啟明星鋁業(yè)鋁電解槽節(jié)能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

（四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司，四川眉山 620041）

我國(guó)電解鋁產(chǎn)量自2002年起連續(xù)十四年全球第一，2018年我國(guó)電解鋁產(chǎn)量為3580萬(wàn)噸[1]。隨著電解鋁產(chǎn)量的提升，其消耗的電能也大大的增加。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)有色金屬加工行業(yè)中電解鋁工業(yè)所消耗的電能達(dá)到了整個(gè)行業(yè)耗電總量的67.2%，約占我國(guó)電力總消耗量的4.93%[2]。由于電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中電力的消耗費(fèi)用逐年提高，使得電力費(fèi)用在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中的成本比例達(dá)到了40%以上，而國(guó)外電解鋁的生產(chǎn)成本中電力成本只占25%左右，無(wú)法與國(guó)外企業(yè)形成有效的競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致電解鋁廠產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益低下。因此，有效的控制電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中的電力成本，加強(qiáng)節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，是提高我國(guó)電解鋁廠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高我國(guó)電解鋁廠經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。

1 鋁電解節(jié)能途徑分析

以下是每噸鋁直流電耗公式：

從公式（1）中可以看出，通過(guò)降低電解槽平均電壓，或者提高電解槽電流效率，能有效降低噸鋁直流能耗。

根據(jù)噸鋁直流能耗公式（1）可知，當(dāng)電解槽平均電壓處于穩(wěn)定不變的狀況時(shí)，每提高電解槽電流效率1%，就可使噸鋁直流能耗有效的降低140千瓦時(shí)。但是電解槽電流效率與電解槽陰極鋁液的面積、鋁在電解質(zhì)溶液中的擴(kuò)散度、電解質(zhì)的濃度、鋁液的流速、電解質(zhì)溶液的流速、電解槽中陰陽(yáng)兩極之間的距離以及鋁在電解質(zhì)溶液中的濃度等因素有關(guān)[2]。

通過(guò)噸鋁直流能耗公式（1）可知，降低電解槽平均電壓，也可有效的降低噸鋁直流能耗，因此，有效的降低電解槽平均電壓也成為了我國(guó)電解鋁廠降低噸鋁直流能耗的重要途徑。

圖1 槽電壓及其電壓和電能分配

本文選取目前最具有代表性的現(xiàn)代電解鋁工業(yè)電解槽平常槽電壓組成示意圖[5]。從圖1中可知，影響電解槽平均電壓的根本因素是在電解槽示意圖中占比達(dá)到38%的電解質(zhì)電壓降。因此，要想有效的降低電解槽平均電壓，首先就要降低電解質(zhì)電壓降，而電解質(zhì)電壓降的大小又受到電解槽兩極之間的距離所影響。

但是當(dāng)極距降低到某一程度時(shí)，會(huì)使得電解槽電流效率出現(xiàn)大幅的下降，如圖2所示[4]。

圖2 電流效率與極距的關(guān)系

2 降低槽電壓關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

2.1 不停電狀態(tài)下電解槽母線改造技術(shù)

目前，在電解槽強(qiáng)磁場(chǎng)與大電流的環(huán)境下進(jìn)行早期母線配置的改造，屬于世界性難題。針對(duì)這一技術(shù)問(wèn)題，四川啟明星鋁業(yè)公司通過(guò)大量的研究與實(shí)驗(yàn)從而發(fā)明出了一種在電解槽不斷電的狀態(tài)下對(duì)其母線配置進(jìn)行改造的方法。

從圖3中可以清晰的看出，電解槽母線改造對(duì)鋁液波動(dòng)影響變化十分明顯，在其改造前對(duì)于鋁液的影響波動(dòng)的最大值為44Gauss，而改造其最大值則為25Gauss，直接下降了43%。另外，改造后電解槽母線壓降降低35mV，電解槽停槽壓降降低65mV。

2.2 凸型陰極結(jié)構(gòu)電解槽技術(shù)

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的電解槽其鋁液的波動(dòng)幅度最高可達(dá)5.9mm，在使用陰極異型凸臺(tái)后，其鋁液的波動(dòng)幅度的最大值為4.8mm，較之為使用異型凸臺(tái)的電解槽鋁液波動(dòng)幅度減低了18.6%[6]。同時(shí)由于鋁液波動(dòng)幅度的減小，電解槽兩極之間的極距也能得到有效的減小。

圖3 電解槽母線改造前后其鋁液層磁場(chǎng)變化柱形圖（單位：Gauss）

圖4 母線改造前后電解槽母線壓降、停槽壓降變化情況(單位：mv)

當(dāng)對(duì)電解槽陰極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，在其鋁液的水平出現(xiàn)下降后，其流速也下降了15%左右。因此，凸型陰極槽的應(yīng)用，可以有效降低電解槽內(nèi)鋁液波動(dòng)幅度以及流動(dòng)速度，從而為降低電解槽平均電提供了有利的條件。

2.3 全保溫型電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)技術(shù)

在低電壓狀態(tài)下對(duì)鋁電解槽進(jìn)行熱電數(shù)學(xué)模型解析，同時(shí)對(duì)不同結(jié)構(gòu)與不同工藝的鋁電解槽的熱場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算與分析，從而對(duì)其外殼形狀、殼外溫度以及在其表面形成的熱流場(chǎng)有著清晰的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而得出電解槽在低電壓狀態(tài)下，傳統(tǒng)的底部保溫、側(cè)部散熱的設(shè)計(jì)，無(wú)法有效地對(duì)其進(jìn)行保溫。只有不斷優(yōu)化和加強(qiáng)其底部保溫，同時(shí)也需將其側(cè)部設(shè)計(jì)由散熱轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，從而形成全方位的全保溫設(shè)計(jì)理念，提升電解槽的保溫性能。

從圖5中可以看出，在進(jìn)行保溫改造前，電解槽各區(qū)域的平均溫度到達(dá)了183℃。但是通過(guò)加強(qiáng)保溫后，各區(qū)域的穩(wěn)定明顯下降了40℃，這樣說(shuō)明電解槽在進(jìn)行電解槽保溫加強(qiáng)后，其散熱溫度明顯降低。

圖5 電解槽保溫前后槽殼表面溫度變化情況對(duì)比（單位：℃）

2.4 預(yù)焙陽(yáng)極深度開(kāi)槽技術(shù)

通過(guò)對(duì)電解槽周圍電解質(zhì)流場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，將其中多余的陽(yáng)極氣體進(jìn)行排放，然后在進(jìn)行電解槽陽(yáng)極的深度開(kāi)槽，從而促進(jìn)陽(yáng)極碳?jí)K氣膜電阻壓降的降低。

圖6 不同陽(yáng)極碳?jí)K壓降對(duì)比（單位：mV）

通過(guò)預(yù)焙陽(yáng)極深度開(kāi)槽技術(shù)，使其開(kāi)槽深度達(dá)到300mm，占整個(gè)陽(yáng)極電解槽高度的50%，比之未進(jìn)行開(kāi)槽的陽(yáng)極電解槽其陽(yáng)極碳?jí)K的壓降明顯的下降了62mV。因此，陽(yáng)極深度開(kāi)槽技術(shù)，可以有效的降低電解槽陽(yáng)極電壓。

3 保障低電壓下電解槽取得較高電流效率的關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

在低電壓實(shí)際生產(chǎn)中，隨著電壓降低，能量輸入減少，電解槽過(guò)熱度減小，電解槽在高鋁水和低過(guò)熱度條件下加劇了爐底沉積的形成，以及側(cè)部出現(xiàn)伸腿過(guò)長(zhǎng)等冷態(tài)化現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響電解槽的運(yùn)行狀態(tài)。

因此，在電解槽低電壓工藝的實(shí)施應(yīng)在其內(nèi)部低鋁水的情況下進(jìn)行。四川啟明星鋁業(yè)在2006年開(kāi)發(fā)成功的能量與物料雙平衡鋁電解槽計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，已不適合鋁電解槽的低電壓生產(chǎn)運(yùn)行需要，必須進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。要確保電解槽穩(wěn)定高效健康運(yùn)行，必須建立適宜的工藝技術(shù)規(guī)范，雙平衡控制技術(shù)才能建立合適的計(jì)算機(jī)控制規(guī)范。如前所述電流效率不僅是控制的結(jié)果，也是制定其他技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)。不同電流效率需要不同的工藝技術(shù)參數(shù)的組合見(jiàn)表1，為克服低電壓低過(guò)熱度的影響，對(duì)電解槽進(jìn)行保溫措施以減少熱損失，以及生產(chǎn)中工藝技術(shù)的及時(shí)調(diào)整，從而有效的對(duì)其在運(yùn)行的過(guò)程中電壓與熱損失的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行判定。

表1 工藝技術(shù)規(guī)范示意表

4 節(jié)能的總體效果

4.1 降電壓效果

通過(guò)對(duì)上訴關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，可知當(dāng)電解槽電流效率的損失低于3%時(shí)，對(duì)其進(jìn)行整體的將電壓節(jié)能技術(shù)可以將電解槽平均電壓有效的從4.22V降至3.87V，其陰陽(yáng)兩極的距離也由5cm以上降至4.2cm～4.5cm。同時(shí)電解質(zhì)壓降也降低至250mV，其他部位的壓降也有著明顯的下降。通過(guò)對(duì)能量和物料雙平衡控制技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，使得試驗(yàn)槽的電流效率能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定在92%以上。

4.2 節(jié)能效果

表2 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后節(jié)能效果對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)上述電解槽四場(chǎng)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，將試驗(yàn)電解槽槽電壓由4.22伏降低到3.87伏，電流效率保持在92%以上，由此實(shí)現(xiàn)噸鋁能耗降低約730kW·h/t-Al。