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鋁電解槽輸出端節(jié)能技術(shù)（HORR）

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介: 簡(jiǎn) 介一、項(xiàng)目背景自20世紀(jì)80年代我國(guó)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(lái)，我國(guó)鋁工業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，電解鋁工業(yè)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)。經(jīng)過(guò)近30多年堅(jiān)持不懈的努力，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。從引進(jìn)“日輕”160kA預(yù)焙槽技術(shù)到自主開(kāi)發(fā)280kA特大型鋁電解槽的開(kāi)發(fā)成功，使電解鋁整體技術(shù)與裝備水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。目前，500kA~600kA以上超大型電解槽已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)規(guī)?；茝V應(yīng)用。40年來(lái)由于技術(shù)的進(jìn)步，電解鋁單位能耗下降1000kWh/tAl。（1）高耗能仍是主要特點(diǎn)。盡管鋁工業(yè)技術(shù)上取得了極大的進(jìn)步，然而時(shí)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(dāng)一個(gè)時(shí)期的核心任務(wù)。（2）電解鋁是碳排放大戶。進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國(guó)電解鋁產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度明顯加快，從2000年的279.41萬(wàn)噸增加至2020年3731.7萬(wàn)噸，連續(xù)多年成為世界第一原鋁生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)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(huì)二氧化凈排放總量的5%。（3）對(duì)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(jì)的，任何偏離預(yù)設(shè)熱平衡的電力供給都可能導(dǎo)致嚴(yán)重過(guò)熱或凍結(jié)。由于這一限制，現(xiàn)代鋁電解槽的運(yùn)行對(duì)供電質(zhì)量要求相當(dāng)苛刻（95%一級(jí)負(fù)荷），因此，作為用電大戶的電解鋁行業(yè)，基本沒(méi)有調(diào)峰能力，對(duì)供電系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性小。國(guó)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(lái)新能源比例逐漸提升帶來(lái)的電網(wǎng)供電波動(dòng)，而且能主動(dòng)調(diào)峰成為電力系統(tǒng)靈活電源點(diǎn)運(yùn)行。 2020年12月16日，習(xí)近平主席在2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上指出，要做好碳達(dá)峰、碳中和工作，要抓緊制定2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案。2021年3月15日，習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議中強(qiáng)調(diào)，“要把碳達(dá)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(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，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(biāo)”的提出，給電解鋁行業(yè)提出了新的課題。開(kāi)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(guò)國(guó)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(jìn)的裝備，大幅提高電解鋁行業(yè)的能源利用率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電解鋁行業(yè)“雙碳目標(biāo)”具有重大歷史性意義。二、技術(shù)簡(jiǎn)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(kāi)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(guó)內(nèi)外多家企業(yè)和科研單位，啟動(dòng)鄭州市協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)，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(yàn)，進(jìn)入工業(yè)化示范運(yùn)行階段。開(kāi)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(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 1、主要內(nèi)容建立獨(dú)立的鋁電解能量流在線優(yōu)化調(diào)節(jié)模型（HORR技術(shù)），實(shí)現(xiàn)控制變量與控制目標(biāo)的“解耦”，為進(jìn)一步實(shí)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(jìn)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(guò)國(guó)際合作開(kāi)發(fā)成功國(guó)際領(lǐng)先的核心技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備的量產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了鋁冶煉過(guò)程散熱回收系統(tǒng)（HORRS系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能；鋁電解槽能量利用率可由原來(lái)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(cè)分析系統(tǒng)，并開(kāi)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(shí)現(xiàn)了利用電解鋁廠巨大電能容量協(xié)助當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)現(xiàn)蓄能調(diào)峰運(yùn)行，調(diào)峰能力達(dá)到±20%。 2、當(dāng)前工作進(jìn)展 2019年起，在河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司4臺(tái)400kA大型鋁電解槽上，開(kāi)展了“鋁電解槽能量流優(yōu)化及智能調(diào)控技術(shù)開(kāi)發(fā)”協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)工業(yè)示范應(yīng)用。2021年3月11日，首臺(tái)400kA電解槽余熱已成功與鞏義示城市供熱網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，回收利用熱量約占電解槽總耗能8~10%，預(yù)計(jì)到2021年5月底，全部4臺(tái)電解槽將整體投運(yùn)。三、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益（1）技術(shù)指標(biāo) 本項(xiàng)目工業(yè)試驗(yàn)完成后，可實(shí)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(shí)現(xiàn)電解槽調(diào)峰運(yùn)行該技術(shù)應(yīng)用后，鋁電解槽可實(shí)現(xiàn)蓄能調(diào)峰20%，有利支持新能源電力負(fù)荷的消納，減小新能源電源增加后帶來(lái)的峰谷差，為國(guó)家構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供支撐。實(shí)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(diǎn)，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(huì)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(shí)現(xiàn)余熱資源的高效利用。社會(huì)效益按照未來(lái)推廣應(yīng)用2500萬(wàn)噸計(jì)算：年可節(jié)電250億kWh；年可減排：2492.5萬(wàn)噸二氧化碳; 年可消納新能源電量：675億kWh。效益分析: （1）技術(shù)指標(biāo) 本項(xiàng)目工業(yè)試驗(yàn)完成后，可實(shí)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(shí)現(xiàn)電解槽調(diào)峰運(yùn)行該技術(shù)應(yīng)用后，鋁電解槽可實(shí)現(xiàn)蓄能調(diào)峰20%，有利支持新能源電力負(fù)荷的消納，減小新能源電源增加后帶來(lái)的峰谷差，為國(guó)家構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供支撐。實(shí)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(diǎn)，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(huì)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(shí)現(xiàn)余熱資源的高效利用。社會(huì)效益按照未來(lái)推廣應(yīng)用2500萬(wàn)噸計(jì)算：年可節(jié)電250億kWh；年可減排：2492.5萬(wàn)噸二氧化碳; 年可消納新能源電量：675億kWh。知識(shí)產(chǎn)權(quán)類(lèi)型:發(fā)明專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)編號(hào):202010575520.0 202010575597.8 202021168838.9技術(shù)先進(jìn)程度:達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平成果獲得方式:與國(guó)（境）外合作獲得政府支持情況:省級(jí)以下計(jì)劃/專項(xiàng)類(lèi)別:鄭州市協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)獲得經(jīng)費(fèi):1000.00萬(wàn)元自籌資金:1000.00萬(wàn)元自籌資金來(lái)源:企業(yè)自籌

鄭州大學(xué) 2021-04-11

鋁電解槽輸出端節(jié)能技術(shù)（HORR）

簡(jiǎn) 介一、項(xiàng)目背景自20世紀(jì)80年代我國(guó)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(lái)，我國(guó)鋁工業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，電解鋁工業(yè)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)。經(jīng)過(guò)近30多年堅(jiān)持不懈的努力，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。從引進(jìn)“日輕”160kA預(yù)焙槽技術(shù)到自主開(kāi)發(fā)280kA特大型鋁電解槽的開(kāi)發(fā)成功，使電解鋁整體技術(shù)與裝備水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。目前，500kA~600kA以上超大型電解槽已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)規(guī)?；茝V應(yīng)用。40年來(lái)由于技術(shù)的進(jìn)步，電解鋁單位能耗下降1000kWh/tAl。（1）高耗能仍是主要特點(diǎn)。盡管鋁工業(yè)技術(shù)上取得了極大的進(jìn)步，然而時(shí)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(dāng)一個(gè)時(shí)期的核心任務(wù)。（2）電解鋁是碳排放大戶。進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國(guó)電解鋁產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度明顯加快，從2000年的279.41萬(wàn)噸增加至2020年3731.7萬(wàn)噸，連續(xù)多年成為世界第一原鋁生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)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(huì)二氧化凈排放總量的5%。（3）對(duì)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(jì)的，任何偏離預(yù)設(shè)熱平衡的電力供給都可能導(dǎo)致嚴(yán)重過(guò)熱或凍結(jié)。由于這一限制，現(xiàn)代鋁電解槽的運(yùn)行對(duì)供電質(zhì)量要求相當(dāng)苛刻（95%一級(jí)負(fù)荷），因此，作為用電大戶的電解鋁行業(yè)，基本沒(méi)有調(diào)峰能力，對(duì)供電系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性小。國(guó)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(lái)新能源比例逐漸提升帶來(lái)的電網(wǎng)供電波動(dòng)，而且能主動(dòng)調(diào)峰成為電力系統(tǒng)靈活電源點(diǎn)運(yùn)行。 2020年12月16日，習(xí)近平主席在2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上指出，要做好碳達(dá)峰、碳中和工作，要抓緊制定2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案。2021年3月15日，習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議中強(qiáng)調(diào)，“要把碳達(dá)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(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，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(biāo)”的提出，給電解鋁行業(yè)提出了新的課題。開(kāi)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(guò)國(guó)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(jìn)的裝備，大幅提高電解鋁行業(yè)的能源利用率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電解鋁行業(yè)“雙碳目標(biāo)”具有重大歷史性意義。二、技術(shù)簡(jiǎn)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(kāi)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(guó)內(nèi)外多家企業(yè)和科研單位，啟動(dòng)鄭州市協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)，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(yàn)，進(jìn)入工業(yè)化示范運(yùn)行階段。開(kāi)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(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 1、主要內(nèi)容建立獨(dú)立的鋁電解能量流在線優(yōu)化調(diào)節(jié)模型（HORR技術(shù)），實(shí)現(xiàn)控制變量與控制目標(biāo)的“解耦”，為進(jìn)一步實(shí)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(jìn)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(guò)國(guó)際合作開(kāi)發(fā)成功國(guó)際領(lǐng)先的核心技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備的量產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了鋁冶煉過(guò)程散熱回收系統(tǒng)（HORRS系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能；鋁電解槽能量利用率可由原來(lái)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(cè)分析系統(tǒng)，并開(kāi)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(shí)現(xiàn)了利用電解鋁廠巨大電能容量協(xié)助當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)現(xiàn)蓄能調(diào)峰運(yùn)行，調(diào)峰能力達(dá)到±20%。 2、當(dāng)前工作進(jìn)展 2019年起，在河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司4臺(tái)400kA大型鋁電解槽上，開(kāi)展了“鋁電解槽能量流優(yōu)化及智能調(diào)控技術(shù)開(kāi)發(fā)”協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)工業(yè)示范應(yīng)用。2021年3月11日，首臺(tái)400kA電解槽余熱已成功與鞏義示城市供熱網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，回收利用熱量約占電解槽總耗能8~10%，預(yù)計(jì)到2021年5月底，全部4臺(tái)電解槽將整體投運(yùn)。三、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益（1）技術(shù)指標(biāo) 本項(xiàng)目工業(yè)試驗(yàn)完成后，可實(shí)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(shí)現(xiàn)電解槽調(diào)峰運(yùn)行該技術(shù)應(yīng)用后，鋁電解槽可實(shí)現(xiàn)蓄能調(diào)峰20%，有利支持新能源電力負(fù)荷的消納，減小新能源電源增加后帶來(lái)的峰谷差，為國(guó)家構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供支撐。實(shí)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(diǎn)，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(huì)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(shí)現(xiàn)余熱資源的高效利用。社會(huì)效益按照未來(lái)推廣應(yīng)用2500萬(wàn)噸計(jì)算：年可節(jié)電250億kWh；年可減排：2492.5萬(wàn)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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