有色冶金行业用电现状和节电技术

推行节能设备和技术，如节能电机、高效炉窑，是绿色工业的关键。 #生活常识# #环保节能技巧# #绿色工业生产#

01行业发展

有色冶金包括铝、铜、镍、铅、锌、稀土、金、银等金属的冶炼。经过30多年的连续高速增长，中国多数有色金属产品的产量居世界首位。十种有色金属产量从2002年的1012万吨增加到2021年的6477.1万吨。电解铝和精炼铜产量最多，产量占全国总量的75%左右。2021年中国精炼铜（电解铜）产量为1048.7万吨，同比增长4.6%，电解铝产量为3850.3万吨，同比增长3.8%。

02用能分析

有色金属冶炼作为高能耗行业，约占全国能源消费量的3.5%以上，单位产品能耗约为4.76吨标煤，其中铜、铝、铅、锌冶炼能耗占有色金属业总能耗90%以上，而电解铝占有色金属也总能耗的75%。中国有色金属行业2016年～2020年能源和电力消费情况见图1。

图 1 2016年～2020年有色金属冶炼能源消费情况

有色金属冶炼业能源消费和电力消费逐年增长，2019年略有下降，能源消费量从2016年的21028万吨标准煤增长到2020年的25521万吨标准煤，占全国能源消费总量的5.12%。电力消费从5451亿千瓦时增长到6642亿千瓦时，占全国电力消费的8.8%。2018年吨铜加工材综合能耗为193.15千克标准煤/吨，铜电解单耗为313.91千瓦时/吨；电解铝综合交流电电耗为13532.7千瓦时/吨，吨铝加工材综合能耗为268.41千克标准煤/吨[1]。中国铜冶炼工艺能效标杆水平为260千克标准煤/吨，基准水平为380千克标准煤/吨。电解铝铝液综合交流电耗标杆水平为13000千瓦时/吨，基准水平为13350千瓦时/吨。

03用电结构

（1）现代铝工业中，电解铝生产主要采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法。电解铝生产的基本原理是使直流电通过以氧化铝为原料、以碳素为阳极、冰晶石为溶剂组成的电解质，在950～970摄氏度下使电解质溶液中的氧化铝进行化学反应，电解为铝和氧。电解槽是生产电解铝的主要设备。电解铝生产流程见图2。

图 2 电解铝生产流程图

电解槽是生产流程中用电最大的环节，当电解槽通电电流低于90%时无法继续生产，电流低于70%时电解槽温度会迅速下降。冰晶石作为电解质主要成分，熔融状态下导电，凝固状态下不导电。因此一旦出现长时间停电，电解槽内冰晶石凝固影响生产。运行中如果突然断电，并且不能够在较短时间内恢复供电，将会对电解铝生产和电解设备造成重大损失，特别是电解直流生产系统，严重影响电解设备寿命，甚至造成整个电解铝生产系统的瘫痪。所以电解铝的直流系统和主要的辅助生产系统均为一级负荷，这部分负荷约占总负荷的95%。电解铝生产的修理车间、生活设施用电为三级负荷，其余为二级负荷。

（2）世界上由铜精矿生产电解铜的冶炼方法分为两大类：火法冶炼和湿法冶炼。火法炼铜是当今生产铜的主要方法，占铜产量的80%～90%。火法工艺过程主要包括四个主要步骤：造硫熔炼、铜硫（冰铜）吹炼、粗铜火法精炼和阳极铜电解精炼；①造硫熔炼目的是使铜精矿部分铁氧化，产出含铜较高的冰铜；②冰铜吹炼将冰铜进一步氧化、脱除冰铜中的铁和硫，生产粗铜；③火法精炼将粗铜通过氧化造渣，进一步脱除杂质元素，生产阳极铜；④电解精炼通过引入直流电，阳极铜溶解，在阴极析出纯铜，杂质进入阳极泥或电解液，从而实现铜和杂质的分离，产出阴极铜。

有色金属冶炼业最重要的能源是电力，且冶炼流程连续不断，若产生停止会造成较大的经济损失，对供电平稳性要求很高，同时节电潜力大。

04节能潜力

当前中国电解铝行业能耗在世界范围处于领先地位，美国电解铝综合交流电电耗为15583千瓦时，欧洲电解铝综合交流电电耗为15499千瓦时，世界平均水平为14280千瓦时[2]。精炼铜能耗与世界先进水平有一定差距，全国能效平均值为364千克标准煤/吨，国际先进值为280千克标准煤/吨，节能潜力约为23.07%，锌节能潜力约为7.3%[3]。

有色金属工业是国民经济的重要基础产业之一，是实现制造强国的重要支撑。针对有色金属生产提出几点节电意见：（1）作为冶炼过程中最大的电力消费环节，电解槽的发展至关重要，要重点推动新型稳流保温电解槽节能改造、电解槽大型化、结构优化和智能控制技术的实施；（2）积极推进电解槽能量流优化和余热回收等节能低碳技术改造；（3）鼓励企业通过电解槽机械性改造技术手段，增强电解槽的电力负荷变化范围，用以提升清洁能源消纳潜力；（4）建设能源系统优化控制中心，实现能源合理调度，梯级利用，淘汰能耗高的风机、水泵、电机等用能设备，推进通用设备升级换代。

05节电技术案例及分析

有色金属冶炼节电技术的重点是电解槽的节能性改造和余热余能的回收利用。电气节能技术包括变频节电技术、节能电机以及节能水泵等。此外电解槽可以通过机械性改造技术增加电解槽电负荷波动范围从而有效提升新能源消纳能力。铝电解槽大型化、智能化有助于企业实施能源智慧管控，从源头上节省电力。同时探索铝电解惰性阳极、新型火法炼锌技术、铜冶炼多金属回收及能源高效利用、铅冶炼能源系统优化和浸出渣资源化利用等关键性新技术。

5.1 超大容量铝电解槽[4]

超大容量铝电解槽磁流体稳定性技术，突破了600千安级铝电解槽磁流体稳定性技术瓶颈，为铝电解槽的高效、稳定运行奠定了基础。采用热平衡耦合控制技术，实现了600千安级铝电解槽预期的热平衡状态；并且能实现超大容量铝电解槽槽罩内负压分布的均匀性，保证电解槽工作稳定。电解槽大型化有利于降低投资、提高劳动生产率、提高资源利用率、维护成本低、劳力成本低等多项优点。此外大容量电解槽节电潜力很高，大部分已经应用的铝电解槽吨铝直流电耗在12500千瓦时/吨左右，与目前国内生产平均水平相差约1000千瓦时/吨。未来，大容量电解槽将逐步成为电解铝行业的主流技术，其系统结构见图3。

图 3 超大容量铝电解槽示意图

应用案例：百矿集团30万吨铝水工程项目，由东北大学设计研究院提供技术支撑。采用NEUI600高产率铝电解槽技术，建设一条年产300千吨铝水生产系统。建设内容包括主要生产车间和辅助生产系统。改造后，吨铝直流电耗12557千瓦时，吨铝可节约电457千瓦时，年产按照20万吨计算，年节约电量9140万千瓦时，带动二氧化碳减排7.85万吨。

5.2 汽电双驱同轴压缩机组[5]

该技术将两个压缩机集成在一个多轴齿轮箱上，采用三个入口导叶调节压缩机各段负荷，形成全新的一体式压缩机。汽轮机通过变速离合器，与空增压一体机及电机串联在一根轴系上。当主电机驱动压缩机旋转，产生的压缩空气送往空分装置进行空气分离，分离后的氧气送往冶炼装置，待反应炉产生高温尾气后，通过余热锅炉回收尾气中的热量，产生副产蒸汽，蒸汽带动汽轮机旋转，取消了汽轮发电环节，压缩机多变效率最高可达88%，能量回收效率高。相较于分轴机组该技术能有效提升压缩效率，节省电能从而降低运行费用，而且由于机组结构紧凑，还能减少占地空间。机组结构见图4。

图 4 MCRT机组示意图

应用案例：广西南国铜业有限责任公司15万吨铜冶炼空分装置项目，计划副产蒸汽用于汽轮发电机组，发电机效率97%；电机用于驱动，满载效率97%，总能量转化损失6%，该项目减少了能量转化环节，每年可节约电量800万千瓦时，折合年节约标煤2600吨，带动二氧化碳减排7209吨。项目综合年效益合计为3000万元，总投入为3400万元，投资回收期约1.1年[6]。汽电双驱增压一体式压缩机组，因其结构紧凑、调节方便、高效节能以及变工况范围宽等特点，将会广泛应用于空分装置等冶金、化工辅助装置中，但该技术也存在操作复杂和关键零件难以国产化等问题。

5.3 非稳态余热回收及饱和蒸汽发电技术[7]

非稳态余热通过余热锅炉将热量传递给循环工质，循环工质吸收热量后变为蒸汽进入储热器。储热器的作用是将非稳态的工况转化为稳态。稳态蒸汽进入机内除湿再热汽轮机做功，乏汽进入凝汽器，在其内凝结为水，经除氧后返回余热锅炉开始下一个循环，从而将非稳态余热资源转化为电能高效利用。适用对于电炉或转炉等尾部烟气的流量和温度周期性变化的余热资源的回收。非稳态余热回收的关键在于高效储能稳流技术和蒸汽轮机除湿再热技术的优化。该技术可以回收温度在200～1000摄氏度范围内，波动范围达80%的余热资源。该技术可解决在工业生产中，不同炉子或工序生产的不连续、不稳定的蒸汽或饱和蒸汽的回收利用。这些蒸汽往往品质较差，采用常规的汽轮机效率很低，且容易发生水蚀。采用饱和蒸汽汽轮机结合蓄热式饱和蒸汽稳流系统技术，可以使发电系统正常运行，从而充分利用非稳态的余热资源，未来推广潜力十分巨大。系统结构见图5。

图 5 饱和蒸汽发电技术流程图

应用案例：江西铜业铅锌金属有限公司基于基夫塞特直接炼铅工艺与湿法炼锌工艺的铅锌联合冶炼工艺，采用含氧98%的反应用风，通过富氧冶炼实现自热熔炼。采用连续脱铜炉脱铜，在粗铅脱铜过程中连续产出冰铜，缩短工艺流程，降低能源消耗。应用2000千瓦时感应电炉和双排水冷铸锭线，简化工艺配置，降低电耗。对基夫塞特炉竖炉烟气、基夫塞特炉电热区烟气、烟化炉烟气、沸腾焙烧炉烟气、分银炉高温余热、硫酸工段二氧化硫转化余热进行全面回收，全年余热发电约4280千瓦时。

06参考文献

[1] 中国有色金属工业协会.《中国有色金属工业年鉴2018》 [M]. 北京：中国有色金属工业协会，2022.

[2] International Aluminium Institute. Primary Aluminium Smelting Energy Intensity [OL].

[3] Aikaterini Boulamanti, Jose Antonio Moya. Production costs of the non-ferrous metals in the EU and other countries: Copper and zinc[J] Resources Policy,2016,49:112-118.

[4] 中华人民共和国工业和信息化部. 《国家工业节能技术应用指南与案例（2021）》之二：有色行业节能提效技术 [R]. 2022.

[5] 中华人民共和国工业和信息化部. 重点用能行业能效“领跑者”经验之三：铜冶炼行业 [OL].

[6] 中华人民共和国工业和信息化部. 《国家工业节能技术应用指南与案例（2020）》之二：冶金行业节能改造技术 [R]. 2022.

[7] 中华人民共和国工业和信息化部. 《国家工业节能技术应用指南与案例（2021）》之八：余热余压利用技术 [R]. 2022.

编辑：李晨曦

网址：有色冶金行业用电现状和节电技术 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/963291

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