鋁冶煉和加工行業(yè)低溫余熱回收利用研究和實(shí)踐

謝慈俊，吳蜀利，黃祥忠，劉光怡

(1. 廣州尚水環(huán)保節(jié)能科技有限公司，廣東廣州510000；2. 福建省南平鋁業(yè)有限公司，福建南平353000)

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鋁冶煉和加工行業(yè)低溫余熱回收利用研究和實(shí)踐

謝慈俊1，吳蜀利1，黃祥忠2，劉光怡2

(1. 廣州尚水環(huán)保節(jié)能科技有限公司，廣東廣州510000；2. 福建省南平鋁業(yè)有限公司，福建南平353000)

結(jié)合工程實(shí)踐，介紹鋁冶煉和加工行業(yè)低溫余熱回收利用的應(yīng)用場(chǎng)合、途徑和技術(shù)，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行效益分析，指出鋁冶煉和加工行業(yè)的熱力系統(tǒng)存在巨大的節(jié)能潛力，采用合適的技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

節(jié)能減排；余熱回收利用；鋁冶煉；鋁加工；熱管換熱器；吸收式制冷；熱泵

應(yīng)對(duì)氣候變化，節(jié)能減排已成為全球共識(shí)。節(jié)能減排在創(chuàng)造社會(huì)效益的同時(shí)，還可以為企業(yè)降低運(yùn)營(yíng)成本，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)的綠色競(jìng)爭(zhēng)力。

鋁冶煉及加工作為典型的高能耗行業(yè)，在節(jié)能減排方面潛力巨大。余熱回收利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)約和高效實(shí)用能源的重要方式。為了提高熱能利用總體效率，除了要提高直接利用率，對(duì)余熱進(jìn)行回收、實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用也是非常重要的途徑。合理設(shè)計(jì)熱能利用途徑，應(yīng)用換熱和熱能轉(zhuǎn)換新技術(shù)，有效擴(kuò)大余熱回收利用空間，提高余熱回收利用的效果，從而實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 余熱來(lái)源

鋁冶煉和加工過(guò)程中，大量余熱未合理利用，造成巨大的熱量損失。具體包括電解鋁煙氣余熱以及鋁熔鑄、加熱和時(shí)效處理時(shí)排放的煙氣余熱。

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質(zhì)，以碳素體作為陽(yáng)極，鋁液作為陰極，通入強(qiáng)大的直流電后，在950～970℃下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，即電解。陽(yáng)極產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。陰極產(chǎn)物是鋁液，鋁液通過(guò)真空抬包從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車(chē)間，在保溫爐內(nèi)經(jīng)凈化澄清后，澆鑄成鋁錠或直接加工成線坯、型材等。以某型號(hào)電解槽為例，單槽平均煙氣量約為10000m3/h，電解槽煙氣在與空氣混合后溫度約為110～130℃，電解車(chē)間往往由幾十、上百臺(tái)電解槽組成，電解煙氣余熱利用的潛力非常巨大。

鋁在加工過(guò)程中，鋁合金熔煉、鑄造、靜置、均熱過(guò)程，擠壓生產(chǎn)過(guò)程中的鑄錠、模具加熱、時(shí)效處理和淬火處理過(guò)程，鋁表面處理中的清洗、烘干、固化等過(guò)程均涉及到熱能的高效利用問(wèn)題，具有較大的節(jié)能空間。尤其是各種加熱爐的煙氣具有溫度高、排量大的特點(diǎn)，是主要熱量損失途徑，應(yīng)作為余熱回收利用的重點(diǎn)。以某熔煉爐為例，在總的熱量消耗中，只有約25%的熱量被鋁液帶走，而排煙熱損失則高達(dá)總熱量的42%。同時(shí)各加熱爐的爐溫較高，利用價(jià)值高。以熔煉爐為例，在未進(jìn)行熱回收利用時(shí)，煙氣溫度可達(dá)1000℃以上。即使采用了回收裝置，最終煙氣溫度也達(dá)150℃以上，具有繼續(xù)利用的價(jià)值。

除了上述余熱外，鋁行業(yè)其他余熱排放場(chǎng)合還包括鍋爐煙氣余熱、鍋爐凝結(jié)水余熱、表面處理線熱水洗槽排放水余熱、表面處理車(chē)間空調(diào)換氣余熱等。鍋爐煙氣余熱與鋁冶煉和加工過(guò)程排放的煙氣類(lèi)似，煙氣溫度較高，具有較好的利用價(jià)值。以氣體介質(zhì)排放的余熱還包括車(chē)間空調(diào)換氣余熱等。空調(diào)排氣余熱雖然溫度較低，但由于連續(xù)運(yùn)行、排放量大，也具有較大回用價(jià)值。以水為介質(zhì)排放的余熱雖然排放量較小，但由于水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣，換熱性能也優(yōu)于空氣，使得鍋爐凝結(jié)水余熱，表面處理熱水洗槽排放水余熱等也具有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。

2 余熱利用

從上述余熱來(lái)源可以看出，鋁冶煉和加工大部分為中低溫余熱。但是只要合理設(shè)計(jì)余熱利用途徑，選用合適的換熱和熱能轉(zhuǎn)換方式，可使余熱利用投資獲得良好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。在余熱利用上，首先要考慮提高爐窯的熱效率，盡量減少余熱產(chǎn)出。同時(shí)，提高隔熱、絕熱、保溫性能，防止泄漏，減少無(wú)組織的耗散，從而在保證工藝要求的前提下，減少能源消耗，提高煙氣余熱質(zhì)量，為余熱利用提供較好基礎(chǔ)。其次，要盡量直接利用余熱，即首先將余熱用于爐窯自身的助燃空氣、燃料和工件、物料的預(yù)熱或加熱，自身無(wú)法回收利用時(shí)才用于其他場(chǎng)合。再次，余熱回收利用的原則是“梯級(jí)利用，高質(zhì)高用”，優(yōu)先把高品位余熱用于做功或發(fā)電，低溫余熱用于生產(chǎn)用低溫場(chǎng)合以及空調(diào)、采暖等工廠和生活用熱。最后，要關(guān)注低溫余熱的利用，采用合適的余熱利用技術(shù)，使得本身品位不高的余熱，一次利用后的低品位余熱仍具有回收利用價(jià)值，可考慮繼續(xù)回收利用。

在中低溫余熱應(yīng)用方面，可采用多種余熱利用技術(shù)繼續(xù)發(fā)揮余熱回收效益，包括熱管換熱技術(shù)、余熱制冷和熱泵技術(shù)。

2.1 熱管換熱技術(shù)

熱管換熱器是一種不同于普通換熱器的高效熱交換設(shè)備，由熱管組成，其原理是利用工質(zhì)相變進(jìn)行換熱和熱量傳遞，由于工質(zhì)相變的劇烈沸騰作用和兩相間巨大的焓差，因此熱管換熱器的轉(zhuǎn)熱效率和熱量交換量遠(yuǎn)高于單相溫差換熱。由于采用熱媒工質(zhì)傳遞熱量，換熱介質(zhì)之間可以相互分離，因此具有獨(dú)特安全特性。熱管換熱器的特點(diǎn)包括：

(1)較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠，可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行

常規(guī)換熱設(shè)備一般都是間壁換熱，冷熱流體分別在器壁兩側(cè)流過(guò)，如管壁或器壁有泄漏，將造成停產(chǎn)損失，甚至安全事故。由熱管組成的換熱設(shè)備，是二次間壁換熱，即熱流要通過(guò)熱管的蒸發(fā)段管壁和冷凝段管壁才能傳到冷流體，而熱管一般不可能在蒸發(fā)段和冷凝段同時(shí)破壞，所以大大增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的可靠性；

(2)熱管管壁的溫度可調(diào)性

熱管管壁的溫度可以調(diào)節(jié)，這在低溫余熱回收或熱交換中相當(dāng)重要，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)臒崃髯儞Q把熱管管壁溫度調(diào)整在低溫流體的露點(diǎn)以上，從而可防止露點(diǎn)腐蝕；同時(shí)還避免了煙灰在管壁上的粘結(jié)，保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行，提高了設(shè)備效率；

(3)冷、熱段結(jié)構(gòu)，位置布置靈活

由熱管組成的換熱設(shè)備，其受熱部分和放熱部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和位置布置非常靈活，可設(shè)計(jì)為分離形式，適用于各種復(fù)雜場(chǎng)合。由于結(jié)構(gòu)緊湊占地空間小，因此特別適合于工程改造、地面空間狹小和設(shè)備擁擠的場(chǎng)合，且維修工作量少；

(4)熱管換熱設(shè)備效率高，節(jié)能效果顯著

熱管的相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)105W/m·℃的數(shù)量級(jí)．為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍，可將大量熱量通過(guò)很小的截面積遠(yuǎn)距離傳輸而無(wú)需外加動(dòng)力。

由于熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高、阻力小、布置靈活、安全性高的特點(diǎn)，因此在鋁冶煉及加工的多個(gè)場(chǎng)合均可獲得應(yīng)用，與常規(guī)間壁換熱設(shè)備相比，具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和性價(jià)比。尤其是在設(shè)備改造和安全要求較高的場(chǎng)合，由于其可設(shè)計(jì)成分離式結(jié)構(gòu)，因此可根據(jù)爐窯現(xiàn)狀靈活布置吸熱部分和放熱部分，并提供安全隔離，由此可擴(kuò)展余熱利用的場(chǎng)合。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)窯爐煙氣排放特點(diǎn)，與熱管換熱器進(jìn)行多種組合，除了直接用于空氣余熱外，還可配置熱管熱水器、熱管余熱鍋爐等生產(chǎn)熱水和蒸汽，用于其他生產(chǎn)工藝或生活用熱。

2.2 吸收式制冷技術(shù)

吸收式制冷以熱能為驅(qū)動(dòng)能源實(shí)現(xiàn)制冷。其特點(diǎn)包括：

(1)可直接利用熱源，耗電少

吸收式制冷機(jī)組用電只相當(dāng)于同容量離心式機(jī)的2%～9%，可為工廠能源配置提供更多選擇；

(2)利用低品位余熱同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和制熱

吸收式制冷機(jī)組除了利用鍋爐蒸汽、燃料產(chǎn)生的熱能外，還可利用低壓蒸汽、熱水，甚至廢汽、余熱、太陽(yáng)能等低品位熱能，在同一機(jī)組中實(shí)現(xiàn)制冷和制熱，有效擴(kuò)大了余熱應(yīng)用范圍；

(3)安全可靠

吸收式制冷設(shè)備除了泵和閥件外，絕大部分是換熱器，運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，振動(dòng)??；同時(shí)，制冷機(jī)在真空狀態(tài)下運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，安裝方便。

由于吸收式制冷技術(shù)可利用余熱制冷，以用于工藝和空調(diào)需要，因此受到廣泛關(guān)注。鋁冶煉及加工行業(yè)具有較多的余熱資源，而同時(shí)又在制冷和空調(diào)上有較大需求，包括表面處理車(chē)間的氧化槽溫度控制、工藝空調(diào)送風(fēng)，辦公、廠房、生活區(qū)空調(diào)等，吸收式制冷技術(shù)在這些場(chǎng)合可充分利用余熱，節(jié)約制冷用電，具有較好的投資回報(bào)。

2.3 熱泵技術(shù)

熱泵技術(shù)通過(guò)電力做功將低品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎玫母咂肺粺崮?，從而以消耗較小的電力為代價(jià)獲得大量的可用熱能。在合理設(shè)計(jì)前提下，熱泵的能效比可達(dá)到3～4，即與常規(guī)電加熱相比，熱泵的產(chǎn)熱效率是電加熱的3至4倍，因此可起到利用余熱節(jié)約大量用電的效果。

目前，國(guó)內(nèi)熱泵技術(shù)在生活供暖方面得到廣泛應(yīng)用，包括空氣源、水源和地源熱泵的應(yīng)用等。但在工業(yè)生產(chǎn)中尚未得到很好應(yīng)用，主要原因是對(duì)生產(chǎn)工藝中的熱能需要不了解，對(duì)熱泵技術(shù)掌握不深。

用低品位余熱(煙氣或水)作為熱源，利用熱泵技術(shù)需要很好解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括工質(zhì)和壓縮機(jī)的選用，從而使壓縮機(jī)在合適的壓縮比下經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行，且綜合考慮熱源和用熱情況，實(shí)現(xiàn)工藝要求。常規(guī)熱泵的工藝應(yīng)用方面，以鋁行業(yè)噴漆房空調(diào)為例，如采用常規(guī)排風(fēng)和新風(fēng)熱交換回收余熱，由于僅在冬季較少天數(shù)可獲得經(jīng)濟(jì)的傳熱溫差，因此余熱回收利用意義不大。但如采用熱泵技術(shù)，則可有效提高兩側(cè)傳熱溫差，同時(shí)吸熱端和放熱端可靈活分離設(shè)置，可極大提高余熱回收利用的時(shí)間和效果，大大減少空調(diào)熱能損耗。在高溫應(yīng)用方面，可直接回收利用20～55℃的低品位余熱資源，制出65～95℃熱水或熱風(fēng)，用于表面處理生產(chǎn)線的脫脂、封孔、熱水洗以及烘干等工藝環(huán)節(jié)，從而用較小代價(jià)利用了低品位余熱。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

鋁冶煉及加工行業(yè)的熱力系統(tǒng)存在巨大節(jié)能潛力，余熱利用的關(guān)鍵是業(yè)主對(duì)這種潛在經(jīng)濟(jì)效益的認(rèn)識(shí)以及供應(yīng)商可提供技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上劃算的解決方案。以某鋁業(yè)公司電解槽煙氣余熱利用項(xiàng)目為例，首先在技術(shù)上解決了可行問(wèn)題，使電解槽煙氣余熱的安全利用成為可能；在此基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格保證設(shè)備質(zhì)量，使得項(xiàng)目獲得圓滿成功。通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際測(cè)算，三個(gè)月內(nèi)累計(jì)節(jié)約熱能26萬(wàn)kW·h，節(jié)能效果顯著，投資回收期僅2年，利用三等余熱資源實(shí)現(xiàn)了一等余熱資源的投資收益。

4 結(jié)論

實(shí)踐表明，鋁冶煉及加工行業(yè)的熱力系統(tǒng)存在巨大節(jié)能潛力，不僅在高品質(zhì)余熱的回收利用上，在低溫余熱回收利用上，只要因地制宜，選擇合適的工藝方案，也可為用戶創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 王紹文,楊景玲,賈勃.冶金工業(yè)節(jié)能與余熱利用技術(shù)指南[M].冶金工業(yè)出版社,2010.

[2] 羅蘇,吳錫坤.鋁型材加工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].中南大學(xué)出版社,2006.

[3] 楊申仲,楊煒,朱同裕,陸泳凱.行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)與能耗考核[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

本刊啟事

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本刊編輯部

《有色金屬加工》2015年第5期廣告索引

特殊版

意利克機(jī)械工業(yè)(中山)有限公司

封面

無(wú)錫申康機(jī)械設(shè)備有限公司

封二

意大利布萊塞茨擠壓機(jī)公司

封三

天津歐德機(jī)械貿(mào)易有限公司

封底

前 插

奧托容克冶金設(shè)備(上海)有限公司

扉1

上海瑞輕潤(rùn)滑科技有限公司

扉2

石家莊愛(ài)迪爾電氣有限公司

扉3

航星鋁材設(shè)備廠

扉4

上海亞爵電工成套設(shè)備制造有限公司

扉5

佛山市禹碩機(jī)械設(shè)備有限公司

扉6

寧波創(chuàng)力液壓機(jī)械制造有限公司

扉7

蘇州新金相金屬材料有限公司

扉8

濟(jì)南森帝潤(rùn)滑技術(shù)有限公司

扉9

宇部興產(chǎn)機(jī)械(上海)有限公司

扉10

精細(xì)化學(xué)品集團(tuán)有限公司

扉11

佛山市科立工業(yè)設(shè)備有限公司

扉12-13

德國(guó)霍科德股份公司北京代表處

扉14

洛陽(yáng)君合復(fù)合材料有限公司

扉15

美鋁北冶工業(yè)(大連)有限公司

扉16

上海方久軋制油凈化技術(shù)有限公司

扉17

高奇工業(yè)爐設(shè)備(北京)有限公司

扉18

佛山市南海葆德機(jī)械設(shè)備廠

扉19

東莞市易合軟件科技有限公司

扉20

蘇州中門(mén)子科技有限公司

扉21

《有色金屬加工》理事會(huì)

扉22

河北優(yōu)利科電氣有限公司

扉23

西格里特種石墨(上海)有限公司

扉24

西安威特電力電子設(shè)備研究所

扉25

蘇州茂騰剪切機(jī)械有限公司

目次對(duì)頁(yè)

中 插

蘇州工業(yè)園區(qū)華福科技有限公司

中插1

虎牌石油(中國(guó))有限公司

中插2

蘇州有色金屬研究院有限公司

中插3

蘇州新長(zhǎng)光熱能科技有限公司

中插4

廣州施能燃燒設(shè)備有限公司

中插5

西班牙法格塞達(dá)公司

中插6-7

中色科技股份有限公司

中插8-9

Pesmel Oy

中插10-11

洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司

中插12

有色金屬加工

中插13

喬格·中國(guó)

中插14

后 插

上海森帝潤(rùn)滑技術(shù)有限公司

后插1

達(dá)涅利冶金設(shè)備(北京)有限公司

后插2-3

南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司

后插4

特浦朗克化工(營(yíng)口)股份有限公司

后插5

上海銳漫能源科技有限公司

后插6

無(wú)錫市唐盛機(jī)械制造廠

后插7

大連康豐科技有限公司

后插8

Research and Practices of Low Temperature Waste Heat Recovery in Aluminum Smelting and Processing Industries

XIE Cijun1, WU Shuli1, HUANG Xiangzhong2, LIU Guangyi2

(1.Guangzhou Shangshui Energy Saving Technology Co., Ltd., Guangzhou 510000, China;2. Fujian Nanping Aluminium Co., Ltd., Nanping 353000, China)

Combined with engineering practices, the paper presented applications, realization approaches and available technologies of low temperature waste heat recovery in aluminum smelting and processing industries; it analyzed economic benefits based on case studies; it pointed out that tremendous energy saving potential existing in thermal system of said industries can bring considerable economic benefits by optimizing the system with proper technologies.

energy conversation and emission reduction; waste heat recovery; aluminum smelting; aluminum processing; heat pipe heat exchangers; absorption refrigeration; heat pump

2015-01-22

X706

B

1671-6795(2015)05-0063-03