1 引言
為了應(yīng)對氣候變化，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)，更重要的是可以為企業(yè)降低運(yùn)營成本，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)的綠色競爭力。
鋁冶煉和加工行業(yè)作為典型的高能耗行業(yè)，在節(jié)能減排方面潛力巨大。余熱回收利用是鋁冶煉和加工行業(yè)節(jié)約和高效實(shí)用能源的重要方式。在鋁冶煉和加工過程中，需要廣泛大量使用熱能。為了提高熱能利用總體效率，除了要提高直接利用效率，對余熱進(jìn)行回收、實(shí)現(xiàn)梯級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)，可有效擴(kuò)大余熱回收利用空間，提高余熱回收利用的效果和效率，實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
2 余熱來源
鋁冶煉和加工過程中，大量余熱未經(jīng)合理利用，造成巨大的熱量損失。典型的包括電解鋁煙氣余熱和鋁熔鑄、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，鋁液通過真空抬包從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車間，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。
鋁在加工過程中，鋁合金的熔煉和鑄造生產(chǎn)過程中的熔煉、靜置、均熱過程，鋁合金擠壓生產(chǎn)過程中的鑄錠、模具加熱，時(shí)效處理和淬火處理過程，鋁表面處理中的清洗、烘干、固化等過程中均涉及到熱能的高效利用問題，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)，是主要的熱量損失途徑，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)工廠其他余熱排放場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，表面處理線車間空調(diào)換氣余熱等。鍋爐煙氣余熱與鋁冶煉和加工過程排放的煙氣類似，煙氣溫度較高，具有較好的利用價(jià)值。除了煙氣余熱，以氣體介質(zhì)排放的余熱還包括車間空調(diào)換氣余熱等?？照{(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，表面處理線熱水洗槽排放水余熱等也具有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。
3 余熱利用
從上述余熱來源可以看出，鋁冶煉和加工中的余熱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，自身無法回收利用時(shí)才用于其他場合。再次，余熱回收利用的原則是“梯級利用，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)，使得本身品味不高的余熱，在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)。
3.1熱管換熱器技術(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。熱管換熱器由熱管組成，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：
a、熱管換熱設(shè)備較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠，可長期連續(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的兩側(cè)流過，如管壁或器壁有泄漏，則將造成停產(chǎn)損失，甚至安全事故。由熱管組成的換熱設(shè)備，則是二次間壁換熱，即熱流要通過熱管的蒸發(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。
b、熱管管壁的溫度可調(diào)性
熱管管壁的溫度可以調(diào)節(jié)，在低溫余熱回收或熱交換中是相當(dāng)重要的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^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，保證設(shè)備的長期運(yùn)行。由于能調(diào)整管壁溫度不僅能防止煙氣結(jié)露，而且也避免了煙灰在管壁上的粘結(jié)，保證設(shè)備長期運(yùn)行，并提高了設(shè)備效率。
c、冷、熱段結(jié)構(gòu)和位置布置靈活
由熱管組成的換熱設(shè)備的受熱部分和放熱部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和位置布置非常靈活，可設(shè)計(jì)為分離式形式，適應(yīng)于各種復(fù)雜的場合。由于結(jié)構(gòu)緊湊占地空間小，因此特別適合于工程改造及地面空間狹小和設(shè)備擁擠的場合，且維修工作量少。
d、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．為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無需外加動(dòng)力。
由于熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單，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、鋁加工的多個(gè)場合均可獲得應(yīng)用，并比常規(guī)的間壁換熱具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢和性價(jià)比。機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)“機(jī)械工業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定”中提到：工業(yè)爐窯排煙溫度為400℃以下時(shí)，宜采用熱管換熱器。尤其是在設(shè)備改造和安全要求較高場合，由于熱管換熱器可設(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，由此可較大擴(kuò)展余熱利用的場合。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，還可以配置熱管熱水器、熱管余熱鍋爐等生產(chǎn)熱水和蒸汽，用作其他生產(chǎn)工藝應(yīng)用或生活用熱使用。
3.2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：
a、可直接利用熱源，耗電極少
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%，在電力供應(yīng)緊張形勢下，可為工廠能源配置提供更多選擇。
b、可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，可利用低壓蒸汽、熱水，甚至廢汽、余熱、太陽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。
c、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)?。煌瑫r(shí)，制冷機(jī)在真空狀態(tài)下運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，安裝方便。
由于吸收式制冷技術(shù)可利用余熱制冷用于工藝需要和空調(diào)需要，因此以其特有的優(yōu)勢受到廣泛的關(guān)注。鋁冶煉和鋁加工行業(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)。
3.3熱泵技術(shù)
熱泵技術(shù)通過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)的電加熱相比，熱泵的產(chǎn)熱效率是電加熱的3到4倍，因此可起到利用余熱大量節(jié)約用電的效果。
目前，國內(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)中熱泵技術(shù)尚未得到很好應(yīng)用，主要原因是對生產(chǎn)工藝中的熱能需要不了解以及對熱泵技術(shù)掌握不深有關(guān)。
用低品位余熱（煙氣或水）作為熱源，利用熱泵技術(shù)要很好解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，包括工質(zhì)和壓縮機(jī)的選用，從而使得壓縮機(jī)在合適的壓縮比下經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行，并且綜合考慮熱源和用熱情況，實(shí)現(xiàn)工藝要求。在常規(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)的排風(fēng)和新風(fēng)熱交換以回收余熱，由于僅在冬季較少天數(shù)可獲得經(jīng)濟(jì)性的傳熱溫差，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。在實(shí)現(xiàn)高溫應(yīng)用方面，可以直接回收利用20~55度的低品位余熱資源，制出65~95度熱水或熱風(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。
4 經(jīng)濟(jì)效益分析
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，余熱利用的關(guān)鍵是業(yè)主對這種潛在經(jīng)濟(jì)效益的認(rèn)識(shí)和供應(yīng)商可提供技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上劃算的解決方案。以廣州尚水環(huán)保節(jié)能科技有限公司承接某鋁業(yè)公司電解槽煙氣余熱利用項(xiàng)目為例，項(xiàng)目首先在技術(shù)上解決了可行問題，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。通過對本項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際測算，三個(gè)月內(nèi)累計(jì)節(jié)約熱能26萬kWh，節(jié)能效果顯著，投資回收期僅有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。
5 結(jié)論
以為用戶獲得滿意的投資收益為目的，通過為用戶提供余熱利用方案并成功實(shí)施，對鋁冶煉和加工行業(yè)低溫余熱回收利用的應(yīng)用場合進(jìn)行多項(xiàng)研究，并不斷探索采用適用的技術(shù)應(yīng)對不同的余熱利用要求，以超出用戶預(yù)期。實(shí)踐表明，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，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。
