賈章椿 陳茂波 毛 鵬

(中鋁山東工程技術(shù)有限公司,山東 淄博 255052)

0 前言

2016 年，國務(wù)院辦公廳下發(fā)了《國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)國務(wù)院國資委、財(cái)政部＜關(guān)于國有企業(yè)職工家屬區(qū)“三供一業(yè)”分離移交工作指導(dǎo)意見＞的通知》。遵行政府指導(dǎo)意見，徹底進(jìn)行“三供一業(yè)”分離移交工作，成了國有企業(yè)當(dāng)時(shí)的工作之重，其中供熱改造面臨的困難最為嚴(yán)峻。

某公司是以生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)品為主的特大型企業(yè)，其氧化鋁生產(chǎn)工藝過程共有8 組分解原液蒸發(fā)工序，每組末效蒸發(fā)器產(chǎn)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(fā)工序的乏汽余熱，并建設(shè)相應(yīng)配套設(shè)施，將乏汽余熱作為職工家屬區(qū)供暖熱源，取代原有蒸汽熱源，滿足160 萬m2職工家屬區(qū)、周邊企業(yè)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的集中供暖需求，產(chǎn)生很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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

1 乏汽余熱利用現(xiàn)狀及存在問題

在氧化鋁生產(chǎn)工藝流程中，多效蒸發(fā)由多級蒸發(fā)器串聯(lián)而成，60 ℃的氫氧化鋁分解原液與電廠供應(yīng)的0.6 MPa 新蒸汽間接換熱[1]，到末效蒸發(fā)器后，產(chǎn)生50～60 ℃的飽和乏汽，乏汽管道真空度為90 kPa，由循環(huán)冷卻水捕集吸收乏汽。在大氣冷凝器中，乏汽和循環(huán)水直接接觸進(jìn)行熱交換，循環(huán)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(jié)水進(jìn)入循環(huán)水。該項(xiàng)目利用的3 組蒸發(fā)器乏汽和循環(huán)水參數(shù)見表1。

表1 蒸發(fā)器乏汽和循環(huán)水參數(shù)表

通過大氣冷凝器利用循環(huán)水吸收乏汽的缺點(diǎn)是，乏汽的熱量和凝結(jié)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(huán)水，循環(huán)泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗高。

2 乏汽余熱回收技術(shù)方案

2.1 方案選擇

乏汽潛熱量較大，存在回收利用的價(jià)值。工業(yè)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(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換利用，即以余熱為高溫?zé)嵩醇訜釤崃ρh(huán)工質(zhì)，使其變?yōu)榫哂幸欢囟群蛪毫Φ臍怏w，進(jìn)入膨脹動(dòng)力裝置對外作功，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出；三是余熱的提質(zhì)利用或綜合利用，即通過熱泵系統(tǒng)將余熱提升至要求的溫度后再進(jìn)行供熱和冷卻，或與其他利用裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)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(xiàng)目氧化鋁蒸發(fā)器乏汽和循環(huán)水余熱回收應(yīng)用供暖系統(tǒng)，提出四種工藝方案，其優(yōu)缺點(diǎn)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(yè)蒸發(fā)循環(huán)水水質(zhì)較差，余熱利用選擇方案1。

蒸發(fā)工藝末效蒸發(fā)器乏汽的余熱回收利用系統(tǒng)如圖1 所示，包括乏汽管道、熱泵機(jī)組、真空泵及凝結(jié)水回收系統(tǒng)、大氣冷凝器循環(huán)水系統(tǒng)。

圖1 余熱回收利用系統(tǒng)圖

2.2 熱泵機(jī)組選型

第一類吸收式熱泵利用生產(chǎn)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(chǎn)、生活用熱源[3]。

該項(xiàng)目選擇汽冷型第一類吸收式溴化鋰熱泵，其性能系數(shù)COP=1.7，即消耗1 份驅(qū)動(dòng)熱源熱量，回收0.7 份乏汽余熱，為熱網(wǎng)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(jié)能優(yōu)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(jù)采暖負(fù)荷的需求，配備3 臺吸收式熱泵，將其一對一布置在各蒸發(fā)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(jī)組的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 吸收式熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

2.3 蒸發(fā)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(cè)乏汽的引出方式至關(guān)重要，必須在供熱負(fù)荷變化時(shí)與原冷卻系統(tǒng)協(xié)同調(diào)節(jié)運(yùn)行而不影響氧化鋁的生產(chǎn)，還要在采暖季結(jié)束后恢復(fù)原有運(yùn)行狀態(tài)，所以選擇了與原乏汽系統(tǒng)并列運(yùn)行的方式，即在末效蒸發(fā)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(fā)器入口。

2.4 蒸發(fā)循環(huán)水系統(tǒng)改造

當(dāng)供熱負(fù)荷較大時(shí)，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(jìn)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(huán)水量將大大減少，熱泵運(yùn)行時(shí)必須相應(yīng)降低循環(huán)水泵負(fù)荷。如果利用原循環(huán)水泵變頻調(diào)節(jié)，當(dāng)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，壓力降幅比流量降幅大，會出現(xiàn)壓力不足的情況。為此，并聯(lián)一臺小流量、高揚(yáng)程的變頻循環(huán)水泵。熱泵投入運(yùn)行后，循環(huán)水泵切換至小水泵變頻運(yùn)行，調(diào)節(jié)保持末效蒸發(fā)器的真空度不變，從而保證氧化鋁生產(chǎn)不會受到影響，同時(shí)達(dá)到循環(huán)水泵節(jié)電的效果。改造前蒸發(fā)器循環(huán)水系統(tǒng)如圖3 所示，改造后蒸發(fā)器循環(huán)水系統(tǒng)如圖4 所示。

圖3 改造前蒸發(fā)器循環(huán)水系統(tǒng)

圖4 改造后蒸發(fā)器循環(huán)水系統(tǒng)

2.5 供熱系統(tǒng)

余熱回收系統(tǒng)利用乏汽管道將末效蒸發(fā)器出口的乏汽引入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，乏汽在熱泵機(jī)組內(nèi)放出熱量后形成凝結(jié)水，凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵輸送至工藝流程回收利用，熱泵機(jī)組外設(shè)真空泵，以排除乏汽管道中的不凝氣體。熱網(wǎng)循環(huán)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(qū)采暖，供暖系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 余熱回收利用供暖系統(tǒng)圖

2.6 余熱回收利用系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)

如果大氣冷凝器循環(huán)水參數(shù)無法保證，將嚴(yán)重影響蒸發(fā)器設(shè)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(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的重點(diǎn)工作是保持末效蒸發(fā)器的真空度穩(wěn)定。

蒸發(fā)器正常生產(chǎn)過程中，當(dāng)余熱回收利用系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，開啟熱泵側(cè)真空泵抽真空；當(dāng)乏汽電動(dòng)真空蝶閥后的乏汽管道真空度與末效蒸發(fā)器真空度接近時(shí)，開啟乏汽電動(dòng)真空蝶閥，接著開啟熱泵機(jī)組；熱泵機(jī)組負(fù)荷逐漸增加，乏汽的熱量被吸收利用，同時(shí)大氣冷凝器的循環(huán)水量逐漸減小，以保持末效蒸發(fā)器乏汽管道真空度為90 kPa，保證工藝生產(chǎn)正常穩(wěn)定。當(dāng)余熱回收利用系統(tǒng)需要停運(yùn)時(shí)，逐漸減少熱泵機(jī)組負(fù)荷，以逐漸減少利用的乏汽量，同時(shí)逐漸增大大氣冷凝器的循環(huán)水量，保持末效蒸發(fā)器乏汽管道的真空度，保證工藝生產(chǎn)正常穩(wěn)定。當(dāng)余熱回收利用系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉乏汽管道的電動(dòng)真空蝶閥，生產(chǎn)不會受到影響。當(dāng)蒸發(fā)器工藝設(shè)備檢修或生產(chǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉乏汽管道的電動(dòng)真空蝶閥，避免余熱回收利用系統(tǒng)遭受損失。

3 運(yùn)行效果

項(xiàng)目投運(yùn)以來，將氧化鋁蒸發(fā)工藝末效蒸發(fā)器乏汽的廢熱回收用于供暖，供熱范圍內(nèi)的供暖效果得到明顯改善，供暖系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每小時(shí)可回收乏汽42 t，每年供暖季按照120 d 計(jì)算，回收的乏汽量為120 ×24 ×42=120 960 t；根據(jù)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(jià)格110 元/t 計(jì)算，可節(jié)約成本109 886×110/10 000=1 208.74 萬元。項(xiàng)目年增加折舊費(fèi)79.33 萬元，則綜合節(jié)約成本為1 208.74 -79.33=1 129.41 萬元/a。

同時(shí)，項(xiàng)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(jīng)統(tǒng)計(jì)和計(jì)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(jié)束語

工業(yè)生產(chǎn)中，蒸發(fā)工序末效蒸發(fā)器的乏汽大多采用循環(huán)冷卻水捕集，然后作為廢熱散失，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(yè)蒸發(fā)工序成功應(yīng)用，效果良好，達(dá)到了節(jié)能減排的目的，具有很高的推廣價(jià)值。下一步將針對該供暖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，同時(shí)深入研究非供暖季的廢熱回收利用。