王君義

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的普遍提高，能源需求量的增長與自然資源的日益枯竭矛盾凸顯，這對能源供應、工業(yè)企業(yè)及消費者都提出了新的挑戰(zhàn)。提升能源效率，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的客觀要求，也是提高企業(yè)綜合競爭能力的必然選擇，更是時代賦予我們的使命和責任。

1 鋁電解煙氣余熱

某電解鋁企業(yè)一期生產(chǎn)片區(qū)共有7個生產(chǎn)單位，采暖期需為67個單元供暖，供暖面積約為72842m2，供暖方式為炭素回轉窯余熱供暖。隨著市場環(huán)境變化，石油焦和煅后焦價差縮小至400元以內，回轉窯運行成本在550元左右，采供煅后焦就成為碳素廠生產(chǎn)的常態(tài)。為保證公司能源效能最大化，電解煙氣余熱利用就成為了供暖的主要熱源。

某電解鋁企業(yè)一期生產(chǎn)區(qū)域有236臺240KA電解槽，配套設計三套干法煙氣凈化系統(tǒng)，其中凈化#1、#3系統(tǒng)各承擔78臺電解槽煙氣凈化任務，凈化#2系統(tǒng)承擔80臺電解槽煙氣凈化任務。設計單臺電解槽生產(chǎn)時產(chǎn)生的煙氣量約為9000m/h。凈化系統(tǒng)主煙管處的溫度為80℃～120℃。電解槽供料管道200mm超濃湘輸送溜槽平衡料柱接入電解槽排煙管，在凈化系統(tǒng)主煙管內有大量的氧化鋁和電解槽生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙塵流過。

圖1 電解煙氣余熱換熱器

2 鋁電解煙氣余熱在能源管理中的應用

能源管理模塊構建遵循精益轉型“五步法”原則，包括現(xiàn)狀評審及發(fā)現(xiàn)短板、確定范疇、組建團隊、設定改善目標及關鍵業(yè)績指標（KPI）、建立流程和方法、選擇試點實施、總結推廣七個步驟。

某電解鋁企業(yè)始終高度重視節(jié)能降耗工作，并取得了較好成效。但在以往的改善方法上，實現(xiàn)節(jié)能降耗更多是依靠技術改造或設備升級。依靠精益管理實現(xiàn)節(jié)能降耗作為一個新興的管理課題，多數(shù)企業(yè)管理人員對此的認識還有差距，能效管理意識相對較弱，專業(yè)管理能力略顯不足，因此，我們通過能源業(yè)績管理在煙氣余熱中的利用中所采用的工具、方法實現(xiàn)通過管理實現(xiàn)節(jié)能降耗，達到標桿引領的作用。

某電解鋁企業(yè)電解分廠負責提供公司的電能、水源、熱能的供應，作好節(jié)能降耗的管理工作顯得尤為突出，因此，利用世界先進企業(yè)能源業(yè)績管理的理念、方法和工具,以一期電解煙氣余熱利用為例,應用能源業(yè)績的先進經(jīng)驗、先進做法和先進成果。

2.1 目標確定及實施準備

目標設定及診斷是能源業(yè)績管理的重要環(huán)節(jié)之一，其主要分為三個方面，運營系統(tǒng)、支持運營系統(tǒng)的管理系統(tǒng)、以及新的工作方法及行為理念，運營系統(tǒng)要求滿足業(yè)務需求的未來MIFA，包括材料和信息流，以及未來所需的貨源，以及流程效率，其中包括成本、質量、技能等。支持運營體系的管理架構主要包括業(yè)績和健康管理、組織設計以及能力培養(yǎng)流程。新的工作方式所需要的理念主要是確定改進理念所需的行動。運營系統(tǒng)的設計主要是根據(jù)理想的運營系統(tǒng)推出并且滿足客戶和業(yè)務的需要，符合總體價值流運營系統(tǒng)；并且符合公司長遠目標及管理系統(tǒng)相關舉措。

某公司煙氣余熱利用項目分三個分項實施，即：第一外委標段——換熱器設備設計與采購；第二外委標段——換熱器安裝及主材采購；公司自行實施——換熱站至凈化系統(tǒng)管道鋪設、汽暖改水暖、原換熱站擴建、廠前區(qū)暖氣管網(wǎng)整治等。2020年6月16日余熱項目開工，2020年10月10日～11月9日6臺煙氣換熱器、2臺水-水換熱器及其附件全部到貨。2020年10月25日～12月16日#1、#2、#3凈化系統(tǒng)煙氣換熱器安裝、投運。2020年11月20日余熱系統(tǒng)注水、沖洗、試運，至12月25日19時6臺煙氣換熱器投運正常；12月21日水-水換熱器投運，接入電解廠、炭素廠澡堂。2020年12月28日組織召開一期電解煙氣余熱利用項目第一標段、第二標段驗收會，會議原則性通過兩個標段項目驗收。

電解煙氣余熱回收利用系統(tǒng)包括：余熱回收裝置、熱水循環(huán)系統(tǒng)、熱水管網(wǎng)。余熱回收裝置（熱交換器）裝在凈化系統(tǒng)除塵器前的直徑為2700mm的主煙管處，電解槽高溫煙氣在余熱回收裝置中與熱媒（水）進行熱交換后產(chǎn)生的熱水送至一期炭素換熱站，熱水進入換熱站經(jīng)洗浴換熱器（水-水交換）接入一期原采暖系統(tǒng)，洗浴換熱器（水-水交換）換熱后的熱水進入新建生活熱水管網(wǎng)。一期煙氣余熱利用項目不僅能解決一期供熱、洗浴的問題，而且可起到降低凈化除塵器布袋損耗、環(huán)保排放值等作用。

（1）煙氣凈化系統(tǒng)基本參數(shù)。系列電解槽臺數(shù)：236臺；單套煙氣凈化系統(tǒng)總風量：600000m3/h（壓力損失為：4000Pa）；凈化主煙管直徑：2700mm；主煙管進口煙氣設計溫度：80℃～120℃。

（2）電解煙氣余熱利用系統(tǒng)采暖系統(tǒng)供水溫度要求達到65℃，回水溫度要求達到50℃；熱水系統(tǒng)供水溫度要求達到45℃以上。

（3）電解煙氣余熱利用系統(tǒng)中的余熱回收裝置（熱交換器）安裝在凈化系統(tǒng)除塵器前的直徑為Φ2700mm的主煙管初始端處，主煙管中心高度為9.5m。

（4）余熱回收裝置。①由于整個凈化系統(tǒng)的風壓降要求，而且氣體的傳熱系數(shù)非常小，所以常規(guī)的換熱設備很難達到換熱要求，需由專業(yè)煙氣換熱器設備廠家根據(jù)現(xiàn)場實際勘察、設計、制造、安裝、調試。②為了有效利用電解煙氣余熱，在電解槽電解煙氣排出后的匯總水平煙道處加裝煙氣換熱器，水平煙道處氧化鋁加料口要移至換熱器后端，防止氧化鋁粉對管道的磨損，不改變風機現(xiàn)有運行方式，做到在不影響凈化效率的前提下利用電解煙氣的余熱。③煙氣換熱器阻力≯300Pa。④煙氣余熱回收裝置的設備使用壽命≮10年。煙氣余熱回收裝置的換熱器材質不低于20G，具有良好的防磨、防腐性能的材料。⑤煙氣余熱回收裝置的設計、制造、安裝按照中低壓鍋爐的標準執(zhí)行，具有中低壓鍋爐標準要求的安全附件和安全保障措施，配套相應安全防護裝置，包括安全閥、泄水閥等。⑥煙氣余熱回收裝置配置自動吹灰裝置，具備良好的清灰效果，并能保證長期工作穩(wěn)定且符合壓力容器相關管理規(guī)定。在無法實現(xiàn)自動清理的區(qū)域或死角，設置人工清理窗口和清理平臺，保證安全可靠，煙氣余熱回收裝置必須設計有卸灰口。⑦煙氣余熱回收裝置應設計、安裝壓力、溫度、濕度等監(jiān)測儀表。⑧煙氣余熱回收裝置要求維護檢修方便，設置符合安全規(guī)范的檢修平臺及爬梯和護欄。⑨電解#1、#2、#3凈化系統(tǒng)每個系統(tǒng)設兩臺煙氣換熱器，單臺換熱功率1.72Mw，具體參數(shù)，見表1。

表1 換熱器參數(shù)

#1、#2、#3凈化系統(tǒng)共可提供總熱量≮10.32MW,供、回水溫度為65/50℃的采暖熱水量360t/h。

熱負荷：實際總熱負荷為9.49MW，（其中采暖熱負荷為8.74MW，生活熱水實際熱負荷為0.75MW）考慮到以后一期廠區(qū)內改、擴建可能增加取暖面積，設計總負荷取在實際總負荷（9.49MW）的基礎上增加10% ，即設計總負荷為10.44MW。

一期電解生產(chǎn)系列煙氣余熱負荷計算：按照前期項目實施的計算，240KA槽型每15臺電解槽煙氣含有熱量0.7MW，故一期電解236臺電解槽煙氣含有熱量11.01MW，見表2。

表2 具體熱負荷分布

2.2 改善方案及措施

確定改善方案及措施主要按工作流制定策略性實施計劃，主要包含以下七個方面的內容：①戰(zhàn)術實施計劃：確定工作流，確定所需和擁有的資源，確定所需要考慮的其他因素并安排負責人。②項目評估流程：與相關利益方規(guī)劃每日/每周/每月的總結。③穩(wěn)定：減少投入和流程波動，從而實現(xiàn)步驟變革，如設備的可靠性、流程的穩(wěn)定性及工作組織的穩(wěn)定性。④優(yōu)化：根據(jù)客戶的需求讓流程順暢的進行，并且評估生產(chǎn)水平。⑤確保與相關的其他舉措相結合。⑥流程跟蹤：查看進程，量化并跟蹤影響，分享流程的進展。⑦能力建設：主要是培訓變革骨干并且提供日常的指導。

電解煙氣余熱利用系統(tǒng)設備：系統(tǒng)所有換熱器；系統(tǒng)所有配套的管道、閥門和儀表；余熱利用配套的支撐、檢修平臺等；余熱利用所配套的安全防護裝備包括安全閥等；余熱利用換熱器配套的吹灰裝置。

煙氣換熱器方面，利用電解煙氣的余熱來加熱循環(huán)水（水質要求，有加藥裝置，除垢等），產(chǎn)生的熱水（冬季產(chǎn)生的熱水溫度≮65℃）進行循環(huán)，實現(xiàn)采暖供熱和職工洗澡水的加熱。使用工況條件：正常運行時煙氣溫度100～120℃；當?shù)睾０危?500m；安裝6臺煙氣換熱器，總換熱≮11.5MW；換熱效果，冬季采暖循環(huán)水溫提升≮15℃，即換出的熱水出口溫度≮65℃（進口溫度50℃），熱水流量按單臺實際熱功率計算；在煙管中的阻力＜200Pa；換熱器內鋼管采用GB3087標號的產(chǎn)品；換熱器外壁采用的鋼板必須不小于安裝位置煙管的壁厚（δ6mm）；煙氣換熱器使用壽命≥10年；換熱器內耐壓不小于1.0MPa；換熱器的形狀與尺寸要與現(xiàn)場相配合。換熱負荷水力計算見表3。

表3 水管水力計算表

當?shù)睾０?425m，余熱利用系統(tǒng)要實現(xiàn)自身的循環(huán)以及在公司系統(tǒng)內的流暢，而且利用熱交換站已有的循環(huán)水泵和定壓系統(tǒng)，并且能實現(xiàn)蒸汽備用熱量的功能，配套有管道、閥門以及監(jiān)測的儀表。渦輪蝶閥型號：PN10DN100（帶法蘭）；壓力表：0MPa～1.0MPa（Y-100含表彎表閥）；雙金屬溫度計：0℃～120℃；閥門和儀表采用國內大型廠家產(chǎn)品，閥門考慮高原使用環(huán)境。余熱利用系統(tǒng)配套有檢修平臺和鋼支撐等，這個要符合工業(yè)設備設計和安裝相關標準的要求；余熱利用系統(tǒng)要配套有安全防護裝備，保證安全運行和維護；余熱利用系統(tǒng)及其附屬設備，包括基礎和支座在內，應能經(jīng)受得住所在地區(qū)地震力的作用。在設計地震烈度級的地震作用下，設備均能承受并保持結構上的完整性；煙氣換熱器上帶有密封良好的檢查孔，以利于檢查換熱器內的狀況；設備和支撐的焊接，按SDJ51-82《電力建設施工及驗收技術規(guī)范》的要求進行；對于組裝后整體發(fā)運的換熱器，達到整體安裝條件。

該項目實施后，不但實現(xiàn)了能效最大化利用，還對現(xiàn)有的環(huán)境狀況有一定的減排作用，具體為降低廢氣對外排放溫度，減少溫室效應。由于余熱利用裝置對廢氣的利用，將80℃的廢氣溫度采用換熱方式降低到65℃～70℃排放，煙氣經(jīng)換熱器換熱，當煙氣溫度下降10℃回收的熱量29098800KJ/h，每年采暖期回收余熱折標準煤為4289.31t，該煙氣余熱回收系統(tǒng)實施后，每年可節(jié)約熱量125676.78GJ，減少CO2氣體排放11409.56t。

3 總結和推廣

為提高能源利用效率，該公司建立了能源管理長效、分享、協(xié)同、考核機制，成立了以總經(jīng)理為組長的能源管理領導組，負責規(guī)劃能效管理總體思路，工作重點；制定能源管理方案，建立能效指標對標評價體系；專業(yè)管理能力建設，管理能源效率專項項目及TIPs（戰(zhàn)略實施計劃）。領導組下設實施組，實施組跟蹤和督促重點能源效率項目進展，收集能源數(shù)據(jù)，分析能耗水平變化，協(xié)助單位查找問題，確保能效管理工作有效推進和項目目標的實現(xiàn)。

能源管理團隊通過對前期數(shù)據(jù)的整理最終確定，鑒于煙氣余熱技術的成熟應用，煙氣換熱器作為采暖系統(tǒng)一級換熱器，利用循環(huán)泵加壓循環(huán)—即煙氣換熱器將采暖循環(huán)水加熱到70℃，利用原采暖系統(tǒng)閉路循環(huán)；職工洗浴采用二級換熱——即利用煙氣換熱產(chǎn)生的70℃熱水，通過水—水熱交換，將洗澡水加熱到45℃，供應到澡堂水箱，滿足職工的洗浴用熱水需求，實現(xiàn)一期生產(chǎn)片區(qū)的供熱、洗澡熱水需求。該項目實施，對現(xiàn)有的環(huán)境狀況有一定的減排作用，具體為降低廢氣對外排放溫度，減少溫室效應。由于余熱利用裝置對廢氣的利用，將80℃的廢氣溫度采用換熱方式降低到65℃排放，降低了對外廢氣排放的溫度，減少了對大氣環(huán)境的熱污染。