铝电解槽侧部余热回收研究现状及工业化进展.pdf

轻金属 年第 期基金项目：河南省重大科技专项（）；河南省高等学校重点科研项目（）作者简介：曾昊（），男，江西瑞金人，硕士研究生，主要从事铝电解余热回收方向研究。：通讯作者：陈昱冉（），男，河南郑州人，讲师，主要从事铝冶炼新技术及资源循环利用研究。：收稿日期：铝电解槽侧部余热回收研究现状及工业化进展曾 昊，陈昱冉，卜祥宁，梁学民，何季麟（郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 ；中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 ）摘要：本文分析了铝电解槽散热特点，论述了侧部余热回收技术的问题及难点，并综述了国内外针对侧部余热技术的研究现状。同时，介绍了铝电解侧部余热回收的工业化发展的情况，最后探讨了铝电解侧部余热回收技术的发展方向。关键词：铝电解；余热回收；节能；工业化应用中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，：；年全球原铝产量 万吨，其中我国产量 万吨，约占全球总产量的 ，处于世界首位。传统霍尔 埃特工艺耗电量巨大，电解过程吨铝消耗约 的电能 ，其中将近一半的能量以热量的形式损失 。此外，火力发电消耗大量燃煤并排放 温室气体，造成生态破坏。尽管多余热能损失巨大，但由于电解铝厂余热回收技术及废热利用工艺的缺陷，导致目前电解铝生产过程余热回收的工业应用依然有限。本文介绍了我国铝电解槽侧部余热回收的研究现状及最新的工业化进展，旨在助力铝电解行业实现“碳达峰碳中和”的宏伟目标。铝电解槽侧部余热回收的特点铝电解槽的余热损失包括烟气余热和槽壳余热两部分 。铝电解槽各部分的散热比例由电解槽自身的结构决定。张亚楠等 根据家电解铝厂的测量情况分析，铝电解槽烟气、顶部、侧部和底部热量散失占比约为 、和 。侧部余热损失最为严重，按照 年中国原铝产量计算，铝电解槽因侧部余热未回收而损失 的电能，按当前电价折算年损失超百亿元，造成煤炭资源和经济资源的严重浪费。由于铝电解槽烟气温度较低，电解槽排烟温度约为 ，低温余热的回收技术复杂，并且热能回收空间有限 。相比烟气余热，铝电解槽侧部余热则通过侧壁以自然对流的形式扩散出来。铝电解槽侧壁构成主要包括保温砖、耐火砖、防渗料等。槽体内部热量透过多层侧壁传递，最终侧壁最外侧温度可达 左右 。较高的温度导致侧部余热的回收具有更高的利用上限和更好的应用前景。铝电解槽侧部余热回收利用技术的研发具有很高的经济价值和战略意义，也是响应国家节能减排号召的重要举措。铝电解槽侧部余热回收技术以现行电解槽槽体结构为基础进行研发，在铝电解槽侧壁中安装换热器，通过循环的换热介质将侧部的热量置换出来，从而实现热量的传递与运输 。在电解槽槽壁安装换热器会对槽体内部热场的分布产生较大影响。当侧壁进行换热时，侧壁温度因换热介质的流动而降 年第 期曾昊 等：铝电解槽侧部余热回收研究现状及工业化进展 低，产生的连锁反应不单会对槽内温度产生影响，同时也会对电解质结壳产生影响。电解槽内的结壳包括面壳、炉帮、伸腿和底壳。侧部余热的回收最直接影响槽体侧部炉帮以及伸腿的形成。炉帮和伸腿是熔融电解质在槽壳内壁冷凝析晶形成。铝电解槽内的这些结壳具有良好绝热和电绝缘性能，可以使炉膛保温同时防止漏电，获得较高的电流效率，保障槽体内电解反应的顺利进行 。对侧部余热进行回收，不但可以实现热能的高效利用，同时通过控制换热量可以优化侧部结壳的内形，使炉帮和伸腿的结构及形状趋于合理，促进铝电解槽的高效运行 。侧部余热回收技术国内外研究进展国外对于铝电解槽侧部余热回收技术的研究及开发起步较早，法国、挪威、澳大利亚等多家企业及科研机构都相继投入了大量研究，汇总结果见表 。随着国内电解铝行业的发展，同时响应国家与市场对于节能减排的要求，国内很多企业及科研机构也开始了对铝电解槽侧部余热回收技术的研究，汇总结果见表 。表 侧部余热回收的国外技术汇总时间机构技术特点换热介质余热回收效果技术优缺点参考文献 挪威埃尔特姆公司侧部安装多个蒸发冷却装置，主动冷却回收热能蒸发冷却介质为熔融钠、熔融钠锂合金或熔融锌回收的热能转化成电力的效率超过 优点：蒸发冷却换热效率高缺点：熔融介质的管控风险大 挪威海德鲁铝业公司冷却装置安置在电解槽槽壳内侧，对侧部散失热量进行回收空气、氮气或其他惰性气体；熔盐；导热油采用 的气流量时，气体热交换后温度可达 ，但整体换热量和单位面积换热量可大幅提升至 和 优点：换热装置布置在碳化硅层，换热量大缺点：易对电解槽能量平衡造成破坏 法国彼施涅公司通过向多孔材料层中引入气态换热介质回收侧部余热空气或金属蒸汽外部空气进入进气口的温度为 ，当气体流量为 时，出气口温度为 ，单位面积热交换量为 优点：外置多孔材料层，槽内部换热，换热效率高缺点：易对电解槽能量平衡造成破坏 澳大利亚必和必拓公司侧部内衬层安装多个热管换热器空气或液态介质高温换热介质用于电解原料氧化铝的预加热优点：余热可直接利用缺点：高温介质降温能力有限，换热较难调控 奥克兰大学轻金属研究中心壳式热交换器，通过气流变化和特殊的湍流促进剂，调节传热系数空气传热系数可控范围为 。在保温模式下，槽壳外侧平均温度提高可达 ；在冷却模式下，侧壁温度峰值可以降低 优点：槽壁外换热，可实现电解槽的冷却与保温缺点：空气介质换热效率有限 表 侧部余热回收的国内技术汇总时间机构技术特点换热介质余热回收效果技术优缺点参考文献 中南大学利用热声热机将侧部散热转换为声能氮气、氦气等惰性气体热声技术在回热器两端 温差的条件下热回收效率可达 。优点：热声技术可靠性高，结构简单，可以充分利用低品位热源缺点：热声技术对材料高度依赖，成本高 东北大学冷却装置安置在电解槽槽壳内侧，对侧部散失热量进行回收 的熔盐体系当熔盐流量为 ，余热回收功率均值为 ，余热回收效率为 。优点：换热温度高，余热利用应用范围广缺点：熔盐热导率、比热容低，易腐蚀泄漏 中南大学半导体余热温差发电无热电发电装置的温差可达 ，由 个电气装置组成的余热发电系统的输出功率为 优点：可直接以电能形式回收废热缺点：换热效率较低，通常在 以下 中南大学余热有机朗肯循环发电有机工质当控制冷凝压力 ，闪蒸器循环比为 ，发 电 量 达 到 最 大 值 为 。优点：可直接以电能形式回收废热缺点：热能回收效率不高，工质、汽轮机等成本高，维护难度大 轻金属 年第 期目前上述技术方案在实际应用过程中的施工改造难度大，成本高，安全系数低等问题，导致这些技术主要以实验室研究结果为主，并未广泛工业化推广。铝电解槽侧部余热回收的工业化应用 熔盐换热技术 年东北大学王兆文教授提出熔盐换热技术，并获得国家重大技术开发计划项目支持。通过在电解槽内部安装换热器，采用高温熔盐将电解槽侧部散热交换出来。通过对换热系统换热量的调控，可实现电解槽内部结壳，保持电解过程的高效运行。年王兆文教授成功应用熔盐热交换介质的技术在 铝电解槽上 。试验结果表明，铝电解槽可以在换热系统下正常运行，并且可以回收 的侧部余热。研究提出铝电解槽侧部余热作为氧化铝溶出过程热源的思想，将高温熔盐作为溶出工序的加热介质，合理利用铝电解槽侧部余热。目前熔盐换热技术在大型化电解槽上的应用未见报道，但未来仍具有一定的工业化前景。1234567891011121312345678910111213-?；-?；-?；-?；-?；-?；-?；-?；-?；-?；-?；-?；-?图 熔盐换热技术 余热温差发电技术 年中南大学黄学章等进行了铝电解槽侧部余热温差发电研究 。温差发电是基于塞贝克效应开发的发电技术，基本原理是通过两种电导体、半导体间的温度差以引起电压差的热点效应。温差发电系统由导热模块、温差发电模块、散热模块和电能引出与应用模块四部分组成。其中温差发电模块的材料为碲化铋为基体的三元固熔体合金。该技术在某 系列预焙铝电解槽开展工业化试验，在槽体上安装了 个冷却孔和 个热电转换装置。在实验条件下，每个器件的输出功率约为 。经计算，如果冷却孔数量增加到 个，在全开热电装置条件下，每个铝电解槽单位时间可回收 电能，侧面余热平均回收率约为 ，每吨铝可回收 电能。目前半导体温差发电技术的发电效率一般在 ，并且温差发电材料的成本高，工业化应用的普及仍需投入大量研究。图 余热温差发电技术现场图 热虹吸管技术 年挪威古德泰克 等提出一种基于热虹吸管技术的铝电解槽侧部余热回收装置 。如图所示，多个导热管道并联安装在槽壳外部，热交换介质采用食品级导热油，导热油的最佳温度范围为 。热交换装置是专门设计的外部绝缘的双相循环热交换器。目前，该技术在迪拜铝业的 台电解槽上稳定运行超过 年的时间 。导热油经侧部吸热后温度可上升至 ，回收了相当于输入能量 的热量。若将此技术推广至 台电解槽，能量回收的规模可达到 。热虹吸管技术在铝电解槽上的应用表现良好，大规模推广的关键点在于换热器结构的优化以及制造成本的降低。?4123?n21nn123321?-?1?图 热虹吸管技术 年第 期曾昊 等：铝电解槽侧部余热回收研究现状及工业化进展 技术 年新西兰奥克兰大学轻金属研究中心历经 年研究开发的 技术在德国 铝厂 台 工业电解槽上投入运行 。如图 所示，系统将多达 换热器安装在电解槽的侧部，并将它们连接到外部管道系统，每个换热器的气流可以通过使用一系列精确控制的抽风机来改变，这使得换热器可以根据不同的需要，或充当空调来冷却电解槽，或充当热毛毯来保持电解槽的温度。该系统可适应在电力供应大负荷波动条件下电解槽的稳定操作，成功地使电解铝工业成为“虚拟电池”，实现蓄能调峰幅度达到 。在标准电流正常运行时，安装了 的电解槽能耗降低了 ，电流效率提高了 。技术换热器可根据电解槽侧部结构进行定制设计，并且在安装改造过程中可以不中断生产。换热器采用空气介质，操作简便，同时可消除液体介质造成的爆炸危险，但空气介质相比液体介质换热效率有限。图 技术现场图 技术 年郑州大学梁学民等 突破铝电解槽热特性优化控制理论、槽体散热高效聚集及铝电解回收热能工业化应用等领域技术难题，开发了基于侧部散热量调节的铝电解“双端节能”工业系统（）。该系统通过在铝电解槽侧壁安装集热器，采用能量流调控将槽热特性（过热度）优化与最大限度的热聚集、利用相结合。集热器采用热管原理，导热介质为高品质有机油。使用工质相容性好无磁性不锈钢为基体，能在 以上，超临界温度以下的环境稳定运行。热管采用互通的多管微通道网络结构，换热效率高，运行安全稳定。目前，系统已河南中孚实业 台 电解槽上安全稳定运行超一年半的时间，节能效果显著，图 为该系统的现场图。年该成果被认定为“国际领先”技术。系统在 电解槽上降低槽电压 ，降低电解质过热度 ，并稳定控制在 ，电流效率提高 ，实现输入端节电 以上；输出端实现节能 以上；电解槽综合节能（热电合计）约 ，吨铝节能 ，折合 减排 以上。技术具备四大优势：通过过热度优化可降低槽电压，提高电流效率，实现输入端节能；电解槽热特性调节幅度大，对电解槽输入能量波动的调控能力可达 以上，可为电解铝柔性生产和蓄能调峰提供支撑；微通道集热系统废热回收效率高，利用渠道广，冬季可用于城市供暖，其他季节可用于发电；槽周配备温度检测系统，系统具备事故预警、调控和自动处理能力，可为电解铝安全生产提供保障。图 系统现场图 结 语目前，国内外针对侧部余热回收技术方法多样，采用惰性气体、导热油、熔盐等换热介质进行余热回收实验均取得了良好的实验结果。但整体低品位热能回收工艺尚不成熟，热能高效转换的研究不够充分，工业化推广有限。未来铝电解槽将向输入端工艺控制优化、输出端技术集成、智能一体化的方向发展，而铝电解槽侧部余热回收技术的完善将为铝电解槽的优化带来重要变革。铝电解槽侧部余热回收技术还存在一些问题和挑战。首先，需要完善基于铝电解槽结构的换热系统开发及设计问题。换热器结构与安装位置、换热介质筛选、换热介质的保温运输，换热系统参数优化、余热的转化与利用方向等问题都直接影响侧部余热回收效率。其次，需要解决侧部余热利用与铝电解体系平衡的参数优化及智能调控问题。侧部余热回收将影响炉腔内的温度分布，进而对铝电解体系造成影响。侧部余热回收的智能调控可以优化槽内的能量流平衡，但余热不当的回收将破坏铝电解体系的平衡，造成不必要的能量损失。最后，需要考虑工业应用问题及大型化后的风 轻金属 年第 期险管控问题。目前大量的研究是在实验室条件下进行，工业化应用仍存在较多问题。大型化应用后余热回收系统的管控措施需要完善，高温、熔盐导热油及热量输送长期运行过程中均存在一定安全隐患。合理解决这些问题及挑战是今后侧部余热回收技术研究的重要任务。参考文献：杨云博，董春明中国电解铝行业能源效率初步调查与分析 有色冶金节能，（）：王兆文，高炳亮，石忠宁，等铝电解槽余热回收利用的基础研究 材料与冶金学报，（）：杨健壮，李万利铝电解槽余热回收利用技术的研究 有色冶金节能，（）：张亚楠，刘秀，于强，等铝电解槽侧部余热回收利用技术研究现状及进展 轻金属，（）：马安君，李宝生，马海波，等铝电解低温余热利用分析 轻金属，（）：王超，薛向欣，陈广华，等余热回收型铝电解槽的研究 中国工程院化工、冶金与材料工学部第七届学术会议 刘业翔，李稢现代铝电解 北京：冶金工业出版社，马琼铝电解槽侧壁余热利用技术研究进展及应用情况 中国有色冶金，（）：，：，：，：黄谦，刘益才，张明研，等 铝电解槽余热利用现状及新方法的研究 年工程热力学与能源利用学术会议，：赵兴亮新型铝电解槽换热系统的研究 沈阳：东北大学，梁高卫基于热电转换的铝电解槽侧壁余热发电研究 长沙：中南大学，明勇，周乃君铝电解槽侧壁换热系统的仿真与应用 工程热物理学报，（）：黄学章，张承丽，陈岗，等铝电解槽侧壁余热温差发电的应用 电源技术，（）：徐冰铝电解槽壁余热温差发电的实验研究 长沙：中南大学，张韬铝电解槽侧壁散热温差发电装置设计与仿真优化 长沙：中南大学，：，（），：，：，：“”，：（责任编辑刘宝兰）书 讯 年度、年度 年度 轻金属 杂志合订本（年每期都有单行本，价格是全年 元，含邮费），分别收录了当年刊载的轻金属业界的新技术、新工艺及先进的生产管理方面的论文数百篇。主要内容包括轻金属原料矿山、氧化铝 氟化盐、电解铝、铝用炭素、镁 钛 工业硅、轻合金及其加工、轻金属材料等，还刊载了大量的国际、国内轻金属行业的技术信息。每年度合订本工本费 元 套，需要订阅的单位或个人请直接与 轻金属 编辑部联系。电话、传真：地 址：辽宁省沈阳市和平区和平北大街 号邮政编码：