鋁電解槽側(cè)壁余熱利用技術(shù)研究進展及應(yīng)用情況

馬 瓊

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730021)

我國是鋁電解生產(chǎn)大國，進入21世紀(jì)，鋁電解關(guān)鍵技術(shù)取得了長足發(fā)展?；谌埯}電解的電解鋁生產(chǎn)技術(shù)自發(fā)明一百多年以來，電能效率從48%提高到目前的50%，有研究表明利用余熱進行發(fā)電，也是提高鋁電解電能效率的一個非常有前景的研究方向(目前還有惰性陽極和換熱槽技術(shù))。2016年我國電解鋁產(chǎn)量為3 272萬t，約占全球總產(chǎn)量的56%，電耗按13 500 kW·h/t計算，每年總耗電量4.417 2×1011kW·h，散熱損失折算為電能高達2.208 6×1011kW·h,其中35%為電解槽側(cè)部散熱,25%為殘極散熱。按照5%的余熱利用率，1 kW·h電費按0.45元計算，每年節(jié)約資金約4.96億元。本項目研究可以為國內(nèi)企業(yè)節(jié)能降耗提供必要理論基礎(chǔ)和方法依據(jù)。

1 電解槽側(cè)壁余熱分析

1.1 電解槽側(cè)壁余熱情況

現(xiàn)代大型預(yù)焙鋁電解槽在930 ℃左右的高溫下進行，電解過程中，電解槽持續(xù)不斷的承受著熔融鋁液與電解質(zhì)的沖刷。鋁電解過程作為高能耗冶金過程，目前國內(nèi)噸鋁直流電耗最低約為12 800 kW·h，而理論上電解鋁的噸鋁電耗不過6 320 kW·h[1-2]，也就是說，鋁電解過程中輸入的電能中約有50%都是以熱能的形式散發(fā)到空氣中，浪費能源并惡化了生產(chǎn)車間的操作環(huán)境。

按照單位鋁產(chǎn)量核算的能量平衡式：W=W理+W熱損。W理是用于鋁電解本身的電能，W熱損是電解槽的熱量損失。鋁電解槽散熱情況見圖1、圖2，500 kA鋁電解槽熱平衡情況見表1，鋁電解過程電能消耗分配見表2。

圖1 典型預(yù)焙陽極電解槽散熱分布(資料來源：文獻[2])

結(jié)合以上圖表可以看出，鋁電解過程所輸入的電能中，約50%都轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)掉了。鋁電解槽散熱量可分為頂部散熱量、底部散熱量、側(cè)部散熱量三部分，側(cè)部散熱量(含陰極鋼棒)占全部散熱量的43%左右[1-3](圖1)。電解槽側(cè)壁由保溫磚、防滲料、耐火磚等多種材料砌筑而成，電解過程中電解槽側(cè)壁主要承受高溫熔體的作用，爐幫與槽側(cè)部內(nèi)襯和槽殼構(gòu)成一個側(cè)部多層壁散熱體，側(cè)壁外溫高達350 ℃左右[2]。目前情況下，國內(nèi)電解槽的側(cè)壁熱量都是以自然對流的形式通過格柵散發(fā)到車間內(nèi)部，這也是電解車間內(nèi)環(huán)境溫度高的主要原因。

圖2 200～400 kA電解槽散熱量

名稱參數(shù)/kW比例/%1 熱收入(不含反應(yīng)能耗)1075.602 熱損失1055.15100 2.1 陽極熱損失490.5446.49 其中:覆蓋料229.5021.75 鋼爪194.4618.43 導(dǎo)桿66.586.31 2.2 陰極熱損失564.6153.51 其中:槽殼304.8328.89 搖籃架179.0616.97 鋼棒及軟帶80.727.653 熱不平衡度1.90%

表2 鋁電解過程電能消耗分配 %

當(dāng)前全球能源緊張，世界各國的冶金工作者都在積極探索鋁電解的節(jié)能途徑，如低溫鋁電解、惰性陽極、陽極開槽技術(shù)、石墨化陰極碳塊、陰極TiB2涂層等，這些技術(shù)的開發(fā)都在一定程度上降低了電解槽的能量消耗，但是提高的幅度并不大。

節(jié)能降耗、提產(chǎn)提質(zhì)是鋁電解永恒的話題。不同大小的鋁電解槽的散熱情況見圖2，隨著鋁電解槽的大型化，單槽散熱損失也隨之增加，綜合圖1、圖2可以看出，鋁電解槽余熱回收具有巨大意義。

以年產(chǎn)90萬t的500 kA電解槽來計算，噸鋁直流電耗按13 000 kW·h計，每年散失掉的熱量折合電能為5.85×108kW·h，按側(cè)部散熱量(含陰極鋼棒)占全部散熱量的43%左右計算，側(cè)部散熱折合電能為2.52×108kW·h，回收率按5%計，1 kW·h電費用按0.45元計，一年可回收電能折合人民幣567萬元。

1.2 電解槽側(cè)壁余熱回收對操作工藝的影響

從操作工藝來講，側(cè)壁有換熱時，電解槽側(cè)部結(jié)殼較合理，尤其是靠近伸腿部位的結(jié)殼趨于合理，有利于促使形成較規(guī)整的爐膛內(nèi)形。槽幫結(jié)殼就是熔融電解質(zhì)沿爐膛內(nèi)壁結(jié)晶成的一圈固態(tài)電解質(zhì)，以不同厚薄程度連續(xù)存在的固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)成了爐膛空間，鋁電解的電化學(xué)及物理化學(xué)反應(yīng)就在此空間內(nèi)進行著，從而實現(xiàn)電解過程。這層結(jié)殼是良好的電絕緣和絕熱材料，既能起到保溫爐膛作用，還能防止漏電，與此同時，良好的爐膛形狀可使電流密度高而集中，也可以使電解質(zhì)和鋁液流動順暢、氣體排除容易 ，從而獲得較高的電流效率。

對于槽體下部來講，電解槽的爐膛內(nèi)鋁液和電解質(zhì)的流動，會造成高溫熔體的大量熱能以對流的方式向槽內(nèi)襯傳遞，槽內(nèi)襯中的熱量以傳導(dǎo)的形式經(jīng)由碳化硅磚、耐火材料、保溫材料等傳向槽殼，再由槽殼表面向周圍環(huán)境以對流和輻射的方式散發(fā)出去。

回收側(cè)部余熱可以影響到陰極熱場，達到整個陰極等溫線上移的效果。以陰極底部為例，底部溫度由余熱回收前的843.3 ℃降低為余熱回收后的810.9 ℃[4]。側(cè)部余熱回收有利于電解槽形成較規(guī)整的爐膛內(nèi)形，從而引起電解槽陰極炭塊等溫線的上移。

2 電解槽余熱利用技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國外換熱型電解槽研究進展

新型換熱式鋁電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)主要以挪威海德魯公司(Norsk Hydro A.S)和法國彼施涅公司(Pechiney)的技術(shù)為代表[3,5](圖3、圖4)。海德魯公司在電解槽鋼殼內(nèi)側(cè)直接采用碳化硅成型冷卻裝置，用于回收電解槽側(cè)部散失的熱量；彼施涅公司是在槽殼外部安置一定數(shù)量的多孔性材料層，在多孔性材料層中通入空氣、金屬蒸汽等，以此為介質(zhì)回收電解槽側(cè)部散失的熱量。

1.陰極；2.電解質(zhì)；3.陽極；4.爐幫；5.槽面；6.放氣閥；7.接口；8.熱管；9.碳化硅材料；10.接口件；11.槽殼；12.氣壓表；13.換熱片；14.換熱器圖3 海德魯公司換熱電解槽

1.耐火磚；2.陰極鋼棒；3.進氣口；4.多孔材料；5.容器；6.出氣口；7.換熱器；8.閥門；9.接口；10.爐幫；11.陽極；12.鋼爪；13.碳化硅磚；14.搗糊圖4 法國彼施涅公司換熱電解槽

美國的Ingo Bayer，Richards Bay通過在電解槽的側(cè)部碳化硅板和槽殼之間安裝熱管，在管內(nèi)通入空氣或液態(tài)介質(zhì)來強制冷卻電解槽，利用熱管帶出的熱量來加熱氧化鋁[5]。其電解槽熱管安裝結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

加拿大多倫多的Laurent Fiot等人也在電解槽側(cè)部布置冷卻裝置[5]，見圖6。

1.接口; 2.進氣管; 3.大面熱管裝置; 4.小面熱管裝置; 5.搖籃架; 6.大面熱管裝置; 7.匯接頭; 8.陰極; 9.碳化硅磚; 10.熱管圖5 美國lngo Bayer發(fā)明的強制散熱換熱電解槽(資料來源：文獻[5])

1.爐幫; 2.碳化硅磚; 3.鋼槽殼; 4.限制閥; 5.限制閥; 6.冷區(qū)系統(tǒng); 7.匯集導(dǎo)管; 8.陰極鋼棒; 9.保溫磚圖6 加拿大Laurent Fiot發(fā)明的強制散熱 換熱電解槽(資料來源：文獻[5])

2.2 國內(nèi)電解槽余熱利用研究進展

2.2.1 余熱溫差發(fā)電裝置的研究

余熱溫差發(fā)電裝置是依據(jù)鋁電解槽散熱孔的尺寸結(jié)構(gòu)、散熱孔側(cè)板的高溫條件，利用車間內(nèi)已有壓縮空氣系統(tǒng)進行風(fēng)冷散熱，研制出適合鋁電解槽散熱孔結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電裝置[1-2,6]，鋁電解槽散熱孔余熱發(fā)電原理圖見圖7。

圖7 鋁電解槽散熱孔余熱發(fā)電原理圖

生產(chǎn)現(xiàn)場測試表明余熱發(fā)電系統(tǒng)工作穩(wěn)定、管理方便而且輸出功率可觀，缺點是成本較高、效率較低。作為電解鋁生產(chǎn)大國，目前鋁電解槽余熱完全沒有被利用是一個很大的缺憾與浪費，上述系統(tǒng)為側(cè)壁余熱利用、實現(xiàn)鋁電解節(jié)能減排指明了一個重要的發(fā)展方向；也說明在電解槽中運用溫差發(fā)電技術(shù)將有著極大的經(jīng)濟效益和社會效益[1-2]。

2.2.2 換熱型電解槽的研究進展

東北大學(xué)王兆文等[4]設(shè)計研制了2 kA新型換熱電解槽，研究了NaNO2-KNO3-NaNO3系熔鹽體的物理化學(xué)性質(zhì)，進行了換熱電解試驗。試驗結(jié)果表明：利用這種換熱系統(tǒng)的電解槽可以平穩(wěn)運行，同時可成功回收側(cè)部散熱量80%左右；回收熱量的同時，通過換熱系統(tǒng)的運行，可有效控制電解槽的側(cè)部結(jié)殼厚度，改善鋁電解槽爐幫的使用壽命，給體系換熱介質(zhì)在鋁電解槽上的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

東北大學(xué)王超[5]在2009年也進行了“新型余熱回收型鋁電解槽的研究”，研究對電流密度在1 A/cm2左右的電解槽側(cè)壁安裝換熱器的工作條件進行測試，并且找到了熔鹽的流量、換熱熔鹽入口溫度及進出口溫差、換熱功率等參數(shù)之間的變化規(guī)律，對進一步開展工業(yè)級余熱回收型電解槽研究及設(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。

3 國內(nèi)鋁電解槽余熱利用現(xiàn)狀

雖然國內(nèi)近五年來有關(guān)企業(yè)對國外余熱利用型電解槽進行了多次考察，也開展了相關(guān)研究，但是國內(nèi)鋁電解槽余熱利用現(xiàn)狀仍不容樂觀。主要做法：①把回收熱量的一小部分用于加熱新陽極、加熱氧化鋁，其余部分被用于生活供熱；②熱交換得到的高溫熔鹽作為氧化鋁生產(chǎn)中溶出工序的加熱介質(zhì)使用；③把回收的熱能轉(zhuǎn)化為電能，進行溫差發(fā)電應(yīng)用于照明。所有這些對于余熱的利用，在國內(nèi)都未進行大型推廣和工業(yè)化使用，主要原因：一是目前各種余熱回收的利用手段雖然在理論上具有可行性，也取得了實驗研究的成功，但是實際應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中并不經(jīng)濟，這是因為在余熱利用的同時又造成了余熱利用系統(tǒng)的新增投資、運行維護投入；二是余熱利用的各種技術(shù)手段雖具備了研究的初步成果和理論上的可行性，要真正投入工業(yè)生產(chǎn)還需進行多次工業(yè)化實驗，進而獲取豐富的數(shù)據(jù)資料，這需要研究機構(gòu)與企業(yè)達成共識來共同完成；三是研究機構(gòu)與企業(yè)之間的合作不夠深入扎實，致使很多研究成果并未轉(zhuǎn)化為企業(yè)技術(shù)動力；四是鋁電解技術(shù)在國內(nèi)還在繼續(xù)擴張，企業(yè)還有一定的盈利空間，對于余熱的利用并未引起大部分企業(yè)的重視。

4 結(jié)語

綜上所述，針對世界及國內(nèi)鋁電解槽余熱回收項目進行的研究，可以看出，對于側(cè)部余熱的回收是非常必要的，也具有可行性，本文僅僅是對鋁電解槽余熱利用研究進展進行分析介紹，希望鋁電解槽龐大的余熱損失能引起國內(nèi)企業(yè)開展這方面技術(shù)專門研究的興趣，也希望現(xiàn)有的研究成果能在相關(guān)企業(yè)開展工業(yè)化實驗。我國作為世界鋁電解大國，在向鋁電解強國邁進過程中應(yīng)該在節(jié)能降耗方面引領(lǐng)發(fā)展并做出貢獻，建議如下：①加強研究院所、學(xué)校與企業(yè)的合作，將有關(guān)研究成果盡快投入工業(yè)化實驗，在生產(chǎn)實踐中檢驗并進一步完善，以期能在部分企業(yè)率先推廣取得實效；②應(yīng)盡快開展側(cè)部余熱利用智能控制系統(tǒng)的研究，通過智能控制實現(xiàn)余熱回收、槽堂內(nèi)形規(guī)整，進而實現(xiàn)異常槽況預(yù)報、陽極效應(yīng)預(yù)報等功能。