電解鋁煙氣余熱利用項目技術經濟分析

摘要：目前，電解鋁生產工藝采用炭陽極生產熔融鋁時，能量的有效利用率偏低，大量熱能轉換為槽體散熱和煙氣顯熱，因此電解鋁煙氣余熱利用意義重大。結合電解鋁煙氣余熱利用現狀，論述余熱利用方案考慮的重點，探討典型項目余熱利用方案，分析經濟效益。技術經濟分析結果表明，電解鋁煙氣余熱作為熱源替代蒸汽，屬于一種低碳節能方案，符合國家產業政策要求，可以提高能源利用效率，降低企業運行成本。

關鍵詞：電解鋁；煙氣；余熱利用；技術經濟分析

中圖分類號：X758；TF821 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0333

Techno-economic analysis of waste heat utilization project for electrolytic aluminum flue gas

QIN Xueshen， CAO Jingjing

（Northeastern University Engineering amp; Research Institute Co.， Ltd.， Shenyang 110166， China）

Abstract： At present， when using carbon anodes to produce molten aluminum in the production process of electrolytic aluminum， the effective utilization rate of energy is low， and a large amount of thermal energy is converted into tank heat dissipation and flue gas sensible heat， therefore， the utilization of waste heat from electrolytic aluminum flue gas is of great significance. Based on the current situation of waste heat utilization in electrolytic aluminum flue gas， the key considerations are discussed for waste heat utilization schemes， the typical project waste heat utilization schemes are explored， and the economic benefits are analyzed. The results of techno-economic analysis indicate that using the waste heat from electrolytic aluminum flue gas as a heat source to replace steam is a low-carbon and energy-saving solution that meets the requirements of national industrial policies， which can improve energy utilization efficiency and reduce operating costs for enterprises.

Keywords： electrolytic aluminum; flue gas; waste heat utilization; techno-economic analysis

當下，人類面臨全球氣候變暖的問題，世界各國以全球協約的方式減排溫室氣體，2020年9月，我國宣布2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。2023年，我國電解鋁產量約為4 159.4萬t，占全球產量的60%左右。作為傳統的能耗大戶，電解鋁行業用電量占全國用電量的6.7%，未來，節能降碳必將是該行業的工作重點，其主要有3種節能降碳方法[1]。一是優化能源結構，完善產業布局。應提高鋁行業清潔能源使用比例，大力發展配套水電、風電和太陽能發電工程，或將產能向清潔能源富集地區轉移。二是開發應用綠色低碳或零碳排放技術。三是加強技術創新，持續開發超低耗電量電解槽及煙氣余熱回收等技術。

目前，電解鋁生產工藝主要采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，即熔融的氧化鋁在直流電的作用下還原出液態金屬鋁，陽極氧化后排出CO2和CO等氣體。采用炭陽極生產熔融鋁，當電流效率為94%時，每噸鋁電解的理論電能消耗為6 410 kW·h[2]，實際生產電能消耗約為13 500 kW·h，能量的有效利用率約為47.5%，其余大部分熱能轉換為槽體散熱和煙氣顯熱。目前，主流電解槽的電流強度為400、500 kA和600 kA，單槽典型煙氣量分別為9 500、10 500 Nm3/h和11 500 Nm3/h。

煙氣溫度取120 ℃，室外平均溫度取15 ℃，則電解鋁煙氣顯熱占電解槽電耗熱能的17%～21%，故開展電解鋁煙氣余熱利用。

1 電解鋁煙氣余熱利用現狀

根據溫度，工業煙氣余熱可分為3類，即高溫余熱（大于650 ℃）、中溫余熱（230～650 ℃）和低溫余熱（小于230 ℃）[3]。電解鋁煙氣為低溫余熱，應用受限。目前，國內電解鋁煙氣余熱可應用于生活熱水制備、采暖和發電等。

1.1 制備生活和采暖熱水

利用電解鋁煙氣余熱制備生活和采暖熱水的技術非常成熟，這種方式在多家企業使用，但由于煙氣余熱量大，僅給廠區供熱水無法充分消納這部分余熱資源[4]。因廠區各建筑物有冬季采暖需求，北方電解鋁企業采用電解鋁煙氣余熱作為熱源替代蒸汽，低碳環保。

1.2 有機朗肯循環發電

柯文[5]采用熱工理論計算方法，結合實例，指出利用電解鋁煙氣余熱進行有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）發電，系統額定功率為600 kW時，循環效率為7.5%。2024年10月8日，中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司和包頭鋁業（集團）有限責任公司共同承擔的鋁電解槽煙氣余熱發電技術研發項目完成工業試驗系統的聯調聯試，成功并網發電。但是，ORC方案電能轉化效率低，只能回收煙氣中高溫段余熱，實際應用案例很少。

1.3 其他用途

四川啟明星鋁業有限責任公司將電解鋁煙氣余熱用于市政污泥的低溫干化[6]，將污泥含水率從80%降至30%以下，已投運產能為150 t/d，僅用6臺電解槽的煙氣余熱，且為個例，推廣價值不高。

2 余熱利用方案考慮的重點

電解鋁煙氣用于制備生活和采暖熱水的適用性更廣，余熱利用方案必須明確技術重點。

2.1 企業區位和城區距離

位于采暖區的電解鋁產能約為3 000萬t，占總產能的60%以上，主要集中在新疆維吾爾自治區、內蒙古自治區、青海省、甘肅省、寧夏回族自治區、陜西省、河南省和山東省，即上述地區均有熱需求，不同地區的室外溫度不同，采暖時長也不相同。因電解鋁廠煙氣余熱量遠大于自身熱需求，鋁廠一般遠離城市居民區，故給城市供暖的案例很少，且水溫偏低，長距離輸送經濟性差，這也限制余熱利用的推廣。

2.2 匹配恒定煙氣與非恒定用戶關系

電解鋁煙氣為穩定熱源，全年幾乎不變。洗浴和采暖熱用戶為波動負荷，洗浴需求與班組工作制度有關，整個采暖季的采暖負荷都是變化的。如何平衡熱源和用戶是余熱利用方案的重點。例如，生活熱水可采用連續制水，設置大容積熱水箱來緩沖調節用水需求；采暖可設置多組余熱回收器+水系統變頻方案，可根據室外溫度變化，調整余熱回收器開啟數量和循環水量。

2.3 重視煙氣側阻力損失

煙道上增加余熱回收器，會增加煙氣側阻力，理論上會增加風機電能消耗，此部分能耗不能忽略。在非采暖季節，應通過設置旁通煙道或可抽芯式余熱回收器，使得煙氣不流經換熱盤管，避免整加煙氣側阻力。開發低阻力余熱回收器也有很大的經濟效益。

2.4 熱水溫度對采暖效果的影響

回收電解鋁煙氣余熱制備的熱水溫度和煙氣與環境溫度有關，熱水溫度通常為70～90 ℃，冬季典型采暖供回水溫度為80 ℃和60 ℃。對于新建工程，采暖散熱器按此溫度計算選型，室內采暖效果可滿足需求。對于技改項目，原采暖供回水設計溫度一般為95 ℃和70 ℃，冬季最冷幾天存在室內溫度偏低的可能性。以散熱器為例，室內設計溫度取18 ℃，與供回水溫度分別為95 ℃、70 ℃的條件相比，供回水溫度分別為80 ℃和60 ℃時，散熱器的散熱量會降低24%，針對這種情況，各建筑物需要整加散熱器數量。

3 典型項目余熱利用方案

項目位于內蒙古自治區通遼市，地處典型的溫帶季風氣候區，冬季漫長寒冷，夏季短促涼爽。建設規模為年產40萬t電解鋁，方案采用400 kA鋁電解槽技術，分為4個工區，單區煙氣量為87.4萬Nm3/h。

項目采暖面積約為25萬m2，員工有600人，原方案采用蒸汽換熱制備采暖和生活用水。供暖室外計算溫度為-23 ℃，供暖期為163 d，采暖熱指標取65 W/m2，采暖負荷為16 250 kW。生活熱水用水指標取100 L/人，每天按24 h連續制取生活熱水，用熱水箱存儲，集中使用時間取3 h。生活冷水水溫取5 ℃，加熱后熱水溫度取40 ℃，生活熱水負荷為102 kW。經合計，用熱總負荷為16 352 kW。

3.1 工藝流程及主要設備

項目利用3個工區的電解鋁煙氣余熱，共設置6臺煙氣余熱回收器，水泵和水箱等附屬設備集中設置在電解車間凈化區，建設1座余熱回收輔機房（含配電室），所有新增管道均保溫和架空敷設。一是采暖系統工藝流程。全廠采暖回水匯總后，由采暖循環泵加壓送至煙氣余熱回收器回收余熱，升溫后的采暖熱水外供給全廠各采暖建筑物，采暖系統還設置補水定壓設備（軟水器、補水箱和采暖補水泵）。二是生活熱水系統工藝流程。生活新水先補入生活冷水箱，之后由生活冷水供應泵加壓送至煙氣余熱回收器回收余熱，升溫后的熱水進入生活熱水箱儲存，之后根據熱用戶的用水需求，開啟生活熱水供應泵為熱用戶供應熱水。

采暖季，可根據室外氣溫的變化，調整電解鋁煙氣余熱回收器的使用數量，最多使用6臺。非采暖季節，全廠只有生活熱水用熱，而且用熱量很少，僅需要開啟1臺電解鋁煙氣余熱回收器的部分盤管即可滿足使用需求。項目主要配備6種設備。煙氣余熱回收器有6臺（其中1臺為采暖和生活熱水共用），采暖循環泵有3臺（2用1備），生活熱水箱有1臺，生活冷水箱有1臺，生活冷水供應泵有2臺（1用1備），生活熱水供水泵有3臺（2用1備）。

3.2 余熱回收器簡介

電解鋁煙氣余熱回收器采用間接換熱方式，余熱回收器與煙道法蘭連接，作為煙道的一部分，煙氣進入余熱回收器后，與其橫向錯列布置的換熱管進行熱交換，將熱量傳遞給管內的水，降溫后的煙氣排出。余熱回收器由支架平臺、殼體、換熱盤管、煙氣接口、水接口、排灰口、吹灰器、煙氣進出口壓差計、煙氣和水進出口溫度計以及成套配電控制柜等組成。余熱回收器的換熱量為3 340 kW，煙氣量為437 000 Nm3/h，煙氣側阻力壓強不大于300 Pa，煙氣側溫降為20 ℃，水側溫升為20 ℃。余熱回收器設置內部盤管抽出裝置和平臺，不使用時可將內部盤管抽出，降低煙氣側阻力損失，故不另外設置旁通煙道。

4 經濟效益分析

4.1 余熱年回收量

經計算，全年生活熱水用熱量為3.2×109 kJ/h。

采暖設計總負荷為16 250 kW，采暖季的采暖平均負荷取設計總負荷的60%。全年采暖用熱量為137.3×109 kJ/h。全年余熱回收量為140.5×109 kJ/h，折算成蒸汽量，相當于55 760 t蒸汽。

4.2 投資、成本及收益

經計算，項目建設投資為1 985萬元，其中，建筑工程費為140萬元，設備購置費為920萬元，安裝工程費為850萬元，工程建設其他費為75萬元。與外購蒸汽方案相比，本項目為原有采暖和生活熱水系統的熱源替換，即水系統的用電、用水以及人工成本基本相同；煙道上整加煙氣余熱回收器后，煙氣阻力壓強增加約300 Pa，理論上增加風機電能消耗，約為450 kW，電價按0.45元/（kW·h）計算，采暖季使用率取60%，總運行成本增加47.5萬元。與外購蒸汽方案相比，每年可節省蒸汽量55 760 t，按蒸汽價格160元/t計，全年節約費用892萬元。

經計算，本項目年凈效益為844.5萬元，即為企業每年節省844.5萬元成本。本項目建設投資為1 985萬元，靜態投資回收期約為2.4年。

5 結論

經電解鋁煙氣余熱利用現狀分析，利用煙氣余熱制備生活和采暖熱水的適用性廣。結合典型工程，對工藝方案、設備選型和效益分析等方面進行詳細分析。結果表明，采用電解鋁煙氣余熱作為熱源替代蒸汽，低碳節能，經濟性好。

參考文獻

1 張海龍.電解鋁工業減污降碳及超低排放技術[J].世界有色金屬，2022（11）：1-3.

2 靳宏臣.大型預焙陽極鋁電解槽節能技術應用研究[D].沈陽：東北大學，2015.

3 趙欽新，周屈蘭，譚厚章，等.余熱鍋爐研究及計算[M].北京：中國標準出版社，2010.

4 王海濤，夏云鎮，謝清申.回收鋁電解鋁煙氣余熱用于廠區冬季采暖的可行性分析[J].世界有色金屬，2023（10）：196-198.

5 柯 文.基于有機朗肯循環的鋁電解槽煙氣余熱發電技術研究[D].長沙：中南大學，2009.

6 呂開雷，楊 淘，陳紫君，等.電解鋁煙氣余熱低溫干化處理市政污泥工程應用[J].中國給水排水，2021（12）：120-123.

作者簡介：秦學深（1982—），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，高級工程師。研究方向：鋁行業節能環保。