鋁電解槽節(jié)能技術(shù)發(fā)展歷程及特點(diǎn)分析

星占雄

（中國(guó)鋁業(yè)青海分公司，青海 西寧 810108）

節(jié)能減排是當(dāng)今中國(guó)各工業(yè)領(lǐng)域工作的重中之重，國(guó)家高度重視節(jié)能減排工作。電解鋁工業(yè)則是有色行業(yè)中的傳統(tǒng)耗能大戶，因此加強(qiáng)鋁電解行業(yè)的節(jié)能減排顯得尤為重要[1，2]。

在節(jié)能減排、綠色發(fā)展成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展主題的今天，各大鋁業(yè)公司從來沒有停止過在電解鋁領(lǐng)域的研發(fā)工作，一直投入巨資開展節(jié)能技術(shù)開發(fā)研究，以占領(lǐng)鋁電解綠色發(fā)展的制高點(diǎn)。

近十幾年來，中國(guó)電解鋁產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，從2005年778萬(wàn)噸，迅速發(fā)展到2018年的3430萬(wàn)噸，伴隨著產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)，鋁電解節(jié)能技術(shù)也在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)鋁電解科技工作者在降低鋁電解槽電壓方面研發(fā)了多種新的節(jié)能技術(shù)[3-5]，如無效應(yīng)低電壓技術(shù)、異形陰極技術(shù)、雙鋼棒技術(shù)等，槽電壓較之前有較大幅度的降低，取得了良好的節(jié)能效果，這些技術(shù)在不同的階段對(duì)推動(dòng)節(jié)能降耗均發(fā)揮了重要作用。最新出現(xiàn)的新型穩(wěn)流保溫鋁電解節(jié)能技術(shù)及更低能耗鋁電解節(jié)能技術(shù)是目前鋁電解節(jié)能方面最為先進(jìn)的技術(shù)，使行業(yè)噸鋁直流電耗大幅降低。本文詳細(xì)介紹各種節(jié)能技術(shù)，通過對(duì)鋁電解節(jié)能特點(diǎn)分析，為以后鋁電解節(jié)能技術(shù)的研發(fā)提供一些參考，同時(shí)指出了未來鋁電解節(jié)能技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢(shì)。

1 鋁電解節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)的電解鋁產(chǎn)量在國(guó)際上處于遙遙領(lǐng)先的地位，鋁電解技術(shù)在國(guó)際上也處于領(lǐng)先水平，伴隨著產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，鋁電解節(jié)能技術(shù)同樣取得了巨大進(jìn)步，形成了一系列先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)在節(jié)能降耗方面發(fā)揮了重要作用，下面就對(duì)這些有代表性的鋁電解節(jié)能技術(shù)作較為詳細(xì)的介紹和分析。

1.1 無效應(yīng)低電壓技術(shù)

中國(guó)鋁業(yè)鄭州研究院和部分電解鋁企業(yè)從2004年開始通過聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，突破了電解鋁等待效應(yīng)及高槽電壓運(yùn)行的傳統(tǒng)工藝技術(shù)，成功開發(fā)了鋁電解槽長(zhǎng)期無效應(yīng)狀態(tài)下高效穩(wěn)定運(yùn)行的工藝技術(shù)、控制技術(shù)和低電壓鋁電解節(jié)能成套關(guān)鍵技術(shù)[6]。通過對(duì)氧化鋁溶解性能和碳渣分離機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)氧化鋁濃度處于1.5%～2.5%的低窄范圍時(shí)，電解質(zhì)與炭渣具有良好分離性能，且氧化鋁溶解性能良好，爐底不產(chǎn)生沉淀，探明了電解槽不再需要陽(yáng)極效應(yīng)來熔化清理爐底沉淀和分離炭渣的規(guī)律。通過對(duì)氧化鋁濃度與槽電阻關(guān)系的研究，開發(fā)了以一元二次偏拋物線回歸模型為基礎(chǔ)的無效應(yīng)電解鋁控制技術(shù)，解決了氧化鋁濃度精確預(yù)估與控制的技術(shù)難題，取消了效應(yīng)等待的控制策略、提高了氧化鋁濃度控制精度，為無效應(yīng)電解工藝技術(shù)的實(shí)施提供了技術(shù)保障。開發(fā)了基于能量平衡為基礎(chǔ)的與低電壓條件相匹配的低溫鋁電解工藝技術(shù)，為降低槽電壓提供了科學(xué)依據(jù)。首次在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)了鋁電解的無陽(yáng)極效應(yīng)低電壓工藝生產(chǎn)運(yùn)行，形成了一整套無效應(yīng)低耗能的鋁電解生產(chǎn)工藝技術(shù)。

該技術(shù)2004年在國(guó)家大型鋁電解工業(yè)試驗(yàn)基地進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)槽陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)平均0.004次/槽.日，推廣后平均陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)＜0.03次/槽.日；槽電壓降低293mV，噸鋁節(jié)電1125kWh。2006年中鋁公司在所有槽型上全面推廣該技術(shù)，獲得了巨大經(jīng)濟(jì)效益，該技術(shù)研發(fā)成功后，迅速在鋁行業(yè)得到推廣應(yīng)用，極大地推動(dòng)了鋁工業(yè)的節(jié)能減排和科技進(jìn)步。

但是該技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在問題，主要問題有：①各應(yīng)用企業(yè)間能耗差別大；②個(gè)別企業(yè)前期應(yīng)用效果良好，后期指標(biāo)有所反彈；③精益管理受人為因素影響較大。

1.2 異型陰極技術(shù)

東北大學(xué)、中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司等自2007年起開始對(duì)鋁電解重大節(jié)能技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并成功開發(fā)出新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽成套技術(shù)[7]。

新型陰極結(jié)構(gòu)阻流技術(shù)主要是通過陰極凸臺(tái)降低鋁液流速，提高鋁液穩(wěn)定性，提高電解槽穩(wěn)定性，從而降低槽電壓，降低電解槽能耗，異形陰極鋁電解槽在焙燒啟動(dòng)期間，會(huì)因陰極凸臺(tái)受熱不均，產(chǎn)生熱應(yīng)力而造成脫落，且部分企業(yè)脫落現(xiàn)象嚴(yán)重，脫落比例較大。陰極凸臺(tái)的脫落會(huì)影響凸臺(tái)的阻流作用，影響進(jìn)一步節(jié)能降耗效果。并且部分企業(yè)在應(yīng)用異形陰極技術(shù)過程中出現(xiàn)電壓反彈、能耗不能保持的現(xiàn)象，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因有：①焙燒啟動(dòng)期間出現(xiàn)陰極凸臺(tái)脫落的現(xiàn)象；②爐底沉淀多，使異形陰極電解槽的阻流作用難以發(fā)揮；③操作管理難度加大。

1.3 阻流塊技術(shù)

沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院發(fā)明了的鋁電解槽阻流節(jié)能新技術(shù)[8]，以現(xiàn)有在產(chǎn)電解槽為基礎(chǔ)，不對(duì)鋁電解槽進(jìn)行任何結(jié)構(gòu)改變，通過在鋁液中放入阻擋塊，降低鋁液流速，抑制鋁液波動(dòng)，提高電解槽穩(wěn)定性，調(diào)整電解槽工藝參數(shù)，從而達(dá)到降低極距，提高電流效率、降低電耗的目的。阻流塊技術(shù)的缺點(diǎn)是阻流塊在電解槽中的位置不固定，會(huì)出現(xiàn)漂移，操作管理難度大，有時(shí)還會(huì)影響到換極作業(yè)。并且還會(huì)逐漸被溶解，失去阻流的效果，現(xiàn)在已經(jīng)基本不用。

1.4 雙鋼棒技術(shù)

雙鋼棒鋁電解節(jié)能技術(shù)通過在陰極鋼棒上開縫改變靠近出電端鋼棒的電阻，從而降低水平電流，提高電解槽穩(wěn)定性，降低槽電壓，降低能耗[9-11]。雙鋼棒技術(shù)在前期應(yīng)用過程中取得了良好的效果，水平電流大幅降低，節(jié)電效果比較明顯。雙鋼棒技術(shù)在應(yīng)用過程中存在以下問題：①通過絕緣調(diào)整陰極電阻容易引起陰極局部電流過于集中，熱應(yīng)力大；②局部電流集中容易造成局部過熱，造成爐底散熱偏大。

雙鋼棒鋁電解節(jié)能技術(shù)在企業(yè)應(yīng)用過程中還出現(xiàn)了陰極區(qū)散熱分布不合理的問題，對(duì)電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行及指標(biāo)造成了較大影響。

1.5 富鋰氧化鋁的鋁電解節(jié)能技術(shù)

富鋰氧化鋁的電解鋁節(jié)能技術(shù)主要是針對(duì)當(dāng)前電解質(zhì)體系中鋰鉀富集造成電解質(zhì)成分復(fù)雜化，指標(biāo)惡化提出了解決方法，通過工藝條件調(diào)整，或獲得較好能耗指標(biāo)[12]。

該技術(shù)揭示了鋰含量、分子比與電流效率的規(guī)律，突破了降低電解溫度提高電流效率傳統(tǒng)理論對(duì)鋁電解工藝技術(shù)的束縛，為富鋰氧化鋁低溫電解槽的正常生產(chǎn)運(yùn)行提供了理論支撐。當(dāng)電解溫度過低時(shí)，氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解能力成為制約電解鋁生產(chǎn)的主導(dǎo)因素，將出現(xiàn)爐底沉淀增加槽況惡化的現(xiàn)象；當(dāng)調(diào)整成分無法將電解溫度保持在正常運(yùn)行范圍的時(shí)候，電解質(zhì)中鋰鹽濃度就是極限濃度。根據(jù)電解質(zhì)成分的不同，其濃度范圍在5.6%～7.0%。開發(fā)了富鋰氧化鋁的調(diào)控技術(shù)，解決了電解鋁企業(yè)合理匹配富鋰氧化鋁使用的技術(shù)難題。建立富鋰氧化鋁中鋰含量與電解質(zhì)中氟化鋰平衡濃度的關(guān)系模型，推薦的富鋰氧化鋁中氧化鋰含量控制在0.05%比較適宜，對(duì)應(yīng)的電解質(zhì)中的LiF含量在3.5%～5%。企業(yè)可將幾種不同鋰含量的氧化鋁混配使用，以達(dá)到既節(jié)能又降低采購(gòu)成本的目的。研發(fā)了導(dǎo)電率大于2.5s/cm的高導(dǎo)電電解質(zhì)體系，開辟了通過提升電解質(zhì)導(dǎo)電率實(shí)現(xiàn)電解鋁節(jié)能的新途徑，為企業(yè)選取工藝技術(shù)路線提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐支撐。雖然電解質(zhì)中鋰鹽含量的增加，會(huì)導(dǎo)致電流效率降低，但該電解質(zhì)體系仍有300kWh/t-Al～600kWh/t-Al的節(jié)能空間。開發(fā)了不同鋰鹽含量下富鋰氧化鋁鋁電解的工藝匹配技術(shù)。以上四項(xiàng)技術(shù)構(gòu)成了富鋰氧化鋁的鋁電解節(jié)能技術(shù)體系。

工業(yè)應(yīng)用表明，高鋰低溫狀態(tài)下富鋰氧化鋁的鋁電解節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，取得了電流效率提高0.7%～1.3%，直流電耗降低150kWh/t-Al～300kWh/t-Al，氟化鋁單耗降低2kg～3kg的效果。較低鋰鹽狀態(tài)下，采用了導(dǎo)電率大于2.5s/cm的富鋰氧化鋁鋁電解節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)直流電耗降低400kWh/t-Al，傳統(tǒng)電解槽鋁錠綜合能耗達(dá)到13350kWh/tAl。

1.6 新型穩(wěn)流保溫鋁電解節(jié)能技術(shù)

新型穩(wěn)流保溫鋁電解節(jié)能技術(shù)突破了傳統(tǒng)鋁電解低電壓低效率的技術(shù)缺陷，首次實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽低電壓下高效率平穩(wěn)運(yùn)行，電解槽平均電壓3.70V～3.71V之間，電流效率達(dá)到93.0%～93.5%，直流電耗達(dá)到11815kWh/t-Al以下。建立了鋁液、陰極碳?jí)K、鋼棒同步優(yōu)化組合復(fù)合穩(wěn)流模式，在陽(yáng)極電流密度0.74A/cm2時(shí)，陰極壓降可降低至145mV，同時(shí)優(yōu)化了陰極鋁液和陰極碳?jí)K的電流分布，使鋁液和陰極碳?jí)K中的電流分布更加均勻，中縫位置陰極碳?jí)K垂直電流密度電流增加了2.9%，出電端垂直電流降低了32.7%。創(chuàng)新了電解槽能量平衡設(shè)計(jì)理念，更加注重電解質(zhì)初晶溫度等溫線在內(nèi)襯材料中的位置，在確保陰極碳?jí)K不會(huì)受到冷凍破壞的同時(shí)，又可使保溫材料不會(huì)受到破壞，既減少了電解槽的底部散熱，又可保障槽壽命。首次開發(fā)出了穩(wěn)流高導(dǎo)鋼棒，常溫電導(dǎo)率由普通鋼棒的4.03m/Ω·mm2提高到9.45m/Ω·mm2[13]。

目前，新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)推廣產(chǎn)能約200萬(wàn)噸，涉及產(chǎn)能將近1000萬(wàn)噸。企業(yè)施用該技術(shù)后，原系列噸鋁直流電耗13000kWh/t-Al以上的系列較實(shí)施前均取得噸鋁節(jié)電500kWh以上的效果，原噸鋁直流電耗13000kWh/t-Al以下的系列均實(shí)現(xiàn)鋁液直流電耗小于12500kWh/t-Al。該技術(shù)于2016年榮獲中國(guó)有色協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2017年被國(guó)家發(fā)改委列入國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄，2018年被國(guó)家發(fā)改委評(píng)為2018年度中國(guó)工業(yè)領(lǐng)域十佳節(jié)能技術(shù)，2019年獲河南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

1.7 更低能耗鋁電解節(jié)能技術(shù)

更低能耗鋁電解節(jié)能技術(shù)采用單鋼棒技術(shù)降低鋁液水平電流和爐底壓降，結(jié)合陰極結(jié)構(gòu)阻尼技術(shù)，發(fā)揮各穩(wěn)流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，形成復(fù)合穩(wěn)流技術(shù)，同時(shí)開發(fā)出高導(dǎo)電鋼棒，共同實(shí)現(xiàn)降低鋁液水平電流，降低爐底壓降，降低鋁液界面變形和流速的目的；開發(fā)出與復(fù)合穩(wěn)流技術(shù)相匹配的低爐底壓降磷生鐵澆鑄技術(shù)，結(jié)合陽(yáng)極鋼爪優(yōu)化技術(shù)，形成了更低能耗下電壓平衡技術(shù)。然后通過上部集氣方式改造和密封形成低煙氣流量高集氣效率技術(shù)、槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低側(cè)部散熱技術(shù)和低爐底壓降爐底保溫技術(shù)的開發(fā)，形成了更低能耗下能量平衡技術(shù)。最后通過更低能耗下電壓平衡、能量平衡與工藝參數(shù)綜合匹配技術(shù)，智能打殼管控系統(tǒng)確保電解槽在更低能耗下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[14]。

試驗(yàn)槽長(zhǎng)期平均鋁液直流電耗達(dá)到12053kWh/t-Al，其中一臺(tái)試驗(yàn)槽獲得鋁液直流電耗11626kWh/t-Al的最好指標(biāo)；系列推廣應(yīng)用后，平均鋁液直流電耗可以達(dá)到12160kWh/t-Al，與目前國(guó)內(nèi)平均鋁液直流電耗13000kWh/t-Al相比，噸鋁節(jié)電800kWh以上，節(jié)能降耗效果顯著，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。

2 鋁電解節(jié)能技術(shù)發(fā)展方向

節(jié)能技術(shù)的研發(fā)是鋁電解工作的重中之重，隨著鋁電解技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來鋁電解的直流電耗會(huì)逐漸降低。通過降低電解槽各部分壓降來降低槽電壓，以及提高電流效率是節(jié)能的兩個(gè)主要方面。在降低槽電壓方面，可開展的工作主要有采用優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極降低陽(yáng)極壓降，選用高導(dǎo)電材料替代陽(yáng)極鐵質(zhì)鋼爪和陰極鋼棒，磷生鐵澆注技術(shù)降低陰極壓降以及提高電解質(zhì)導(dǎo)電性能降低極間壓降等等。可以通過上部結(jié)構(gòu)改造和內(nèi)襯材料優(yōu)選設(shè)計(jì)等措施來減少散熱。在提高電流效率方面，可以在陰極穩(wěn)流和降低水平電流方面做研究。降低槽電壓的同時(shí)，輔以提高電流效率，二者相結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)鋁電解的節(jié)能降耗。