铝冶炼和加工行业低温余热回收利用

本文结合工程实践，介绍铝冶炼和加工行业低温余热回收利用的应用场合，低温余热回收利用的途径和技术，并结合实例进行效益分析，指出铝冶炼和加工行业的热力系统存在巨大的节能潜力，采用合适的技术进行系统优化设计，可为企业创造可观的经济效益。

（河南某铝业集团退火炉余热利用项目）

1、 引言

为了应对气候变化，节能减排已成为全球共识。节能减排在创造社会效益的同时，更重要的是可以为企业降低运营成本，创造可观的经济效益，提高企业的绿色竞争力。

铝冶炼和加工行业作为典型的高能耗行业，在节能减排方面潜力巨大。余热回收利用是铝冶炼和加工行业节约和高效实用能源的重要方式。在铝冶炼和加工过程中，需要广泛大量使用热能。为了提高热能利用总体效率，除了要提高直接利用效率，对余热进行回收、实现梯级利用也是非常重要的途径。合理设计热能利用途径，应用换热和热能转换新技术，可有效扩大余热回收利用空间，提高余热回收利用的效果和效率，实现可观的经济效益。

2、 余热来源

铝冶炼和加工过程中，大量余热未经合理利用，造成巨大的热量损失。典型的包括电解铝烟气余热和铝熔铸、加热和时效处理时排放的烟气余热。

现代铝工业生产采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘。阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯、型材等。以某型号电解槽为例，单槽平均烟气量约为10000m3/h，电解槽烟气在与空气混合后温度约为110~130℃，电解车间往往由几十、上百台电解槽组成，电解烟气余热利用的潜力非常巨大。

铝在加工过程中，铝合金的熔炼和铸造生产过程中的熔炼、静置、均热过程，铝合金挤压生产过程中的铸锭、模具加热，时效处理和淬火处理过程，铝表面处理中的清洗、烘干、固化等过程中均涉及到热能的高效利用问题，具有较大的节能空间。尤其是各种加热炉的烟气具有温度高、排量大的特点，是主要的热量损失途径，应作为余热回收利用的重点。以某熔炼炉为例，在总的热量消耗中，只有约25%的热量被铝液带走，而排烟热损失则高达总热量的42%。同时各加热炉的炉温较高，利用价值高。以熔炼炉为例，在未进行热回收利用时，烟气温度可达1000℃以上。即使采用了回收装置，最终烟气温度也达150℃以上，具有继续利用的价值。

除了上述余热外，铝行业工厂其他余热排放场合还包括锅炉烟气余热，锅炉凝结水余热，表面处理线热水洗槽排放水余热，表面处理线车间空调换气余热等。锅炉烟气余热与铝冶炼和加工过程排放的烟气类似，烟气温度较高，具有较好的利用价值。除了烟气余热，以气体介质排放的余热还包括车间空调换气余热等。空调排气余热虽然温度较低，但由于连续运行、排放量大，也具有较大回用价值。以水为介质排放的余热虽然排放量较小，但由于水的比热容远大于空气，换热性能也优于空气，使得锅炉凝结水余热，表面处理线热水洗槽排放水余热等也具有经济利用价值。

3 、余热利用

从上述余热来源可以看出，铝冶炼和加工中的余热大部分为中低温余热。但是只要合理设计余热利用途径，选用合适的换热和热能转换方式，可使余热利用投资获得良好的经济回报。在余热利用上，首先要考虑提高炉窑的热效率，尽量减少余热产出。同时，提高隔热、绝热、保温性能，防止泄漏，减少无组织的耗散，从而在保证工艺要求的前提下，减少能源消耗，提高烟气余热质量，为余热利用提供较好基础。其次，要尽量直接利用余热，即首先将余热用于炉窑自身的助燃空气、燃料和工件、物料的预热或加热，自身无法回收利用时才用于其他场合。再次，余热回收利用的原则是“梯级利用，高质高用”，优先把高品位余热用于做功或发电，低温余热用于生产用低温场合以及空调、采暖等工厂和生活用热。最后，要关注低温余热的利用，采用合适的余热利用技术，使得本身品味不高的余热，在一次利用后的低品位余热仍具有回收利用价值，可考虑继续回收利用。

（山东某轮毂企业熔铝炉余热利用项目）

在中低温余热应用方面，可采用多种余热利用技术继续发挥余热回收效益，包括热管换热技术、余热制冷和热泵技术。

3.1、热管换热器技术

热管换热器是一种不同于普通换热器的高效热交换设备。热管换热器由热管组成，其原理是利用工质相变进行换热和热量传递，由于工质相变的剧烈沸腾作用和两相间巨大的焓差，因此热管换热器的转热效率和热量交换量远高于单相温差换热。由于采用热媒工质传递热量，换热介质之间可以相互分离，因此具有独特安全特性。热管换热器的特点包括：

a、热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行

常规换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄漏，则将造成停产损失，甚至安全事故。由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。

b、热管管壁的温度可调性

热管管壁的温度可以调节，在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。由于能调整管壁温度不仅能防止烟气结露，而且也避免了烟灰在管壁上的粘结，保证设备长期运行，并提高了设备效率。

c、冷、热段结构和位置布置灵活

由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置布置非常灵活，可设计为分离式形式，适应于各种复杂的场合。由于结构紧凑占地空间小，因此特别适合于工程改造及地面空间狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量少。

d、热管换热设备效率高，节能效果显著

热管的相当导热系数可达105W/m.℃的数量级，为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。

由于热管换热器具有结构简单，换热效率高，阻力小，布置灵活，安全性高的特点，因此在铝冶炼、铝加工的多个场合均可获得应用，并比常规的间壁换热具有较大的应用优势和性价比。机械工业部标准“机械工业节能设计技术规定”中提到：工业炉窑排烟温度为400℃以下时，宜采用热管换热器。尤其是在设备改造和安全要求较高场合，由于热管换热器可设计成分离式结构，因此可根据炉窑现状灵活布置吸热部分和放热部分，并提供安全隔离，由此可较大扩展余热利用的场合。在实际应用中，可根据窑炉烟气排放特点，与热管换热器进行多种组合，除了直接用于空气余热外，还可以配置热管热水器、热管余热锅炉等生产热水和蒸汽，用作其他生产工艺应用或生活用热使用。

3.2、吸收式制冷技术

吸收式制冷以热能为驱动能源实现制冷。其特点包括：

a、 可直接利用热源，耗电极少

吸收式制冷机组用电只相当于同容量离心式机的2%-9%，在电力供应紧张形势下，可为工厂能源配置提供更多选择。

b、可利用低品位余热同时实现制冷和制热

吸收式制冷机组除了利用锅炉蒸汽、燃料产生的热能外，可利用低压蒸汽、热水，甚至废汽、余热、太阳能等低品位热能在同一机组中实现制冷和制热，有效扩大了余热应用范围。

c、安全可靠

吸收式制冷设备除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小；同时，制冷机在真空状态下运行，结构简单，安全可靠，安装方便。

由于吸收式制冷技术可利用余热制冷用于工艺需要和空调需要，因此以其特有的优势受到广泛的关注。铝冶炼和铝加工行业具有较多的余热资源，而同时又在制冷和空调上有较大需求，包括表面处理车间的氧化槽温度控制、工艺空调送风，办公、厂房、生活区空调等，吸收式制冷技术在这些场合可充分利用余热，节约制冷用电，具有较好的投资回报。

3.3、热泵技术

热泵技术通过电力做功将低品位热能转变为可用的高品位热能，从而以消耗较小的电力为代价获得大量的可用热能。在合理设计前提下，热泵的能效比可达到3-4，即与常规的电加热相比，热泵的产热效率是电加热的3到4倍，因此可起到利用余热大量节约用电的效果。

目前，国内热泵技术在生活供暖方面得到广泛应用，包括空气源、水源和地源热泵的应用等。但在工业生产中热泵技术尚未得到很好应用，主要原因是对生产工艺中的热能需要不了解以及对热泵技术掌握不深有关。

用低品位余热（烟气或水）作为热源，利用热泵技术要很好解决系统设计问题，包括工质和压缩机的选用，从而使得压缩机在合适的压缩比下经济可靠运行，并且综合考虑热源和用热情况，实现工艺要求。在常规热泵的工艺应用方面，以铝行业喷漆房空调为例，如采用常规的排风和新风热交换以回收余热，由于仅在冬季较少天数可获得经济性的传热温差，因此余热回收利用意义不大。但如采用热泵技术，则可有效提高两侧传热温差，同时吸热端和放热端可灵活分离设置，可极大提高余热回收利用的时间和效果，大大减少空调热能损耗。在实现高温应用方面，可以直接回收利用20~55度的低品位余热资源，制出65~95度热水或热风，用于表面处理生产线的脱脂、封孔、热水洗以及烘干等工艺环节，从而用较小代价利用了低品位余热。

4 、经济效益分析

铝冶炼和加工行业的热力系统存在巨大的节能潜力，余热利用的关键是业主对这种潜在经济效益的认识和供应商可提供技术上可行、经济上划算的解决方案。以某铝业公司电解槽烟气余热利用项目为例，项目首先在技术上解决了可行问题，使电解槽烟气余热的安全利用成为可能；在此基础上通过优化系统设计，严格保证设备质量，使得项目获得圆满成功。通过对本项目系统运行实际测算，三个月内累计节约热能26万kWh，节能效果显著，投资回收期仅有2年，利用三等余热资源实现了一等余热资源的投资收益。

5 、结论

实践表明，铝冶炼和加工行业的热力系统存在巨大的节能潜力，不仅在高品质余热的回收利用上，在低温余热回收利用上，只要因地制宜，选择合适的工艺方案，也可为用户创造可观的经济效益。