某氧化鋁廠電站鍋爐替代熔鹽爐加熱礦漿的案例分析

張泉泉 徐 凡 謝 偉 錢智初

上海發電設備成套設計研究院有限責任公司

0 前言

我國正全力爭取在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，為此，國家多次出臺了控制能源消費強度和能源消費總量的政策。氧化鋁作為國家冶金行業重要組成部分，近幾年來發展壯大，至2020年我國氧化鋁產量占全球總產量的54%［1］。但氧化鋁是一個高能耗產業，能耗占整個生產成本的30%［2］，其中蒸汽、電力占工藝能耗的68%［3］。在“雙碳目標”和“能耗雙控”的政策驅動下，氧化鋁產業急需加快綠色發展與環境保護，提升氧化鋁生產技術指標，加快工藝改進，對標能耗雙控，提升企業生產效益和產品競爭力。

本文針對某氧化鋁企業現有熔鹽加熱系統熱效率低、經濟效益差的問題，探討并分析了電站鍋爐加熱方式，在提升生產效率的同時滿足日趨嚴格的環保要求。

1 項目概況

該氧化鋁廠位于貴州省北部，2006年開工建設，2010年建成投產，場地所在地地勢平坦，用地面積約80 公頃。氧化鋁廠現有8 臺熔鹽爐用來加熱礦漿，同時配有2臺180 t/h中溫中壓循環流化床鍋爐和一抽一背汽輪機。隨著國家日趨嚴格的環保要求，熔鹽爐由于效率低、經濟性差而被淘汰，此外，考慮到氧化鋁廠低壓蒸汽的需求，中溫中壓循環流化床鍋爐需保持運行，但需對該鍋爐進行改造以滿足環保要求。

目前，氧化鋁廠在運有4臺機組，檢修計劃為2月1次，每次檢修時間為3天/臺，全年合計72天。4臺機組正常運行時的蒸汽需求量為最大蒸汽需求量，單臺機組檢修時的蒸汽需求量為最小蒸汽需求量。

該氧化鋁廠計劃新建2臺高溫高壓鍋爐和2臺背壓機組以配套超凈排放要求，并改建1臺中溫中壓鍋爐。

2 項目方案

2.1 項目邊界條件

1)蒸汽需求量

根據氧化鋁廠機組運行情況，計算得到全年對6.4 MPa(G)/290 ℃的蒸汽需求量為175.32 萬t，對0.7 MPa(G)/185 ℃的蒸汽需求量為99.936萬t。

2)燃料供應

項目繼續采用氧化鋁廠現有的燃煤熔鹽爐燃料，對干煤棚進行改造及對原有樁基進行擴建加固。

3)飽和水

項目可回收的飽和水參數為0.5 MPa（G）/145 ℃，水量220～265 t/h。

4)循環水

項目循環水采用現有的循環水系統，循環水回水至冷卻塔，補水來自循環水系統。

2.2 項目總體規劃

氧化鋁生產溶出工藝中，溶出礦漿需消耗大量的熱量，故礦漿加熱方式對溶出工藝有著重要的影響，直接關系到生產的穩定、能耗及成本。目前該廠采用的熔鹽加熱系統有熔鹽熱載體過熱現象，對氧化鋁的生產有一定的安全隱患。

項目以“安全、經濟、高效、環保”為原則，充分利用現有場地、工藝系統和廠房設備等，通過分析對比電站鍋爐和熔鹽爐的加熱方式（見表1），考慮采用高壓蒸汽加熱、熱效率更高的電站鍋爐替代熔鹽爐，從而優化溶出工藝，既滿足了國家環保要求，又提高了企業經營的可靠性和經濟性。

表1 電站鍋爐和熔鹽爐的加熱方式對比

2.4 熱力系統設計

2.3 項目總體方案

項目計劃新建2 臺9.8 MPa/540 ℃、185 t/h 的高溫高壓循環流化床鍋爐，1臺9.5/6.5 Mpa的高背壓汽輪機、1 臺9.5/0.8 MPa 的低背壓汽輪機，并配套建設脫硫脫硝環保島，此外，對1臺中溫中壓鍋爐進行煙氣凈化改造，以滿足超凈排放要求。

項目投產年運行時間按2 臺185 t/h 高溫高壓鍋爐7560 h、高背壓汽輪機7560 h、低背壓汽輪機6360 h、原有中溫中壓流化床鍋爐年2400 h考慮。

熱力系統設計為：9.5/6.5 MPa 的高背壓汽輪機排汽經噴水減溫后為6.5 Mpa（a）/290 ℃的工藝線供汽，當供應的蒸汽流量達210 t/h 時，需要的高溫高壓主蒸汽量為171.8 t/h，此時高背壓汽輪機組的發電量為4.1 MW；9.5/0.8 MPa 的低背壓汽輪機的一部分排汽經減溫后為0.8 Mpa（a）/185 ℃的工藝線供汽，另一部分經減壓后為除氧器提供加熱蒸汽，高加抽汽來自低背壓汽輪機的回熱抽汽，當供應的蒸汽流量達120 t/h 時，需要的主蒸汽量（加上除氧抽汽和高加抽汽）為178.2 t/h，此時低背壓汽輪發電機組的發電量為24.9 MW。項目燃燒系統圖見圖1，最大工況熱平衡圖見圖2。

圖1 燃燒系統圖

圖2 最大工況熱平衡圖

2.5 連續生產運行策略

項目高壓供汽系統參數為6.5 Mpa（a）/290 ℃，低壓供汽系統參數為0.8 Mpa（a）/185 ℃。正常運行工況下，高背壓汽輪機的排汽經減溫后進入高壓供汽系統，低背壓汽輪機的排汽經減溫后進入低壓供汽系統。為保證高壓供汽系統的不中斷，配置了2臺高溫高壓鍋爐互為備用。高負荷運行時蒸汽需求量為330 t/h，2 臺鍋爐在95%BMCR 工況下連續運行。低負荷運行時蒸汽需求量250 t/h，2 臺高溫高壓鍋爐在72%BMCR工況下連續運行。

2.6 停運不停產策略

為保障加熱礦漿的正常運轉，2 臺高溫高壓鍋爐互為備用，當1臺故障或檢修時，高背壓汽輪發電機組正常工作，提供高壓供熱蒸汽，低背壓汽輪發電機組停運，低壓供熱蒸汽由原中溫中壓鍋爐的背壓機提供。在低背壓汽輪發電機組停運前，提前啟動中溫中壓鍋爐。

2 臺高溫高壓鍋爐正常運行、低背壓汽輪機緊急停機時，高溫高壓主蒸汽經減溫減壓后提供低壓供熱蒸汽。2 臺高溫高壓鍋爐正常運行、高背壓汽輪機緊急停機時，高溫高壓主蒸汽經減溫減壓后提供高壓供熱蒸汽。

2.7 改造亮點

1)降低生產成本，實現降本增效

原熔鹽的加熱效率經兩次傳遞后熱量損失高，而電站鍋爐在同樣使用燃煤的條件下，其運行成本大大降低，且在滿足加熱需求外，還提供電力供應，減少了購電費用，進一步為企業降本增效。

2)改善加熱方式，提升本質安全

熔鹽作為加熱系統的熱載體是一種危險的物品［5］，當溫度超過620 ℃時，熔鹽會劇烈分解甚至沸騰汽化，可能導致爆炸性的破壞，而當溫度低于142 ℃時，熔鹽又會凝固且難以再熔化，嚴重影響安全生產。電站鍋爐是將水加熱成蒸汽，以蒸汽為熱載體對礦漿進行加熱，且在熱量釋放后冷凝成水，為冷凝水循環利用，提高了加熱系統的安全性。

3)利用老舊設備，減少建設投資

項目在現有的煤氣化車間新建電站鍋爐，且充分利用現有的備用中溫中壓鍋爐系統、循環水系統和空壓機系統等，此外新建設的場地都在廠區內，不涉及增加征地，大大減少了項目建設投資。

4)優化運行策略，實現高效生產

項目將新建機組與現有機組充分耦合，提升了系統供汽的穩定性，當新建機組故障或檢修時能及時調整機組運行方式，利用現有備用機組提供供熱蒸汽，確保了企業的安全穩定運行和經營效益。

3 項目經濟性分析

3.1 投資估算

項目投資估算編制范圍包括2 臺新建的9.8 MPa/540 ℃、185 t/h 的高溫高壓循環流化床鍋爐、1 臺9.5/6.5 MPa 的高背壓汽輪機和1 臺9.5/0.8 MPa 的低背壓汽輪機，并配套建設脫硫脫硝環保島。新建機組按超凈排放設計，同時為1 臺原有的中溫中壓鍋爐增設按超凈排放設計的脫硫脫硝環保島。本項目工程靜態投資45724 萬元，其中，建筑工程費8314 萬元，設備購置費22365 萬元，安裝工程費8956萬元，其他費用6089萬元。

3.2 財務分析

項目的主要收益為為該廠提供高低壓蒸汽和供電，項目運行主要成本為燃料和人員。具體項目邊界條件見表2。

表2 項目邊界條件

項目建設工期為2年，計算年限含建設工期共21年，基準收益率取5%。建設投資款80%來自銀行貸款，其中長期貸款年限10年，利率4.9%，采取等額本息還款方式，折舊采用直線折舊攤銷法，按15年考慮，殘值率取5%。

根據國家發展改革委、建設部發改投資［2006］1325號文件《建設項目經濟評價方法與參數》（第三版）及國家現行財務、稅收制度，對項目進行經濟性分析，可得項目資本金所得稅后內部收益率為22.04%，投資回收期（稅后）5.99年，具有良好的經濟效益。主要經濟指標估算見表3。

表3 主要經濟指標估算表

3.3 敏感性分析

項目靜態總投資、煤炭價格、供電價格、蒸汽價格是影響項目收益的主要因素。項目敏感性分析見表4、圖3。

表4 敏感性分析表

圖3 單因素敏感性分析圖

4 結論

隨著國家對生產氧化鋁的節能環保要求愈加嚴格及企業自身降本增效的迫切需求，氧化鋁企業將重點圍繞如何降低蒸汽和電力成本進行更多的節能優化改造。本項目通過煤電對熔鹽爐熱源的替代，在充分考慮煤價與蒸汽價格、煤價與供電價格的聯動關系下，有效降低了氧化鋁生產過程中的蒸汽成本和電力成本，提高了企業能源利用水平和高質量的可持續發展。