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铝冶炼(电解铝)余热利用技术探索

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2024-08-01 09:01:13
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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。


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(电解铝)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。


结语


综上所述,传统的铝冶炼工作中会产生大量的能源,若不能对这些能源进行有效的利用不仅会造成资源能源的浪费,还会产生巨大的经济损失。因此,工作人员要重点研究铝冶炼余热回收利用实践,直接回收利用高品质的余热,采取相关技术回收利用品质较低的低温余热,根据不同的余热品质选择不同的回收利用方式,最大限度地减少能源资源的浪费,获取最大化的经济效益。


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