜合利用，更有利于節(jié)能增效，同時(shí)，為國(guó)內(nèi)鋁冶煉的節(jié)能降耗改造提供思路和方案借鑒。