再論鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線實(shí)踐與成效

葛貴君,曲士民,祝元兵,朱躍強(qiáng),周明珠,高艷軍,王斌,張文明

(1.內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 通遼 029200;2.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028011)

某鋁電公司現(xiàn)有86萬噸電解鋁產(chǎn)能、20萬噸炭素產(chǎn)能,180萬千瓦火電裝機(jī)、40萬千瓦風(fēng)電裝機(jī),消耗劣質(zhì)煤1000萬噸/年,配套監(jiān)控指揮中心,形成獨(dú)立運(yùn)行的自備電網(wǎng)架構(gòu)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)集群。目前,鋁側(cè)共3個系列918臺電解槽,均由沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)。其中,300 kA系列284臺電解槽,2004年投運(yùn);350 kA系列276臺電解槽,2007年投運(yùn);400 kA系列358臺電解槽,2011年投運(yùn)[1]。為解決鋁行業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)技術(shù)難題,2016年8月以來,針對行業(yè)技術(shù)路線現(xiàn)狀,進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),歷經(jīng)5年,不斷探索、實(shí)踐、優(yōu)化,形成鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù):“4”即低鋁水平、低保溫料、低分子比、低槽溫,“2”即高電解質(zhì)水平、較高過熱度,“2”即不撈炭渣、不撈塊料,“1”即適度極距[2]。

經(jīng)前期3個系列918臺電解槽應(yīng)用證明,本技術(shù)在有效提高鋁電解生產(chǎn)安全性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了較低能耗水平下的高電流效率生產(chǎn),同時大幅降低工人勞動量和勞動強(qiáng)度,顯著提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率和生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量[2]。2022年,階梯電價政策開始實(shí)施,該公司為追求低鋁液交流電耗,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對鋁電解生產(chǎn)“4221”精準(zhǔn)管控技術(shù)進(jìn)行再優(yōu)化、再實(shí)踐,取得了良好的應(yīng)用效果,并總結(jié)形成成熟的鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

2010年以來,鋁電解行業(yè)大部分企業(yè)秉持高鋁水平、高保溫料、高分子比、低電壓、低過熱度技術(shù)路線。雖實(shí)現(xiàn)了較低的鋁液交流電耗,但生產(chǎn)運(yùn)行不穩(wěn)定,工人勞動強(qiáng)度、勞動量大,易出現(xiàn)惡性生產(chǎn)事故。

表1 行業(yè)現(xiàn)狀

2 實(shí)踐措施

2.1 提高極距、撤減保溫料

2016年8月起,利用2年時間,分3個階段將保溫料撤減至5 cm左右、極距提高至4.2 cm左右。生產(chǎn)運(yùn)行比較穩(wěn)定,工人勞動強(qiáng)度、勞動量降低20%以上。

2.2 降低鋁水平、分子比

2019年7月起,利用1.5年時間,分5個階段將鋁水平降至14.5～15 cm、分子比降至2.35左右。爐底多年形成的頑固性結(jié)殼消化殆盡,爐底潔凈、導(dǎo)電均勻,生產(chǎn)運(yùn)行十分穩(wěn)定,工人勞動強(qiáng)度、勞動量進(jìn)一步降低,累計(jì)50%以上。

2.3 進(jìn)一步提高極距、降低分子比

為追求高電流效率,2021年1月起,利用1年時間,分2個階段將極距提高至4.5 cm以上、分子比降至2.25左右。3個系列平均電流效率逐步提升至95%以上(整流效率98%)。

2.4 適當(dāng)縮小極距、提高分子比

2022年,階梯電價政策開始實(shí)施,為追求低鋁液交流電耗,2022年1月起,利用2個月時間,逐步將極距降至4.2～4.5 cm、分子比提高至2.30左右。在低鋁液交流電耗情況下兼顧了電流效率,3個系列平均直流電耗12,820 kWh/t-Al以下,平均鋁液交流電耗13,060kWh/t-Al以下,電流效率93.5%以上。

表2 3個系列“4221”工藝技術(shù)路線高電流效率運(yùn)行參數(shù)

表3 3個系列“4221”工藝技術(shù)路線低鋁液交流電耗運(yùn)行參數(shù)

2.5 取消部分常規(guī)作業(yè)

本工藝技術(shù)路線在探索實(shí)踐過程中,逐步取消了撈炭渣、處理爐底結(jié)殼、撈塊料等作業(yè),減少了大面整形頻次。

2.6 統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2022年3月,3個系列918臺電解槽在鋁水平、電解質(zhì)水平、分子比、槽溫、過熱度、電壓等工藝參數(shù)趨于一致,將鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線中的工藝參數(shù)固化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。槽與槽、工區(qū)與工區(qū)、系列與系列之間運(yùn)行狀態(tài)一致。

圖1 3個系列陽極保溫料情況

表4 3個系列“4221”工藝技術(shù)路線推廣前后主要工藝參數(shù)對比

表5 3個系列部分電解槽2022年4月30日原始技術(shù)參數(shù)

3 應(yīng)用效果

3.1 降低管理難度

本工藝技術(shù)路線應(yīng)用以來,電解槽爐底潔凈、導(dǎo)電均勻、爐膛規(guī)整,生產(chǎn)長期穩(wěn)定運(yùn)行,管理難度、作業(yè)強(qiáng)度大幅降低。

3.1.1 降低正常作業(yè)強(qiáng)度

本工藝技術(shù)路線應(yīng)用后,極上保溫料5 cm左右,較行業(yè)水平減薄25 cm以上;分子比2.32以下,較行業(yè)水平降低0.20以上,陽極殼面疏松易打,基本上不用撈料塊,單組換極時間12 min以內(nèi),較行業(yè)水平縮短10 min以上。電解質(zhì)過熱度7～12℃,較行業(yè)水平提高3～5℃,極距4.2 cm以上,較行業(yè)水平提高0.2 cm以上,電解質(zhì)水平穩(wěn)定、流動性好,打殼下料口氣體排放順暢、火苗短促有力,大大減少取補(bǔ)電解質(zhì)、處理打殼頭長包、處理下料口堵料、測量電流分布等非正常作業(yè)。

3.1.2 基本杜絕異常生產(chǎn)

本工藝技術(shù)路線應(yīng)用后,生產(chǎn)現(xiàn)場秩序井然?；径沤^陽極偏流、電壓擺、熱槽、冷槽、脫極、陰極早期破損、滾鋁、漏爐等異常生產(chǎn)情況,原鋁質(zhì)量Al99.85率長期穩(wěn)定在60%以上。在很大程度上,也減少了供電整流、鑄造、化驗(yàn)、凈化、陽極組裝、檢修、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)工序的勞動量和勞動強(qiáng)度。

3.2 取得優(yōu)異指標(biāo)

3.2.1 運(yùn)行參數(shù)離散度小

本工藝技術(shù)路線應(yīng)用后,3個系列918臺電解槽運(yùn)行參數(shù)上下浮動小,鋁水平±0.5 cm、電解質(zhì)水平±1 cm、分子比±0.03、槽溫±5℃、爐底壓降±20 mV、電壓±10 mV、電流效率±0.25%。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大幅提升

本工藝技術(shù)路線應(yīng)用后,在低鋁液交流電耗水平下,電流效率大幅提升。3個系列完成電壓4.120 V以上(極距4.5 cm以上)時,電流效率95%以上。完成電壓4.040 V以下(極距4.2 cm以上)時,電流效率93.5%以上。3個系列爐底壓降295 mV以下,槽壽命提高到目前的2600天以上。

2021年以來,該公司大修電解槽堅(jiān)持焙燒期5～6天、后期管理期3個月,運(yùn)行管理堅(jiān)持鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù),有效防止了早期破損,從多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和目前趨勢判斷,電解槽壽命將達(dá)到2800天以上,甚至3000天以上。

3.2.3 生產(chǎn)成本明顯降低

本工藝技術(shù)路線應(yīng)用后,在階梯電價政策形勢下,該公司電流效率較行業(yè)水平提高2%以上,增產(chǎn)1.8萬噸/年以上,降低固定成本3600萬元/年以上。槽壽命較行業(yè)水平提高400天,降低變動成本4000萬元/年以上。市場行情較好時,創(chuàng)效更明顯。

3.3 改善工況環(huán)境

本工藝技術(shù)路線應(yīng)用后,常規(guī)作業(yè)頻次、強(qiáng)度大幅降低,電解槽集氣效率提高至99%以上。多功能機(jī)組等主要設(shè)備作業(yè)時間、故障率大幅降低。設(shè)備工況、工作環(huán)境得以極大改善。生產(chǎn)管理簡潔易行,工人勞動強(qiáng)度、勞動量大幅降低,較行業(yè)水平降低50%以上。

4 實(shí)踐結(jié)論

4.1 低鋁水平是保持爐底潔凈的核心

生產(chǎn)實(shí)踐證明,爐底是否潔凈、陰極導(dǎo)電是否均勻,主要取決于鋁水平高度。該公司鋁水平較行業(yè)水平低10 cm以上,保持在14.5～15 cm,爐底短暫形成的沉淀極易被溶解掉,形不成結(jié)殼,這是保持爐底潔凈、陰極導(dǎo)電均勻的核心。50%石墨質(zhì)陰極爐底壓降長期穩(wěn)定在295 mV以下。若采用石墨化陰極,爐底壓降將長期穩(wěn)定在200 mV以下,爐底易冷,更應(yīng)堅(jiān)持低鋁水平路線。

4.2 適度極距是保持高效運(yùn)行的核心

生產(chǎn)實(shí)踐證明,國內(nèi)主流槽型電流效率完全可以達(dá)到95%以上。電流效率高低極敏感于極距高度,行業(yè)極距保持4 cm以下,電流效率很難突破92%。該公司3個系列整流效率98.0%左右,應(yīng)用鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線,極距保持4.5～4.7cm,電流效率95%以上;極距保持4.2～4.5 cm,電流效率93.5%～94%。

4.3 降低了工人勞動強(qiáng)度、勞動量

生產(chǎn)實(shí)踐證明,工人流失率高的主要原因是生產(chǎn)運(yùn)行異常,勞動強(qiáng)度太高、勞動量太大,工人不堪重負(fù)。該公司自從應(yīng)用鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線,勞動強(qiáng)度、勞動量降低50%以上,工人流失率為零。

4.4 適應(yīng)高電流效率和低鋁液交流電耗

生產(chǎn)實(shí)踐證明,本工藝技術(shù)路線既能夠適應(yīng)高電流效率的生產(chǎn)方式,也適合低鋁液交流電耗的政策要求。

5 結(jié) 語

(1)鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線在高效、低耗生產(chǎn)上具有無可比擬的優(yōu)勢,技術(shù)成熟、效果良好,可供行業(yè)內(nèi)借鑒推廣。

(2)鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線從根本上解決了工人勞動強(qiáng)度高、勞動量大的問題,在一定程度上解決了工人流失率高的問題,應(yīng)引起整個行業(yè)的深思。

(3)系列運(yùn)行穩(wěn)定性差、電解槽壽命短、生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)高,一直是行業(yè)的痛點(diǎn)、難點(diǎn)。鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線大大降低了因脫極、滾鋁、漏爐、短路口爆炸,導(dǎo)致系列停產(chǎn)的重大安全風(fēng)險(xiǎn)。

(4)階梯電價政策的實(shí)施,行業(yè)采用石墨化陰極勢在必行。而石墨化陰極高導(dǎo)熱的性質(zhì)決定著必須采用低鋁水平、較高過熱度的工藝技術(shù)路線。該公司2022年5月起,大修槽全部采用石墨化陰極炭塊,并將堅(jiān)持鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線,預(yù)計(jì)電解槽爐底壓降200 mV以下,極距4.5 cm以上,電流效率95%以上,鋁液交流電耗12,870 kWh/t-Al以下(整流效率98.0%)。

(5)鋁電解生產(chǎn)“4221”工藝技術(shù)路線為部分鋁電解企業(yè),高鋰、鉀含量電解質(zhì)體系高效運(yùn)行問題提供了解決思路。