氧化鋁蒸發工藝末效乏汽的余熱回收利用

賈章椿 陳茂波 毛 鵬

(中鋁山東工程技術有限公司,山東 淄博 255052)

0 前言

2016 年，國務院辦公廳下發了《國務院辦公廳轉發國務院國資委、財政部＜關于國有企業職工家屬區“三供一業”分離移交工作指導意見＞的通知》。遵行政府指導意見，徹底進行“三供一業”分離移交工作，成了國有企業當時的工作之重，其中供熱改造面臨的困難最為嚴峻。

某公司是以生產氧化鋁產品為主的特大型企業，其氧化鋁生產工藝過程共有8 組分解原液蒸發工序，每組末效蒸發器產生約20 t/h 的低溫乏汽。本文利用3 臺30 MW 汽冷型第一類吸收式溴化鋰熱泵回收其中3 組蒸發工序的乏汽余熱，并建設相應配套設施，將乏汽余熱作為職工家屬區供暖熱源，取代原有蒸汽熱源，滿足160 萬m2職工家屬區、周邊企業及鄉鎮的集中供暖需求，產生很好的社會效益和經濟效益。

利用低品位工業余熱資源取代部分燃煤鍋爐，可顯著提高工業企業的能源利用效率，大幅度削減冬季供暖的燃煤消耗，節能減排節水效果突出，并且緩解城鎮集中供暖熱源緊張現狀，解決民生問題。

1 乏汽余熱利用現狀及存在問題

在氧化鋁生產工藝流程中，多效蒸發由多級蒸發器串聯而成，60 ℃的氫氧化鋁分解原液與電廠供應的0.6 MPa 新蒸汽間接換熱[1]，到末效蒸發器后，產生50～60 ℃的飽和乏汽，乏汽管道真空度為90 kPa，由循環冷卻水捕集吸收乏汽。在大氣冷凝器中，乏汽和循環水直接接觸進行熱交換，循環水吸收乏汽的熱量，然后熱量通過冷卻塔散失到空氣中，部分乏汽形成的凝結水進入循環水。該項目利用的3 組蒸發器乏汽和循環水參數見表1。

表1 蒸發器乏汽和循環水參數表

通過大氣冷凝器利用循環水吸收乏汽的缺點是，乏汽的熱量和凝結水均得不到充分利用，而且采用冷卻塔降溫需要消耗大量循環水，循環泵和冷卻塔風機電耗高。

2 乏汽余熱回收技術方案

2.1 方案選擇

乏汽潛熱量較大，存在回收利用的價值。工業余熱利用方式可分為三類：一是余熱的直接熱交換利用，即實現供熱(利用余熱加熱)和冷卻(利用余熱制冷)；二是余熱的熱功轉換利用，即以余熱為高溫熱源加熱熱力循環工質，使其變為具有一定溫度和壓力的氣體，進入膨脹動力裝置對外作功，實現動力輸出；三是余熱的提質利用或綜合利用，即通過熱泵系統將余熱提升至要求的溫度后再進行供熱和冷卻，或與其他利用裝置相結合實現綜合利用[2]。對于大量200 ℃以下的低品位余熱資源一般采用第三種方式，即熱泵回收。

針對該項目氧化鋁蒸發器乏汽和循環水余熱回收應用供暖系統，提出四種工藝方案，其優缺點對比見表2。

表2 工藝方案對比表

通過以上對比分析，鑒于鋁行業蒸發循環水水質較差，余熱利用選擇方案1。

蒸發工藝末效蒸發器乏汽的余熱回收利用系統如圖1 所示，包括乏汽管道、熱泵機組、真空泵及凝結水回收系統、大氣冷凝器循環水系統。

圖1 余熱回收利用系統圖

2.2 熱泵機組選型

第一類吸收式熱泵利用生產工藝過程、生活中的余熱(廢熱)，加入少量熱源，即能獲得較高溫度的生產、生活用熱源[3]。

該項目選擇汽冷型第一類吸收式溴化鋰熱泵，其性能系數COP=1.7，即消耗1 份驅動熱源熱量，回收0.7 份乏汽余熱，為熱網提供1.7 份熱量。吸收式熱泵供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量，具有較顯著的節能優勢，其能量平衡原理如圖2 所示。

圖2 第一類吸收式熱泵能量平衡原理

根據采暖負荷的需求，配備3 臺吸收式熱泵，將其一對一布置在各蒸發工序裝置的旁邊，每臺吸收式熱泵供熱量為30 MW，余熱回收量12 354 kW。吸收式熱泵機組的設計數據見表3。

表3 吸收式熱泵機組設計數據表

2.3 蒸發乏汽的引出

對于汽冷型第一類吸收式溴化鋰熱泵，余熱熱源側乏汽的引出方式至關重要，必須在供熱負荷變化時與原冷卻系統協同調節運行而不影響氧化鋁的生產，還要在采暖季結束后恢復原有運行狀態，所以選擇了與原乏汽系統并列運行的方式，即在末效蒸發器至大氣冷凝器的乏汽管道上開口，接引DN1600的管道，將乏汽送至熱泵蒸發器入口。

2.4 蒸發循環水系統改造

當供熱負荷較大時，余熱盡可能被熱泵吸收利用[4]。由于熱泵將大部分乏汽抽走利用，進入原大氣冷凝器的乏汽量劇減，所以原大氣冷凝器所用的循環水量將大大減少，熱泵運行時必須相應降低循環水泵負荷。如果利用原循環水泵變頻調節，當循環水泵轉速降低時，壓力降幅比流量降幅大，會出現壓力不足的情況。為此，并聯一臺小流量、高揚程的變頻循環水泵。熱泵投入運行后，循環水泵切換至小水泵變頻運行，調節保持末效蒸發器的真空度不變，從而保證氧化鋁生產不會受到影響，同時達到循環水泵節電的效果。改造前蒸發器循環水系統如圖3 所示，改造后蒸發器循環水系統如圖4 所示。

圖3 改造前蒸發器循環水系統

圖4 改造后蒸發器循環水系統

2.5 供熱系統

余熱回收系統利用乏汽管道將末效蒸發器出口的乏汽引入熱泵機組蒸發器，乏汽在熱泵機組內放出熱量后形成凝結水，凝結水通過凝結水泵輸送至工藝流程回收利用，熱泵機組外設真空泵，以排除乏汽管道中的不凝氣體。熱網循環水回水入熱泵吸收器、冷凝器，溫度由50 ℃提高至85 ℃，供職工家屬區采暖，供暖系統如圖5 所示。

圖5 余熱回收利用供暖系統圖

2.6 余熱回收利用系統的運行調節

如果大氣冷凝器循環水參數無法保證，將嚴重影響蒸發器設備的真空度，直接影響蒸汽量，增加汽耗[5]。因此，余熱回收利用系統運行調節的重點工作是保持末效蒸發器的真空度穩定。

蒸發器正常生產過程中，當余熱回收利用系統投入運行時，開啟熱泵側真空泵抽真空；當乏汽電動真空蝶閥后的乏汽管道真空度與末效蒸發器真空度接近時，開啟乏汽電動真空蝶閥，接著開啟熱泵機組；熱泵機組負荷逐漸增加，乏汽的熱量被吸收利用，同時大氣冷凝器的循環水量逐漸減小，以保持末效蒸發器乏汽管道真空度為90 kPa，保證工藝生產正常穩定。當余熱回收利用系統需要停運時，逐漸減少熱泵機組負荷，以逐漸減少利用的乏汽量，同時逐漸增大大氣冷凝器的循環水量，保持末效蒸發器乏汽管道的真空度，保證工藝生產正常穩定。當余熱回收利用系統出現故障時，關閉乏汽管道的電動真空蝶閥，生產不會受到影響。當蒸發器工藝設備檢修或生產出現故障時，關閉乏汽管道的電動真空蝶閥，避免余熱回收利用系統遭受損失。

3 運行效果

項目投運以來，將氧化鋁蒸發工藝末效蒸發器乏汽的廢熱回收用于供暖，供熱范圍內的供暖效果得到明顯改善，供暖系統運行穩定。經統計，每小時可回收乏汽42 t，每年供暖季按照120 d 計算，回收的乏汽量為120 ×24 ×42=120 960 t；根據乏汽比焓為2 580 kJ/kg，新蒸汽比焓為2 840 kJ/kg，折算出新蒸汽量為109 886 t/a；按照新蒸汽價格110 元/t 計算，可節約成本109 886×110/10 000=1 208.74 萬元。項目年增加折舊費79.33 萬元，則綜合節約成本為1 208.74 -79.33=1 129.41 萬元/a。

同時，項目提供集中供暖熱源，有效替代城市小鍋爐燃煤供熱，大大減少了大氣污染物排放。經統計和計算，SO2減排量為5.08 t/a，NOx減排量為7.26 t/a，煙塵減排量為0.73 t/a。

4 結束語

工業生產中，蒸發工序末效蒸發器的乏汽大多采用循環冷卻水捕集，然后作為廢熱散失，循環冷卻水系統耗能且占地面積大。本文采用汽冷型第一類吸收式溴化鋰熱泵回收乏汽的廢熱并將其用于采暖，這種方法首次在鋁行業蒸發工序成功應用，效果良好，達到了節能減排的目的，具有很高的推廣價值。下一步將針對該供暖系統進行優化設計，提高供暖系統的自動化水平，同時深入研究非供暖季的廢熱回收利用。