某企業(yè)新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術能量平衡優(yōu)化

胡清韜，李昌林，王俊青，焦慶國，周彩群

（1.中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.國家鋁冶煉工程技術研究中心，河南 鄭州 450041）

1 前言

鋁電解行業(yè)歷來被認為是高耗能行業(yè)，生產(chǎn)1噸鋁消耗13000kWh以上，降低鋁電解能耗是國家﹑政府﹑行業(yè)和鋁電解技術人員共同關注的課題。2009年國務院辦公廳發(fā)布了有色金屬產(chǎn)業(yè)調整和振興規(guī)劃，提出重點骨干電解鋁企業(yè)噸鋁直流電耗下降到12500千瓦時以下的目標。2011年工業(yè)和信息化部發(fā)布的鋁工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃也將“十二五”末噸鋁直流電耗目標確定為12500kWh以下。這給行業(yè)帶了空前的壓力，行業(yè)的鋁電解技術人員加快了鋁電解節(jié)能技術的研究。

中鋁鄭州研究院長期致力于鋁工業(yè)重大關鍵共性技術的開發(fā)，開發(fā)了一系列具有重大影響的鋁工業(yè)核心技術。鄭州研究院鋁電解方向專業(yè)技術人員基于前期的研究基礎﹑多年技術服務和對電解鋁工藝技術設備的深入理解，開發(fā)了新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術，技術思路如圖1所示。該技術以高導電穩(wěn)流鋼棒為核心，優(yōu)化了電解槽的陰極結構，大幅降低了水平電流，保證了電解槽可以在更低電壓下穩(wěn)定運行。槽電壓的降低減少了電解槽的能量輸入，為了保持電解槽的能量平衡，對電解槽的內襯結構進行了更加科學的設計，減少了電解槽的散熱?，F(xiàn)場的技術人員對筑爐材料﹑筑爐質量嚴格把關，確保電解槽長期穩(wěn)定高效運行[1,2]。

圖1 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術思路

新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術在國內多家企業(yè)進行了應用，獲得了良好的節(jié)能效果，電解槽的直流電耗降低500kWh/t-Al左右，部分企業(yè)的鋁液直流電耗降低至12500kWh/t-Al以下。電解槽能耗的降低必須有能量平衡的支撐，電解槽能量平衡優(yōu)化是本技術的核心內容之一，本文主要介紹了該技術能量平衡優(yōu)化的思路﹑措施和在某企業(yè)應用的具體效果。

2 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術能量平衡優(yōu)化

2.1 能量平衡優(yōu)化思路[3,4]

（1）確定電解槽高效運行時的電解質成分，測定電解質初晶溫度；

（2）鋁電解內襯材料的測試與優(yōu)選；

（3）根據(jù)測試所得內襯材料的導熱性能進行電解槽內襯設計，槽內襯中電解質初晶等溫線的位置應在陰極碳塊底部，以減少電解質的滲漏，使耐火材料﹑保溫材料避免受到電解質的侵蝕。

（4）基于電解槽運行參數(shù)的控制，確保側襯材料表面形成足夠厚度的保護性爐幫和伸腿，減少側部散熱又避免側部漏爐。適當調整電解槽上部散熱，優(yōu)化電解槽能量平衡設計，電解槽總散熱損失不超過1.65V；

2.2 內襯的優(yōu)化設計

根據(jù)某企業(yè)的實際情況確定電解槽高效運行時的電解質成分，測定其電解質的初晶溫度為922℃。根據(jù)電解槽設計要求選擇筑爐材料，對筑爐材料的關鍵性能指標進行檢測，確保筑爐材料達到要求。

原設計底部內襯材料自上而下依次是：450mm厚30%石墨陰極；180mm厚干式防滲料；132mm厚輕質保溫磚；60mm厚硅酸鈣板；10mm厚玻璃纖維板。底部各層內襯上表面溫度仿真計算結果如表1所示。

表1 原設計底部各層內襯上表面溫度計算結果

原設計防滲料上表面溫度910.2℃，與電解質初晶溫度922℃相差較大，電解槽的保溫有提升潛力。新技術將底部陰極碳塊改為50%電煅無煙煤+50%石墨質陰極碳塊，底部保溫層內原兩層輕質保溫磚不變，防滲料厚度170mm，最下層為60mm硅酸鈣板改為80mm，取消原設計10mm厚陶瓷纖維板。能量平衡優(yōu)化后底部各層內襯上表面溫度仿真計算結果如表2所示。

表2 優(yōu)化后底部各層內襯上表面溫度計算結果

能量平衡優(yōu)化后922℃初晶等溫線相對原設計下移，位于陰極碳塊底部，保溫效果增強，同時依然可以有效減少電解質的滲漏。

2.3 電解槽上部能量平衡優(yōu)化

電解槽上部能量主要通過煙氣和覆蓋料傳導出去，為了保證電解槽凈化系統(tǒng)的效果，保持原有凈化系統(tǒng)煙氣流量不變，新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術采用優(yōu)化覆蓋料粒度的方法降低電解槽上部散熱[5,6]，覆蓋料的粒度由技術應用前的平均20mm降低至10mm以下，為減低上部散熱提供了重要的支撐。

3 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術能量平衡應用效果

為了科學測算電解槽的能量平衡變化，采用日本進口的HFM-215N型熱流計參照中華人民共和國有色金屬行業(yè)標準YS/T 480-2005測量了電解槽表面溫度和散熱[7]，并根據(jù)相應的方法計算電解槽區(qū)域散熱。

3.1 槽殼溫度降低

槽殼表面溫度是電解槽運行狀況的間接體現(xiàn)，本部分通過對新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽的電解槽鋼窗口溫度和爐底溫度的測試，來定性比較兩種槽型的側下部保溫性能優(yōu)劣。

從表3可以看出，新型穩(wěn)流保溫槽A面鋼窗口平均溫度210℃，B面鋼窗口平均溫度216℃，鋼窗口平均溫度213℃；對比槽A面鋼窗口平均溫度258℃，B面鋼窗口平均溫度253℃，鋼窗口溫度255℃。新型穩(wěn)流保溫槽鋼窗口平均溫度較對比槽低42℃。

表3 新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽鋼窗口溫度(℃)

由表4可知，對比槽槽底板平均溫度103℃，溫度極差32℃，標準差8.5℃；對比槽爐底板溫度高于設計值，說明對比槽內襯材料的熱工性能有一定的改變，影響了保溫效果。新技術槽槽底板平均溫度68℃，較對比槽槽降低35℃，溫度極差17℃，標準差3.7℃。新技術槽爐底熱工狀況良好，溫度較為均勻，說明熱場內襯設計合理。

表4 新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽爐底溫度(℃)

表5 新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽能量平衡

3.2 電解槽散熱降低

根據(jù)行業(yè)標準方法[7]對電解槽能量平衡進行了測試和計算，將電解槽散熱區(qū)域分為陽極區(qū)和陰極區(qū)，陽極區(qū)分為槽罩和上部結構；陰極區(qū)分為陰極區(qū)側部和陰極區(qū)底部。結果表明，新型穩(wěn)流保溫槽總散熱折合電壓1.644V，槽罩散熱0.313V﹑占總散熱比例19.04%，上部結構散熱0.624V﹑占總散熱比例37.96%，陽極區(qū)散熱0.937V﹑占總散熱比例57.00%；陰極區(qū)側部散熱0.593V，占總散熱比例36.07%，陰極區(qū)底部散熱0.114V，占總散熱比例6.93%，陰極區(qū)散熱0.707V﹑占總散熱比例43.00%。對比槽總散熱折合電壓1.793V，槽罩散熱0.370V﹑占總散熱比例20.64%，上部結構散熱0.643V﹑占總散熱比例35.86%，陽極區(qū)散熱1.013V﹑占總散熱比例56.50%；陰極區(qū)側部散熱0.617V，占總散熱比例34.41%，陰極區(qū)底部散熱0.163V，占總散熱比例9.09%，陰極區(qū)散熱0.780V﹑占總散熱比例43.50%。新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽整體散熱分布基本合理，新型穩(wěn)流保溫槽總散熱較普通槽降低149mV，其中陽極區(qū)散熱減小0.076V，陰極區(qū)散熱減小0.073V。新型穩(wěn)流保溫槽較對比槽散熱降低一方面因為能量平衡優(yōu)化，陰極區(qū)側部散熱降低24mV，陰極區(qū)底部散熱降低49mV；同時由于工藝參數(shù)的調整陽極區(qū)散熱也有較大幅度的降低，槽罩散熱降低57mV，上部結構散熱降低19mV。

測試結果表明，新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術能量平衡優(yōu)化后，槽殼表面大幅降低，溫度分布均勻；散熱降低149mV，各區(qū)域散熱分布合理，優(yōu)化效果顯著。

4 結論

新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術根據(jù)某企業(yè)的實際情況確定電解槽高效運行時的電解質成分，測定了電解質的初晶溫度。根據(jù)電解槽設計要求選擇筑爐材料，對筑爐材料的關鍵性能指標進行檢測，確保筑爐材料達到要求。通過仿真對內襯結果進行了優(yōu)化設計，基于工藝制度調整優(yōu)化了電解槽散熱分布。新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術應用后，電解槽鋼窗口平均溫度較對比槽降低42℃，爐底板平均溫度較對比槽降低35℃。電解槽總散熱較對比槽降低149mV，其中陽極區(qū)散熱減小0.076V，陰極區(qū)散熱減小0.073V。新型穩(wěn)流保溫槽較對比槽散熱降低一方面因為能量平衡優(yōu)化陰極區(qū)散熱顯著降低，另一方面由于工藝參數(shù)的調整陽極區(qū)散熱也有較大幅度的降低。