1 引言
為了應對氣候變化，節能減排已成為全球共識。節能減排在創造社會效益的同時，更重要的是可以為企業降低運營成本，創造可觀的經濟效益，提高企業的綠色競爭力。
鋁冶煉和加工行業作為典型的高能耗行業，在節能減排方面潛力巨大。余熱回收利用是鋁冶煉和加工行業節約和高效實用能源的重要方式。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，對余熱進行回收、實現梯級利用也是非常重要的途徑。合理設計熱能利用途徑，應用換熱和熱能轉換新技術，可有效擴大余熱回收利用空間，提高余熱回收利用的效果和效率，實現可觀的經濟效益。
2 余熱來源
鋁冶煉和加工過程中，大量余熱未經合理利用，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、加熱和時效處理時排放的煙氣余熱。
現代鋁工業生產采用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質，以碳素體作為陽極，鋁液作為陰極，通入強大的直流電后，在950℃-970℃下，在電解槽內的兩極上進行電化學反應，即電解。陽極產物主要是二氧化碳和一氧化碳氣體，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。陰極產物是鋁液，鋁液通過真空抬包從槽內抽出，送往鑄造車間，在保溫爐內經凈化澄清后，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過程中的熔煉、靜置、均熱過程，鋁合金擠壓生產過程中的鑄錠、模具加熱，時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，是主要的熱量損失途徑，應作為余熱回收利用的重點。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總熱量的42%。同時各加熱爐的爐溫較高，利用價值高。以熔煉爐為例，在未進行熱回收利用時，煙氣溫度可達1000℃以上。即使采用了回收裝置，最終煙氣溫度也達150℃以上，具有繼續利用的價值。
除了上述余熱外，鋁行業工廠其他余熱排放場合還包括鍋爐煙氣余熱，鍋爐凝結水余熱，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，具有較好的利用價值。除了煙氣余熱，以氣體介質排放的余熱還包括車間空調換氣余熱等。空調排氣余熱雖然溫度較低，但由于連續運行、排放量大，也具有較大回用價值。以水為介質排放的余熱雖然排放量較小，但由于水的比熱容遠大于空氣，換熱性能也優于空氣，使得鍋爐凝結水余熱，表面處理線熱水洗槽排放水余熱等也具有經濟利用價值。
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。但是只要合理設計余熱利用途徑，選用合適的換熱和熱能轉換方式，可使余熱利用投資獲得良好的經濟回報。在余熱利用上，首先要考慮提高爐窯的熱效率，盡量減少余熱產出。同時，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，提高煙氣余熱質量，為余熱利用提供較好基礎。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、物料的預熱或加熱，自身無法回收利用時才用于其他場合。再次，余熱回收利用的原則是“梯級利用，高質高用”，優先把高品位余熱用于做功或發電，低溫余熱用于生產用低溫場合以及空調、采暖等工廠和生活用熱。最后，要關注低溫余熱的利用，采用合適的余熱利用技術，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值，可考慮繼續回收利用。
在中低溫余熱應用方面，可采用多種余熱利用技術繼續發揮余熱回收效益，包括熱管換熱技術、余熱制冷和熱泵技術。
3.1熱管換熱器技術
熱管換熱器是一種不同于普通換熱器的高效熱交換設備。熱管換熱器由熱管組成，其原理是利用工質相變進行換熱和熱量傳遞，由于工質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熱效率和熱量交換量遠高于單相溫差換熱。由于采用熱媒工質傳遞熱量，換熱介質之間可以相互分離，因此具有獨特安全特性。熱管換熱器的特點包括：
a、熱管換熱設備較常規設備更安全、可靠，可長期連續運行
常規換熱設備一般都是間壁換熱，冷熱流體分別在器壁的兩側流過，如管壁或器壁有泄漏，則將造成停產損失，甚至安全事故。由熱管組成的換熱設備，則是二次間壁換熱，即熱流要通過熱管的蒸發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段和冷凝段同時破壞，所以大大增強了設備運行的可靠性。
b、熱管管壁的溫度可調性
熱管管壁的溫度可以調節，在低溫余熱回收或熱交換中是相當重要的，因為可以通過適當的熱流變換把熱管管壁溫度調整在低溫流體的露點以上，從而可防止露點腐蝕，保證設備的長期運行。由于能調整管壁溫度不僅能防止煙氣結露，而且也避免了煙灰在管壁上的粘結，保證設備長期運行，并提高了設備效率。
c、冷、熱段結構和位置布置靈活
由熱管組成的換熱設備的受熱部分和放熱部分結構設計和位置布置非常靈活，可設計為分離式形式，適應于各種復雜的場合。由于結構緊湊占地空間小，因此特別適合于工程改造及地面空間狹小和設備擁擠的場合，且維修工作量少。
d、熱管換熱設備效率高，節能效果顯著
熱管的相當導熱系數可達105W/m?℃的數量級．為一般金屬材料的數百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過很小的截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。
由于熱管換熱器具有結構簡單，換熱效率高，阻力小，布置靈活，安全性高的特點，因此在鋁冶煉、鋁加工的多個場合均可獲得應用，并比常規的間壁換熱具有較大的應用優勢和性價比。機械工業部標準“機械工業節能設計技術規定”中提到：工業爐窯排煙溫度為400℃以下時，宜采用熱管換熱器。尤其是在設備改造和安全要求較高場合，由于熱管換熱器可設計成分離式結構，因此可根據爐窯現狀靈活布置吸熱部分和放熱部分，并提供安全隔離，由此可較大擴展余熱利用的場合。在實際應用中，可根據窯爐煙氣排放特點，與熱管換熱器進行多種組合，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熱水和蒸汽，用作其他生產工藝應用或生活用熱使用。
3.2吸收式制冷技術
吸收式制冷以熱能為驅動能源實現制冷。其特點包括：
a、可直接利用熱源，耗電極少
吸收式制冷機組用電只相當于同容量離心式機的2%-9%，在電力供應緊張形勢下，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實現制冷和制熱
吸收式制冷機組除了利用鍋爐蒸汽、燃料產生的熱能外，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組中實現制冷和制熱，有效擴大了余熱應用范圍。
c、安全可靠
吸收式制冷設備除了泵和閥件外，絕大部分是換熱器，運轉安靜，振動小；同時，制冷機在真空狀態下運行，結構簡單，安全可靠，安裝方便。
由于吸收式制冷技術可利用余熱制冷用于工藝需要和空調需要，因此以其特有的優勢受到廣泛的關注。鋁冶煉和鋁加工行業具有較多的余熱資源，而同時又在制冷和空調上有較大需求，包括表面處理車間的氧化槽溫度控制、工藝空調送風，辦公、廠房、生活區空調等，吸收式制冷技術在這些場合可充分利用余熱，節約制冷用電，具有較好的投資回報。
3.3熱泵技術
熱泵技術通過電力做功將低品位熱能轉變為可用的高品位熱能，從而以消耗較小的電力為代價獲得大量的可用熱能。在合理設計前提下，熱泵的能效比可達到3-4，即與常規的電加熱相比，熱泵的產熱效率是電加熱的3到4倍，因此可起到利用余熱大量節約用電的效果。
目前，國內熱泵技術在生活供暖方面得到廣泛應用，包括空氣源、水源和地源熱泵的應用等。但在工業生產中熱泵技術尚未得到很好應用，主要原因是對生產工藝中的熱能需要不了解以及對熱泵技術掌握不深有關。
用低品位余熱（煙氣或水）作為熱源，利用熱泵技術要很好解決系統設計問題，包括工質和壓縮機的選用，從而使得壓縮機在合適的壓縮比下經濟可靠運行，并且綜合考慮熱源和用熱情況，實現工藝要求。在常規熱泵的工藝應用方面，以鋁行業噴漆房空調為例，如采用常規的排風和新風熱交換以回收余熱，由于僅在冬季較少天數可獲得經濟性的傳熱溫差，因此余熱回收利用意義不大。但如采用熱泵技術，則可有效提高兩側傳熱溫差，同時吸熱端和放熱端可靈活分離設置，可極大提高余熱回收利用的時間和效果，大大減少空調熱能損耗。在實現高溫應用方面，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，用于表面處理生產線的脫脂、封孔、熱水洗以及烘干等工藝環節，從而用較小代價利用了低品位余熱。
4 經濟效益分析
鋁冶煉和加工行業的熱力系統存在巨大的節能潛力，余熱利用的關鍵是業主對這種潛在經濟效益的認識和供應商可提供技術上可行、經濟上劃算的解決方案。以廣州尚水環保節能科技有限公司承接某鋁業公司電解槽煙氣余熱利用項目為例，項目首先在技術上解決了可行問題，使電解槽煙氣余熱的安全利用成為可能；在此基礎上通過優化系統設計，嚴格保證設備質量，使得項目獲得圓滿成功。通過對本項目系統運行實際測算，三個月內累計節約熱能26萬kWh，節能效果顯著，投資回收期僅有2年，利用三等余熱資源實現了一等余熱資源的投資收益。
5 結論
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施，對鋁冶煉和加工行業低溫余熱回收利用的應用場合進行多項研究，并不斷探索采用適用的技術應對不同的余熱利用要求，以超出用戶預期。實踐表明，鋁冶煉和加工行業的熱力系統存在巨大的節能潛力，不僅在高品質余熱的回收利用上，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，也可為用戶創造可觀的經濟效益。
