500 kA鋁電解槽陰極節(jié)能技術(shù)升級與應(yīng)用

湯 偉,劉雅鋒

(1.廣西華磊新材料有限公司,廣西 平果 531499);2.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司 遼寧 沈陽 110001)

隨著國家碳達峰、碳中和“3060”戰(zhàn)略目標的提出和逐步實施,電解鋁行業(yè)所面臨的“能耗雙控”壓力愈發(fā)增大,同時產(chǎn)業(yè)政策及行業(yè)發(fā)展趨勢對電解鋁技術(shù)的綠色、環(huán)保要求越來越高[1-2]。為適應(yīng)國家政策要求,國內(nèi)鋁企業(yè)不但逐步升級內(nèi)部管理制度,而且逐步采用國內(nèi)較成熟的節(jié)能技術(shù)升級改造,比如新型陰極鋼棒技術(shù)[3～6]、變截面鋼棒、石墨化陰極[7-8]和異型陰極技術(shù)等。在近期投產(chǎn)的新建系列中也基本采用了大容量或者超大容量的大型節(jié)能預(yù)焙陽極電解槽,從設(shè)計上解決了大型槽的磁流體穩(wěn)定性的問題[9],同樣達到了大型電解槽節(jié)能降耗的目的。

本文介紹了國內(nèi)某企業(yè)為充分發(fā)揮存量資產(chǎn)優(yōu)勢,降低行業(yè)能耗,對500 kA電解系列通過陰極及內(nèi)襯技術(shù)和生產(chǎn)管理技術(shù)優(yōu)化升級的實踐。

1 技術(shù)升級前系列生產(chǎn)情況

該電解系列設(shè)計電流500 kA,安裝電解槽300臺,于2017年9月通電啟動投產(chǎn),升級前系列電解槽運行存在以下幾點情況:

(1)電解槽運行電壓高,指標不先進,存在優(yōu)化空間;

(2)基建槽槽壽命存在一定波動問題;

(3)系列槽中存在一部分隱患槽,維護難度極大,導(dǎo)致現(xiàn)場技術(shù)人員思想壓力大,操作員工勞動強度大;

鑒于以上原因,該500 kA電解系列于2020年9月開始進行隱患治理及技術(shù)升級改造。

2 技術(shù)升級思路

由于大型預(yù)焙陽極電解槽是一個集熱場、電場、磁場、流動場和力場等多物理場為一體的復(fù)雜系統(tǒng),這些物理場互相制約、互相影響,只有達到足夠程度的均衡,才能獲得理想的經(jīng)濟技術(shù)指標。這些物理場的設(shè)計稍有偏離,便會嚴重影響到電解槽的安全性和性能指標,其中磁流體穩(wěn)定性設(shè)計、熱平衡設(shè)計尤為重要。

因此本升級改造的思路即是首先對基建槽的上述情況進行評估,然后從中發(fā)現(xiàn)問題,并結(jié)合現(xiàn)場實際情況實施最合理、效果最明顯的升級方案。

3 基建槽技術(shù)方案評估

3.1 磁流體穩(wěn)定性

對該500 kA電解槽原設(shè)計情況經(jīng)過建模計算,其磁流體穩(wěn)定性呈現(xiàn)如下特征:

(1)A側(cè)電流占系列電流的50.3%,B側(cè)電流占系列電流的49.7%,A側(cè)電流相比理論值稍多0.3%。

圖1 某企業(yè)500kA電解槽電平衡計算模型

圖2 電解槽陰極電流分布圖(電流單位:A)

(2)鋁液最大水平電流設(shè)計值為5095 A/m2,爐底壓降287 mV。相比國內(nèi)同時期建設(shè)的同等容量電解槽技術(shù),水平電流略高,并且爐底壓降有較大優(yōu)化空間。

表1 基建槽水平電流復(fù)核計算結(jié)果

(3)電解槽熔體區(qū)內(nèi)四個象限的平均值為5.965、4.640、5.921和5.027 Gs,總平均值為5.38 Gs,而國內(nèi)同時期建設(shè)500 kA的典型磁場總平均值僅為2.94 Gs,較高的垂直磁場對電解槽的磁流體穩(wěn)定性影響較大。

圖3 某企業(yè)一代槽水平電流復(fù)核計算結(jié)果

圖4 某企業(yè)500kA電解槽母線Bz磁感應(yīng)強度分布

(4)某企業(yè)500 kA電解槽鋁液最大流速和平均流速相比SY500電解槽約高出30%,電解質(zhì)最大流速和平均流速均高出40%,并且整體變形量達到3.8 cm,超過國內(nèi)同時期建設(shè)500 kA電解槽界面變形量0.3 cm。

圖5 某企業(yè)500kA電解槽鋁液流速分布

3.2 內(nèi)襯設(shè)計及熱平衡評估

3.2.1 內(nèi)襯設(shè)計

通過評估原基建槽內(nèi)襯設(shè)計發(fā)現(xiàn)存在保溫過強的情況,如以下幾個方面:

(1)基建槽的側(cè)部使用高石墨質(zhì)普通炭塊,同時側(cè)塊后采用的陶瓷纖維板保溫層,側(cè)部保溫過強;

(2)側(cè)部使用了大面全部扎糊的設(shè)計形式,糊料相比預(yù)焙燒的炭塊,存在保溫較強的情況;

(3)槽底的一二層保溫采用陶瓷纖維板和耐保溫隔熱板,并在中縫投影位置使用了蛭石保溫磚,又進一步增加了底部保溫強度。

3.2.2 熱平衡計算

對該500 kA電解槽原設(shè)計情況經(jīng)過建模計算,其熱平衡計算呈現(xiàn)如下特征:

(1)底部等溫線下移

在電流強度500 kA和槽平均電壓3.96 V時,電解槽陽極電壓0.348 V,電解質(zhì)壓降1.201 V,陰極壓降0.291 V,電解質(zhì)溫度為957.7℃。等溫線分布如圖6所示,該圖顯示底部900℃等溫線位于電解槽防滲層內(nèi)部,但800 ℃等溫線已經(jīng)下沉到防滲層以下,進入到保溫層總中,說明底部保溫設(shè)計過強。

圖6 槽溫分布云圖

圖7 爐幫形狀

(2)側(cè)部爐幫過薄

同樣在該工況下,槽上口爐幫最薄處只有3.5 cm左右,基本沒有伸腿存在。說明電解槽的熱平衡設(shè)計并不能適用3.96 V的運行電壓,同時電解槽散熱比例存在較大問題。

4 電解槽技術(shù)優(yōu)化升級

考慮到目前行業(yè)市場環(huán)境以及技術(shù)升級所需的客觀條件下,如果采用系列停電改造對電解槽各個物理場,特別是磁場部分和流動場方面,均進行優(yōu)化,改造持續(xù)過程對經(jīng)濟效益影響過大,因此優(yōu)化升級方案著重于解決電解槽早期破損和提高運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題,優(yōu)化升級集中在以下兩方面:

(1)利用電解槽大修機會,采用新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化電解槽陰極結(jié)構(gòu),消除陰極炭塊安全性問題,并通過降低鋁液中水平電流提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性;

(2)通過電解槽的內(nèi)襯升級,對電解槽的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、熱平衡和散熱比例優(yōu)化升級。

4.1 陰極結(jié)構(gòu)

鋁液中水平電流與電解槽垂直磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力是導(dǎo)致鋁液流動和鋁液-電解質(zhì)界面波動的根本原因。因此,優(yōu)化升級時水平電流的降低與均化對提高電解槽磁流體穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。新式陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)充分考慮并結(jié)合電解槽固有的磁場設(shè)計水平,通過改變陰極炭塊組結(jié)構(gòu)及組裝形式、調(diào)整陰極組內(nèi)各種材料的導(dǎo)電特性,并結(jié)合使用這兩種方法,有效調(diào)整和控制陰極組內(nèi)各種材料的電阻分配比例,大幅降低并均化鋁液中水平電流,從而實現(xiàn)電解槽磁流體穩(wěn)定性大幅提升,為電解槽在大電流、低極距條件下安全、穩(wěn)定運行奠定了堅實基礎(chǔ),為電解槽通過降低極距、實現(xiàn)本質(zhì)節(jié)能創(chuàng)造了較大空間。

圖8和表2顯示了某企業(yè)500 kA電解槽優(yōu)化后,水平電流降低到4114 A/m2,達到國內(nèi)先進水平,同時爐底壓降降低了35 mV,為252 mV,磁流體穩(wěn)定性進一步提高,電解槽運行更加經(jīng)濟。

圖8 某企業(yè)陰極炭塊組優(yōu)化升級計算結(jié)果

表2 某企業(yè)優(yōu)化前后水平電流和爐底壓降計算結(jié)果

4.2 熱平衡和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.2.1 內(nèi)襯優(yōu)化方案

(1)采用碳化硅結(jié)合氮化硅的側(cè)塊和預(yù)焙炭塊,增強側(cè)部散熱;

(2)通過優(yōu)化陰極鋼棒窗口區(qū)的材料、結(jié)構(gòu)形式及施工工藝,在保證電解槽側(cè)部防滲能力的基礎(chǔ)上進行散熱優(yōu)化;

(3)通過有效設(shè)置合理的壓縮空間、合格和足夠的防滲層以及物理防滲層等措施實現(xiàn)電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化,有效保障電解槽健康壽命提升。

(4)從內(nèi)襯材料的原材料開始,對材料性能指標、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗均做出了詳實、嚴格的要求,確保內(nèi)襯所選擇材料符合技術(shù)要求。

4.2.2 熱平衡設(shè)計

新的內(nèi)襯形式的熱平衡計算如下:

計算得到槽平均電壓3.90 V,其中陽極電壓0.344 V,電解質(zhì)壓降1.201 V,陰極壓降0.252 V,電解質(zhì)溫度為958.5℃,過熱度8.5℃。

等溫線分布如圖9所示,底部800℃和900℃等溫線位于電解槽防滲層內(nèi)部,等溫線底部水平,側(cè)部豎直,分布合理。槽上口爐幫最薄處也有14.8 cm,伸腿長度5.3 cm,爐膛情況良好。

4.2.3 散熱比例對比

優(yōu)化前后電解槽熱平衡散熱比例如表3所示。表中數(shù)據(jù)顯示,優(yōu)化后,電解槽底部和側(cè)部散熱比例均在增加,鋼棒散熱比例減小,消除了電解槽底部和側(cè)部保溫性能過強、散熱不平衡的情況,散熱比例更加合理。

表3 電解槽各部分散熱比例對比

5 生產(chǎn)管理技術(shù)優(yōu)化升級

5.1 非正常管理

啟動后期管理重點進行以下三方面工作:

(1)制定科學(xué)的啟動后期管理工藝技術(shù)標準,啟動后期工藝技術(shù)標準遵循“兩低一高”、“三配一限”原則;

(2)明確啟動后期三個月控制期;

(3)針對后期管理需要,每個時間段的工藝標準是不一樣的,要以電解溫度管理為中心管理啟動后期工作,要嚴格按照電壓梯度降低電壓。

5.2 正常生產(chǎn)技術(shù)標準

電解槽正常生產(chǎn)期工藝技術(shù)標準規(guī)定了電解槽生命周期內(nèi)的工藝標準,遵循“兩低一高”、“三配一限”原則,按照槽齡分為七個階段,每個階段根據(jù)生產(chǎn)條件不同,設(shè)定了不同的工藝標準,此工藝技術(shù)標準能夠?qū)崿F(xiàn)電解槽長周期生產(chǎn)穩(wěn)定運行。正常生產(chǎn)期要全面推行標準化管理,實現(xiàn)電解槽工藝技術(shù)標準化,解決電解工藝一致性問題,保障電解槽長周期的生產(chǎn)穩(wěn)定。

表5 電解槽正常生產(chǎn)工藝技術(shù)標準

6 主要技術(shù)經(jīng)濟指標

截止到2021年6月,進入正常生產(chǎn)期(啟動后三個月)的優(yōu)化升級大修槽平均電壓平均值為3.912 V,噸鋁直流電耗平均為12,706 kWh,效應(yīng)系數(shù)平均為0.019次/(槽·日),電解槽生產(chǎn)的波動問題得到基本解決,生產(chǎn)穩(wěn)定性和經(jīng)濟指標大幅度提高。

表6 500kA電解槽的主要技術(shù)經(jīng)濟指標

7 總 結(jié)

(1)在國家雙碳戰(zhàn)略的形勢下,電解行業(yè)通過綠色低碳優(yōu)化升級降低能源消耗,是現(xiàn)階段相應(yīng)政策和研究的重要技術(shù)路線;

(2)利用國內(nèi)大容量電解槽使用的新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)和節(jié)能型內(nèi)襯配置,對國內(nèi)某500 kA電解系列進行技術(shù)升級改造,消除了基建槽磁流體穩(wěn)定性和熱平衡設(shè)計的缺陷,解決了電解槽早期生產(chǎn)的波動問題。

(3)通過設(shè)計和管理技術(shù)雙升級后,改造后的電解槽運行指標優(yōu)異,平均電壓平均值為3.912 V,噸鋁直流電耗平均為12,706 kWh,相比升級前約降低了300 kWh/t-Al,電解槽生產(chǎn)的波動問題得到基本解決,生產(chǎn)穩(wěn)定性和經(jīng)濟指標大幅度提高。

(4)利用大容量電解槽的成熟技術(shù)對現(xiàn)有系列進行技術(shù)升級改造,能夠在消除電解系列安全隱患的基礎(chǔ)上,為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益,并為存量市場在能耗雙控政策下的技術(shù)升級提供良好升級經(jīng)驗。