鋁電解的節(jié)能降耗措施及節(jié)能產(chǎn)品的應用

張世全 黃河鑫業(yè)有限公司

1、概述

電解鋁是用電大戶，電耗占噸鋁成本的40%左右，如果做好電解工藝和動力用電方面的節(jié)能降耗工作，降低噸鋁綜合交流電耗可有效提高公司的經(jīng)濟效益。該廠開展多種形式的節(jié)能宣傳活動，以科學發(fā)展觀為指導，以提高和優(yōu)化能源利用率為目標，按照“減量化、再利用、資源化”的原則，實現(xiàn)以盡可能少的能源消耗和盡可能小的環(huán)境代價，獲取盡可能大的經(jīng)濟和社會效益，建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，堅持技術創(chuàng)新、技術改造節(jié)能與技術管理節(jié)能并重的原則，加大技術創(chuàng)新、技術改造節(jié)能的投入力度，強化技術管理節(jié)能為主的節(jié)能戰(zhàn)略。為此該廠特成立節(jié)能規(guī)劃領導小組，制定《能源標準量化管理實施細則》，強化管理，使廣大員工清楚地認識到能源的重要性，抓好、管好能源的利用，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標，創(chuàng)建節(jié)約型企業(yè)。

2、工藝節(jié)電措施

工業(yè)鋁電解槽噸鋁的直流電單耗，與電解槽的平均電壓和電流效率兩個因素有密切關系，電流效率的提高哪怕是1%也是相當困難，因此我們主要從降低平均電壓進行挖潛來降低電解生產(chǎn)過程中的電能消耗，我們目前主要采取的措施是通過保持合理的工藝技術條件，使槽況平穩(wěn)，加強日常操作質(zhì)量，同時優(yōu)化改進電解槽計算機控制參數(shù)。繼續(xù)加強節(jié)能降耗工作，要做好工藝節(jié)電工作，主要是降低電解槽平均電壓，應從以下幾個方面挖掘潛力，尋求可節(jié)電的空間：

2.1 降低線路壓降

（1）提高操作質(zhì)量，嚴肅工藝紀律，降低卡具壓降、端頭壓降、短路口壓降和爐底壓降。使用導桿清洗劑，降低導桿和陽極墊板接觸壓降；使用陽極鋼爪保護炭環(huán)，降低陽極鋼-炭接觸壓降?？ň邏航怠?mv；墊板壓降≤4mv；短路口壓降≤30mv；端頭壓降A 側≤18mv、B 側≤5mv。

（2）優(yōu)化技術條件，目前該廠爐底壓降平均都在400mv 以上，與先進水平350mv 相比差距較大，力爭降低爐底壓降值20 mV 左右。因此，電解車間需加強操作質(zhì)量，對爐底壓降每周測量一次，對于爐底壓降大于400mV 的電解槽，及時調(diào)整分子比、槽溫、下料間隔等技術參數(shù)，將爐底壓降控制在允許的范圍（槽齡低于800 天的電解槽不得大于380mv；槽齡在800 ～1200 天的電解槽不得大于400mv；槽齡高于1200 天的電解槽不得大于450mv）。

2.2 降低效應分攤電壓

效應電壓是指發(fā)生效應的電壓分擔值(V 效應)如果陽極的質(zhì)量不過關，效應在鋁電解生產(chǎn)中也有一定的益處的。當電解槽發(fā)生陽極效應時，電解質(zhì)對炭渣濕潤性不良，利于炭渣從電解質(zhì)中分離出來，改善電解質(zhì)的性質(zhì)和補充熱平衡。在冰晶石-氧化鋁熔鹽電解中，陽極效應是發(fā)生在陽極上的一種特殊現(xiàn)象。當其發(fā)生之時，槽電壓從4.1～4.2 V 左右升高到20 ～50V，因而能量消耗增加到5 ～12 倍。這是影響平均電壓的一個因素。

陽極效應分攤的電壓按照下式來計算：

式中 k ——陽極效應系數(shù)，次。（槽.d）-1

U效應——陽極效應發(fā)生時的槽電壓，V

U槽——平時的槽電壓，V

T——陽極效應延續(xù)的時間，min

如果 k=1.0 次/（槽.d），U效應=30V，U 槽＝4V，T＝3min

則 △U效應＝（30-4）×3/1440 ＝0.050(V)(即50mv)

以160kA 電解槽為例，一臺電解槽發(fā)生一次陽極效應要多消耗電能548.8MJ。

從該式看來，減小k，縮短T，或降低U效應，都可以使△ U效應減低。在一二十年以前，每槽每日陽極效應次數(shù)為2 ～3 次，現(xiàn)在已減少到0.05～0.1次。采取模糊自動控制下料的電解槽的效應系數(shù)大為降低。

降低效應分攤電壓，主要是控制陽極效應系數(shù)和效應持續(xù)時間。效應的發(fā)生取決于兩個因素：氧化鋁濃度、槽溫。保證打殼、下料機構和槽控機系統(tǒng)的正常運行，同時保持電解槽各種技術參數(shù)的合理搭配，確保電解槽的平穩(wěn)運行，因槽制宜延長陽極效應等待周期。另外，對停開槽時間做出科學合理的安排，盡量減少停開槽次數(shù)，且對在停開槽時發(fā)生的效應要求及時熄滅。每班及時檢查電解槽打殼下料系統(tǒng)，防止電解槽因缺料而發(fā)生突發(fā)效應。加強對新開槽的管理，將定時下料時間由原來的42 天縮短為30 天，且將加料間隔縮短為290 ～310 秒，將新開槽效應系數(shù)控制在≤0.5 個/槽.日。通過以上措施，力爭控制效應系數(shù)≤0.05 次/槽.日，效應持續(xù)時間≤3min，則效應分攤電壓至少可降低6.5mv。

2.3 降低平均電壓措施

加強電解槽電壓的巡視看管，對于工作電壓持續(xù)高于設定電壓的電解槽及時分析原因，從根源上進行解決；嚴抓電解車間陽極保溫工作，形成統(tǒng)一的添加方法，避免電解槽能量的無償損失，確保電解槽能量平衡；杜絕病槽的出現(xiàn)，避免因病槽產(chǎn)生高電壓而造成的電壓損失和效率損失。

平均電壓由三個部分組成：V平均＝V工作＋V效應＋V黑

V 黑 ：也叫線路損耗電壓，降低黑電壓可以通過改善導體的接觸點和電解槽的絕緣性能，增加導電母線的截面積著手，但要增加對設備的投入資金，所以潛力不大。

若電解槽使用絕緣條可取得較好的經(jīng)濟效益。如某公司電解母線黑電壓為50mV，若使用絕緣條后可將黑電壓降到36mV，平均電壓降了14mV(平均電流180KA，電流效率93%，整流效率95%)，年可節(jié)約交流電量：

121608t×14/(0.3355×0.93×0.95)kW.h/t＝5743691kW.h

年創(chuàng)效益：5743691kwh×0.3 元/kW.h ＝172 萬元。

采取工藝節(jié)電措施后，2007 年直流電單耗由2006 年全年的13199kW.h/At-t 降低到13080kW.h/At-t，節(jié)約直流電單耗119kW.h/At-t。

3、制定嚴格的動力節(jié)電措施

動力設備用電及照明用電電耗占綜合交流電耗的2%左右，盡管節(jié)電量較小，但要抓好日常節(jié)電及動力節(jié)電，主要從以下幾個方面開展節(jié)能降耗工作：

3.1 照明用電

照明用電分為日常生活用電和生產(chǎn)廠房用電。根據(jù)季節(jié)和天氣情況，制定了嚴格的開、關燈時間，并對操作室、庫房照明用電做到人走燈滅；庫房、修理間照明總功率不得超過500W；休息室、操作室照明總功率不得超過200W，盡管節(jié)電量很少，但可增強員工的節(jié)電意識。

3.2 動力設備節(jié)電措施

（1）建立“安全、平穩(wěn)供電就是最大的節(jié)約”的思想，加強對配電室、配電箱、動力電纜、滑線等供電設備的點檢及定期檢查工作，對熔斷器、滅弧罩、電纜、刀閘等關鍵部件一經(jīng)發(fā)現(xiàn)異常立即處理；對電解槽短路口、母線絕緣、槽殼母線與地坪間隙處等部位定期檢查，清理雜物，盡可能降低電流空耗，發(fā)現(xiàn)異常立即處理，不得因此而發(fā)生短路、斷路、放炮等事故影響安全供電。

（2）加強配電室管理，配電室規(guī)定三相負載電流最大之差不得超過10%，對超過規(guī)定10%的情況，每周調(diào)整一次三相負載電流達到提高電網(wǎng)功率因數(shù)節(jié)約電能的目的。

（3）對于一些運行時間長，故障率較高或不能滿足生產(chǎn)需要的設備逐步進行大修改造，降低設備的無功損耗。

（4）在全面推行設備專業(yè)點檢工作的基礎上，逐步開展風機、水泵等設備的經(jīng)濟運行監(jiān)測工作，避免大馬拉小車和空載運行的現(xiàn)象；

（5）按照電氣精細化管理工作要求開展工作，降低電氣設備故障，提高設備運轉率。對有備用設備的情形，要根據(jù)生產(chǎn)實際情況，在開一臺設備即可滿足工藝、生產(chǎn)需要的，絕不允許開兩臺或兩臺以上的備用設備。嚴格按照工藝條件操作設備，杜絕設備空運轉；

（6）要對電焊機的使用進行嚴格管理，在停頓間歇較長時（30 分鐘以上），需關閉電焊機主電源。

（7）鑄造車間混合爐均在自動控溫狀態(tài)下工作，杜絕手動控制溫度。及時更換斷爐絲或調(diào)整負載情況，做到單臺爐三相負載平衡，達到全車間總負荷三相負載平衡，以達到提高功率因數(shù)節(jié)約電能的最終目的。加強對操作人員的工藝紀律檢查和考核，以防止爐溫過高而造成的不必要的浪費。加強對爐內(nèi)鋁液攪拌、扒渣工作，減少渣子的堆積，降低熱損失。同時還盡量縮短除渣時間，減少輻射熱損失。合理控制爐溫，不斷優(yōu)化鋁水溫度控制，在保證質(zhì)量、工藝要求的情況下，盡可能降低鋁水溫度，從而降低消耗，具體計算如下：

目前混合爐設計功率為450kw，實際只開動了約200kw，如果合理安排抬包出鋁，及時倒料，減少熱能損失，電耗有望得到降低。我們用一臺混合爐做試驗150 天，目前混合爐內(nèi)鋁液的平均溫度為720℃，現(xiàn)確定混合爐鋁液溫度為700℃，當達到700℃時，再手動斷電確保爐溫，對鑄造出的鋁錠質(zhì)量進行檢驗，試驗溫度為700℃時能否滿足生產(chǎn)，如若可行，再向其它爐推廣。這樣把鋁液溫控制到700℃時，節(jié)省的電能：電能利用率按45%，鋁的比熱為900 焦/（千克.℃），計算鋁液溫度降低20℃，全年鋁錠產(chǎn)量按121608t 計算，則噸鋁電耗降低為：

Q＝cm△t/10%＝900×121608×103×20/45%＝ 4.9×1012 焦

則噸鋁電耗降低：4.9×1012/1000/24/150/121608 ＝11kw.h /t

通過將鋁液溫度降低20℃（即鋁液溫控制到700℃）進行生產(chǎn)，鋁錠噸鋁電耗有所降低，與計算結果基本相同，為此大力推廣在其它混合爐生產(chǎn)中控制鋁液溫度達到降低電耗的目的。

采取有效措施后，動力電耗由2006 年的291kW.h/At-t 降低到269kW.h/At-t，動力電耗降低了22.5 kW.h/At-t。

4、節(jié)能新產(chǎn)品的應用

該廠在采取有效的節(jié)能措施的同時，還應用了新產(chǎn)品對設備進行節(jié)能改造，在節(jié)能降耗方面做出了突出的貢獻。鋁電解用可潤濕性陰極以取代現(xiàn)行的碳素陰極材料，以達到節(jié)能降耗和延長槽壽命的目的，并最終與惰性陽極配合，改變現(xiàn)行電解槽和電解工藝。TiB2 是最理想的鋁電解可潤濕性陰極材料，并且能被金屬鋁液良好潤濕。利用TiB2 和良好導電性及其與鋁液的良好潤濕性，以樹脂或無機物溶膠作粘結劑，涂覆于現(xiàn)行工業(yè)鋁電解槽碳陰極表面，達到改善鋁電解槽陰極工作狀態(tài)，降低爐底壓降，實現(xiàn)節(jié)能增效和延長電解槽壽命的目的，陰極硼化鈦涂層同半石墨化陰極炭塊性能指標的對比見表1，由表可見陰極硼化鈦涂層對鋁電解的重大意義。

表1 陰極硼化鈦涂層同半石墨化陰極炭塊性能指標的對比

關于TiB2 涂層在現(xiàn)行工業(yè)電解槽上的作用，容易存在認識上的誤區(qū)。誤區(qū)之一是，TiB2 涂層壽命只有2～3 年，即使起作用也只有2～3年；誤區(qū)之二是，TiB2 消耗完畢后，電解槽陰極吸收電解質(zhì)和鈉滲透的總量依然未變，TiB2 因此沒有作用。存在這種認識上的誤區(qū)主要是未深入認識電解槽啟動和運行過程中一些因素的動態(tài)變化對槽壽命的影響。電解槽啟動及啟動后的前2 年(尤其是第一年)是對電解槽壽命具有決定性影響的時段，因為這一時段(尤其是第一年)中，電解質(zhì)和金屬鈉在碳塊中的滲透速率及滲透引起的陰極膨脹顯著大于后期。若這一時段利用TiB2 涂層與鋁液良好的潤濕性使得陰極表面緊緊地“抓住”鋁液，便避免了電解質(zhì)和金屬鈉直接接觸碳塊表面，從而顯著減緩了電解質(zhì)和金屬鈉在陰極炭塊中的滲透速度，對延長電解槽的壽命意義重大，這一點從該廠所停槽記錄可以看出，見表2，所停槽的槽齡在兩年以內(nèi)的占停槽總數(shù)的50%。

表2 停槽的槽號與槽齡

5、結束語

通過采取了有效的節(jié)能措施，并對電解車間照明系統(tǒng)改造，以及高耗能設備排煙機采用高壓變頻器控制。通過技術改造，該廠的鋁錠綜合交流電由2005 年的14409kW.h/Al-t 降低到2007 年的14120kW.h/Al-t,相比降低了289kW.h/Al-t；其中直流電單耗由原來的13313kW.h/Al-t 降低到13080kW.h/Al-t，相比降低了233kW.h/Al-t。動力電由原來的311kW.h/Al-t 降低到269kW.h/Al-t，相比降低了42kW.h/Al-t，從這些數(shù)據(jù)可充分說明節(jié)能降耗工作是很有潛力可挖的，只要采用科學的管理方法，應用新技術，對設備進行節(jié)能改造，有方向有目的針對性地開展節(jié)能工作，就一定能達到節(jié)能降耗，增產(chǎn)增效的目的。