铝冶炼余热利用技术探索

铝冶炼余热利用技术探索
发布时间：2022-08-10T01:24:44.959Z 来源：《建筑实践》2022年第41卷第6期3月（下）作者：陈波
[导读] 随着我国现代经济的发展，铝冶炼业已成为我国工业的重要行业
陈波
邹平县宏正新材料科技有限公司山东省滨州市邹平市256200
摘要：随着我国现代经济的发展，铝冶炼业已成为我国工业的重要行业。

在工业生产中，使用各种冶炼机械会消耗大量燃料，这些燃料经高温炼化后产生的余热在冶炼金属中占燃料消耗量的30%。

面对这种资源浪费，回收余热、降低能耗具有重要意义。

我国的社会主义市场经济提倡节约经济，铝冶炼企业充分利用冶炼中产生的余热，可有效减少环境污染，实现经济效益。

关键词：铝冶炼；余热利用；太阳能
目前，电解铝行业节能降耗具体方案可分为：工艺节能、余热利用。

其中，工艺节能针对新建电解铝冶炼，开发利用新工艺及新技术能降低电解铝能耗。

然而，对于现有的电解铝冶炼行业，余热利用是节能降耗的有效途径。

每吨电解铝电耗为1.1～1.3万度，电耗成本约占每吨铝成本的45%。

电解铝行业属于高能耗行业，积极开发节能降耗技术是企业不可推卸的社会责任。

本文重点论述了铝冶炼余热利用技术。

一、我国铝冶炼烟气余热利用现状
随着冶炼行业的发展，我国引进了大量的冶炼机械设备来发展冶炼行业。

在我国铝冶炼行业中，能耗中有大量余热未得到充分利用，能源的大量消耗，使我国铝冶炼行业得到快速发展，我国已成为世界铝工业大国，铝冶炼能耗占全国能耗的15%左右，在整个工业部门能耗的21%左右，我国经济的快速发展，能源生产的步伐已跟不上，由于市场经济效应，当供不应求时，就会使能源在价格上上升，能源价格波动会使铝冶炼行业发展受阻。

铝冶炼企业在冶炼中会产生大量可利用余热，而目前国内对这些余热的利用技术还不够先进，不能有效将这些余热转化为再利用资源，节能减排已成为铝冶炼企业长期发展的战略首要目标，充分利用铝冶炼中产生的余热，有助于减少企业的能耗，提高经济效益。

二、我国铝冶炼烟气净化余热利用存在的问题
在我国铝冶炼行业中，企业采用的槽型主要是自焙槽和预热槽，烟气的性质受槽型影响。

随着经济技术的提高，我国铝冶炼行业飞速发展，为响应社会主义节约型经济的发展，我国铝冶炼行业为治理铝冶炼烟气进行了大规模实验研究。

由于铝冶炼技术的先天性不足，烟气净化余热利用方面还不够成熟，虽然在铝冶炼过程中充分利用余热能源，提高能源利用效率，为企业节约成本，实现经济效益，但企业在利用铝冶炼烟气余热时，还会出现各种问题，为企业自身发展添加阻力。

1、成分复杂，烟气中的粉尘具有腐蚀性。

我国铝冶炼生产中产生的烟气温度高、成分复杂，因铝冶炼使用的槽型不同，生产中产生的烟气特征也会有所不同，粉尘颗粒小，表面积大，粉尘中含有腐蚀性较强的沥青，加上空气的对流运动，铝冶炼时会加大冶炼难度。

2、不具备完善的烟气余热利用系统。

我国铝冶炼行业中，受传统因素影响，许多铝冶炼企业只注重经济效益，忽略了对铝冶炼过程烟气余热的利用，所以就不会建立烟气余热利用系统，任能源浪费掉。

在我国铝冶炼过程中，由于烟气的疲软度较高，无法直接被应用到除尘器中，加上技术条件有限，对能源的利用根本达不到效果，从而失去经济、社会意义。

三、余热利用潜力
1、烟气余热利用潜力。

本项目铝电解生产通常在950℃左右高温下进行，生产中产生的烟气通过集气系统离开电解槽，烟气带走的热能约占总输量的30%。

从烟管排出时，其温度约为140～150℃。

铝电解烟气特点是：流量大、散热量大、温度低。

生产中，电解铝槽会吸收大量空气进入电解槽。

目前，国内外对铝电解余热的利用尚处于探索阶段，低温余热发电技术在其他行业的应用还有更多的技术方案值得借鉴，但在电解铝行业的应用方案还不成熟，由于烟气温度低，发电效率低。

同时，铝电解烟气温度低，影响因素多，流量不稳定，在一定程度上阻碍了其应用。

此外，烟气携带的大量灰尘在回收设备中易结垢，影响热回收效率和气压，烟气携带的酸性成分易对管道造成腐蚀。

因此，利用铝电解烟气余热发电的工业应用尚未见报道。

2、阳极余热利用潜力。

实际生产中，需定期换新阳极，此时旧极带走了大量热量。

一般行业惯例是将更换后的热旧极放置在车间内自然冷却，它携带的大量热量挥发并浪费到自然环境中，更严重的是，携带的氟化物与热蒸汽发生化学反应，产生有毒气体HF。

本电解铝项目每天换出400块阳极，平均每块重150kg，温度820℃左右，余热利用潜力巨大。

通过使用热旧极加热冷新极，实现余热利用。

将旧、新极放入热交换箱中，用旧极余热加热新极，能回收阳极余热加热新极，有利于电解生产，还可减少HF气体的产生。

在换热箱中，热阳极可冷却到230℃以下，新极可加热到100～140℃，平均温升约100℃。

3、光伏发电利用潜力。

由于项目所在地太阳能资源丰富，适合建设太阳能光伏发电。

太阳能发电装置的安装位置为建筑屋顶，光伏电站增加的屋面最小恒载按15kg/m2计算，屋顶应满足承重要求。

配电室应安装相关电气设备(低压配电室需有富余空间或配电室周围有相对充裕位置)。

项目厂房用电量大，屋顶总面积约21万平方米，可安装光伏板面积13万平方米，光伏发电项目可实施性越强。

四、余热利用技术方案
根据电解铝冶炼工业余热特征及品位，以及当地太阳能资源分布情况，提出以下基于新废电极余热利用技术与太阳能一体化利用方案。

在电解过程中，电解槽中心温度约950℃，即更换新极后，需从常温吸热到电解温度，消耗大量热量。

而从电解槽中取出的阳极余热高达800℃，可用于预热新极，提高新极进入电解槽的温度。

此外，为减少新阳极换热中的不可逆损失，根据能量梯级利用原理，用一些低温烟气(140～160℃)对新极进行预热，然后与阳极进行换热。

具体流程为：低温烟气通过烟气分离器分为两条支管路，一部分用于驱动热水吸收式制冷机制冷，为厂内高压整流器散热。

另一部分用于预热新极，将新极温度提高到90℃左右，然后用820℃阳极将新极加热到80℃，新极温度可达450℃左右，降低了新极进入电解槽后的能耗。

新极对烟气进行换热后，温度将下降约100℃，进一步可利用板式换热器将100℃烟气降到60～80℃，以满足工业园区生活热水需求。

为降低煤电铝一体化项目综合煤耗，可利用当地可再生能源优势。

该方案提出使用太阳能发电，据屋面面积估算，光伏发电量可达15MW，全部用于电解铝生产工艺需求，此方案在现有技术中具有很强的实施性。

方案主要涉及三种技术模块，即低温烟气制冷循环、新阳极换热系统、屋顶光伏发电。

1、低温烟气制冷循环。

其利用部分低温烟气产生制取冷量，用于满足冷却厂房高压整流器散热要求。

低温烟气先通过汽水换水热器驱动热水热泵制冷机制取冷量，制取冷量可通过下式计算：制冷循环中使用的烟气量可根据厂区高压整流器冷负荷计算得出。

式中，分别等于140℃及110℃。

目前，低温烟气热水热泵制冷技术已在国内多家厂家实现产业化。

该系统可间接降低高压整流器降温的电耗，消耗量根据电制冷空调制冷效率折算。

2、新-旧极换热系统。

为减少新阳极换热中的不可逆损失，根据能量梯级利用原理，可通过对部分烟气进行低温预热(140～160℃)来加热新极，然后与阳极换热。

新旧阳极换热能量计算公式为：式中：、表示烟气与新极换热效率和新阳极换热效率。

如图1所示，这部分余热利用需进一步深化换热系统设计，以满足特定余热利用环境。

出部分的节电量可从直接电加热到新极预热温度的耗电量。

电加热效率用表示。

图1 新阳极换热系统示意图
3、屋顶光伏发电系统。

结合当地太阳能资源丰富的优势，采用大面积彩钢瓦屋顶和低成本成熟的太阳能光伏发电系统，电量可直接用于电解铝生产，减少煤发电量。

太阳能光伏发电年发电量可按下式计算：参考文献：
[1]薛建刚.铝电解烟气净化技术优化的探索[J].工程技术，2015(58).
[2]冯恩浪.铝冶炼余热利用技术探索[J].装备制造技术，2020(06).。