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鋁電解槽輸出端節(jié)能技術(shù)（HORR）

簡介一、項目背景自20世紀80年代我國有色金屬工業(yè)提出“優(yōu)先發(fā)展鋁工業(yè)”的戰(zhàn)略發(fā)展方針以來，我國鋁工業(yè)有了長足的發(fā)展，電解鋁工業(yè)的發(fā)展更是突飛猛進。經(jīng)過近30多年堅持不懈的努力，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。從引進“日輕”160kA預(yù)焙槽技術(shù)到自主開發(fā)280kA特大型鋁電解槽的開發(fā)成功，使電解鋁整體技術(shù)與裝備水平進入世界先進行列。目前，500kA~600kA以上超大型電解槽已實現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模化推廣應(yīng)用。40年來由于技術(shù)的進步，電解鋁單位能耗下降1000kWh/tAl。（1）高耗能仍是主要特點。盡管鋁工業(yè)技術(shù)上取得了極大的進步，然而時至今日，鋁電解的能量利用率仍然僅僅50%，大約有一半的能量都以熱量形式散發(fā)在大氣中（圖1）。作為高耗能產(chǎn)業(yè)電解鋁工業(yè)的節(jié)能減排仍將是今后相當一個時期的核心任務(wù)。（2）電解鋁是碳排放大戶。進入21世紀以后，中國電解鋁產(chǎn)量的增長速度明顯加快，從2000年的279.41萬噸增加至2020年3731.7萬噸，連續(xù)多年成為世界第一原鋁生產(chǎn)大國，同時電解鋁的節(jié)能減排受到廣泛關(guān)注。2020年，電解鋁行業(yè)二氧化碳總排放量約為4.26億噸，約占全社會二氧化凈排放總量的5%。（3）對供電質(zhì)量要求高，不利于可再生能源電力發(fā)展。作為用電大戶的鋁冶煉企業(yè)，傳統(tǒng)技術(shù)不具備調(diào)峰能力，這是由于其核心裝備鋁電解槽是在預(yù)設(shè)的熱平衡條件下設(shè)計的，任何偏離預(yù)設(shè)熱平衡的電力供給都可能導(dǎo)致嚴重過熱或凍結(jié)。由于這一限制，現(xiàn)代鋁電解槽的運行對供電質(zhì)量要求相當苛刻（95%一級負荷），因此，作為用電大戶的電解鋁行業(yè)，基本沒有調(diào)峰能力，對供電系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性小。國際能源署發(fā)布的《電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型現(xiàn)狀2018》指出：電力系統(tǒng)靈活性已經(jīng)成為全球優(yōu)先發(fā)展方向。鋁冶煉企業(yè)急需增加調(diào)峰能力，不僅可以適應(yīng)未來新能源比例逐漸提升帶來的電網(wǎng)供電波動，而且能主動調(diào)峰成為電力系統(tǒng)靈活電源點運行。 2020年12月16日，習(xí)近平主席在2020年中央經(jīng)濟工作會議上指出，要做好碳達峰、碳中和工作，要抓緊制定2030年前碳達峰行動方案。2021年3月15日，習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議中強調(diào)，“要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)總體布局”，指出“要構(gòu)建清潔安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。” “雙碳目標”的提出，給電解鋁行業(yè)提出了新的課題。開展大型鋁電解槽能量平衡及余熱回收技術(shù)的工業(yè)系列化應(yīng)用，通過國內(nèi)外技術(shù)的集成創(chuàng)新，形成一整套的生產(chǎn)工藝技術(shù)和先進的裝備，大幅提高電解鋁行業(yè)的能源利用率，對于實現(xiàn)電解鋁行業(yè)“雙碳目標”具有重大歷史性意義。二、技術(shù)簡介及工作基礎(chǔ) 鄭州輕冶科技股份有限公司與鄭州大學(xué)在15年研究成果積累的基礎(chǔ)上，從2017年開始，在鋁電解槽能量流優(yōu)化及輸出端節(jié)能（余熱回收）領(lǐng)域聯(lián)合國內(nèi)外多家企業(yè)和科研單位，啟動鄭州市協(xié)同創(chuàng)新重大專項，目前“鋁電解槽能量流優(yōu)化與輸出端節(jié)能（余熱回收）技術(shù)及成套工業(yè)系統(tǒng)（HORRS系統(tǒng)）”已完成工業(yè)化試驗，進入工業(yè)化示范運行階段。開創(chuàng)了電解鋁工業(yè)輸入端與輸出端“雙端節(jié)能”的先河，并為進一步工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 1、主要內(nèi)容建立獨立的鋁電解能量流在線優(yōu)化調(diào)節(jié)模型（HORR技術(shù)），實現(xiàn)控制變量與控制目標的“解耦”，為進一步實現(xiàn)電解鋁“輸入端節(jié)能”的極限優(yōu)化工藝生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，進一步降低電能消耗；成功研制了電解鋁專用“高效集熱裝置”，通過國際合作開發(fā)成功國際領(lǐng)先的核心技術(shù)，并實現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備的量產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)了鋁冶煉過程散熱回收系統(tǒng)（HORRS系統(tǒng)），實現(xiàn)大幅節(jié)能；鋁電解槽能量利用率可由原來的不到50%提升到60%。研制鋁電解槽多參數(shù)傳感器與快速檢測分析系統(tǒng)，并開發(fā)了鋁電解槽數(shù)字化基礎(chǔ)上的能量平衡智能化系統(tǒng)；采用能量流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為電解鋁柔性生產(chǎn)提供了技術(shù)保障，初步實現(xiàn)了利用電解鋁廠巨大電能容量協(xié)助當?shù)仉娋W(wǎng)實現(xiàn)蓄能調(diào)峰運行，調(diào)峰能力達到±20%。 2、當前工作進展 2019年起，在河南中孚實業(yè)股份有限公司4臺400kA大型鋁電解槽上，開展了“鋁電解槽能量流優(yōu)化及智能調(diào)控技術(shù)開發(fā)”協(xié)同創(chuàng)新重大專項工業(yè)示范應(yīng)用。2021年3月11日，首臺400kA電解槽余熱已成功與鞏義示城市供熱網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，回收利用熱量約占電解槽總耗能8~10%，預(yù)計到2021年5月底，全部4臺電解槽將整體投運。三、經(jīng)濟及社會效益（1）技術(shù)指標本項目工業(yè)試驗完成后，可實現(xiàn)電流效率≧94%；槽電壓低于3.9V，折合噸鋁節(jié)電800~1000kWh以上,電解鋁能量利用率提升8~10% 實現(xiàn)電解槽調(diào)峰運行該技術(shù)應(yīng)用后，鋁電解槽可實現(xiàn)蓄能調(diào)峰20%，有利支持新能源電力負荷的消納，減小新能源電源增加后帶來的峰谷差，為國家構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供支撐。實現(xiàn)電解鋁廠與區(qū)域、城市融合發(fā)展根據(jù)電解鋁行業(yè)（火-電-鋁）的特點，將回收余熱資源供入城市供熱系統(tǒng)用于冬季居民采暖；夏季并入配套發(fā)電廠會熱系統(tǒng)，用于發(fā)電；也可用于根據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)布局，可為周邊工業(yè)用戶（如鋁加工、氧化鋁廠等）提供工業(yè)生產(chǎn)用熱源或大規(guī)模工業(yè)制冷，實現(xiàn)余熱資源的高效利用。社會效益按照未來推廣應(yīng)用2500萬噸計算：年可節(jié)電250億kWh；年可減排：2492.5萬噸二氧化碳; 年可消納新能源電量：675億kWh。

鄭州大學(xué) 2021-05-10

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