鋁電解槽底部保溫節(jié)能技術(shù)試驗(yàn)研究

劉海鋒,成 庚,劉進(jìn)縣,楊成亮,楊國(guó)偉

(1.酒鋼集團(tuán) 甘肅東興鋁業(yè)有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100;2.酒鋼集團(tuán) 技術(shù)中心鋁業(yè)研究院,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

國(guó)家發(fā)展改革委2021年8月27日發(fā)布《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價(jià)政策的通知》(發(fā)改價(jià)格〔2021〕1239號(hào))，從2022年1月1日起，實(shí)行階梯電價(jià)分檔標(biāo)準(zhǔn)(鋁液綜合交流電耗2022年13,650 kWh/t-Al、2023年13,450 kWh/t-Al、2025年13,300 kWh/t-Al)，高于分檔標(biāo)準(zhǔn)的，每超過(guò)20千瓦時(shí)，鋁液生產(chǎn)用電量每千瓦時(shí)加價(jià)0.01元，不足20千瓦時(shí)的，按20千瓦時(shí)計(jì)算。加之“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)也從中長(zhǎng)期嚴(yán)格要求鋁電解可持續(xù)節(jié)能降耗，其中開(kāi)展電解槽保溫節(jié)能是當(dāng)今和未來(lái)鋁行業(yè)一項(xiàng)重要技術(shù)途徑。

1 電解槽底部保溫節(jié)能技術(shù)

電解槽在生產(chǎn)過(guò)程中的能量利用率約為50%,其中,電解槽底部散熱占總散熱的7%,約占電解鋁能耗的3.5%(相當(dāng)于大約450 kWh/t-Al的噸鋁能耗),鋁行業(yè)一直在努力降低電解槽底部熱損失。

電解槽設(shè)計(jì)理念是陰極炭塊以上的電解槽側(cè)部需要適當(dāng)散熱(以形成合理的爐幫厚度[1]和伸腿長(zhǎng)度),陰極炭塊上表面以下的側(cè)部和底部需要適度保溫,以保持電解質(zhì)初晶溫度等溫線位于陰極炭塊下面，850℃等溫線位于耐火材料層(防滲料或防滲磚等)中部。而500 kA電解槽在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)做了充分的內(nèi)襯保溫,再進(jìn)一步開(kāi)發(fā)電解槽底部保溫節(jié)能技術(shù),則在電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)[2]前提下,加強(qiáng)槽底外部保溫和降低槽電壓[3],實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1.1 電解槽爐底外部保溫

雖然爐底保溫材料可以貼著爐底槽殼外面設(shè)置,以實(shí)現(xiàn)保溫效果最大化,但這種方法只能在很短的時(shí)間內(nèi)用于爐底溫度異常低的特殊情況,而不可作為正常生產(chǎn)電解槽爐底持續(xù)保溫措施,否則可能會(huì)很快(數(shù)十小時(shí)左右)導(dǎo)致?tīng)t底鋼板溫度過(guò)高而發(fā)紅。本文中所使用的底部保溫節(jié)能技術(shù)所采用的電解槽爐底外部保溫結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(立面圖)、圖2(剖面圖)所示。

圖1 電解槽爐底外部保溫結(jié)構(gòu)的立面圖

圖2 電解槽爐底外部保溫結(jié)構(gòu)的A-A向剖面圖

其中,鋪設(shè)在電解槽底部搖籃架槽底工字鋼下沿上部的電解槽底外部增設(shè)保溫材料層為硅酸鈣板、陶瓷纖維板、硅酸鋁纖維毯等環(huán)保型保溫材料,厚度為10～80 mm,鋪設(shè)層數(shù)至少為一層。保溫材料用支桿支撐在工字鋼下沿,保溫材料與電解槽爐底留有間隙,并且可以按需要調(diào)節(jié)縫隙和兩端開(kāi)口度,以便調(diào)節(jié)保溫程度。

1.2 電解槽節(jié)能技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)電解槽節(jié)能，確保電解槽等溫線符合設(shè)計(jì)原則，需要保持合理的陰極鋼棒溫度和爐底溫度。為此,對(duì)陰極鋼棒和爐底溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),通過(guò)槽電壓調(diào)整而將陰極鋼棒和爐底溫度控制在上述合理范圍之內(nèi),實(shí)現(xiàn)電解槽節(jié)能降耗。

1.2.1 溫度監(jiān)測(cè)

槽底保溫節(jié)能技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是控制陰極鋼棒溫度在合理范圍,以控制初晶溫度等溫線始終位于陰極炭塊下面,還要控制爐底溫度升高在許可范圍之內(nèi),而不導(dǎo)致鋼棒溫度異常升高。為了及時(shí)監(jiān)測(cè)電解槽陰極鋼棒和爐底溫度,在陰極鋼棒A面和B面以及爐底鋼板中央分別安裝在線測(cè)溫探頭,所測(cè)鋼棒和爐底溫度通過(guò)無(wú)線傳輸方式,上傳到專用的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和圖表顯示。

1.2.2 電壓調(diào)整

在確保熱平衡基礎(chǔ)上,需要保持陰極鋼棒溫度260～310℃,以始終保持初晶溫度等溫線位于陰極炭塊下面,加保溫之后的爐底溫度由設(shè)計(jì)值60～80℃升高到上限不超過(guò)230℃,而仍然能夠保持陰極鋼棒溫度處于260～310℃的正常范圍之中,則需要相應(yīng)地逐步穩(wěn)定降低電解槽電壓降,實(shí)現(xiàn)槽底保溫節(jié)能降耗。

2 工業(yè)試驗(yàn)研究

從2021年3月17日至11月9日,在某鋁廠3臺(tái)500 kA電解槽(4#、5#、6#)上開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn),與3臺(tái)對(duì)比槽(18#、25#、27#)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 在線測(cè)溫系統(tǒng)布點(diǎn)試驗(yàn)

進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)本著既能夠起到在線監(jiān)測(cè)電解槽爐底和鋼棒溫度,又降低在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的原則。電解槽在正常生產(chǎn)過(guò)程中,底部作為一個(gè)整體,各處溫度基本處于均衡狀態(tài),通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)選定在線測(cè)溫系統(tǒng)適宜的布點(diǎn)方案,以便經(jīng)濟(jì)合理地選用在線測(cè)溫系統(tǒng)。

2.1.1 爐底在線測(cè)溫系統(tǒng)布點(diǎn)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證底部每個(gè)陰極下面的爐底溫度均勻分布情況,在4#試驗(yàn)槽的每個(gè)陰極下面的爐底中間位置安裝在線測(cè)溫系統(tǒng),4#試驗(yàn)槽爐底溫度平均值見(jiàn)表1所示。

表1 4#試驗(yàn)槽爐底加保溫材料之后的平均溫度 ℃

從表1看出,爐底加保溫后,全部爐底溫度范圍為118.4℃(22號(hào)爐底)～205.7℃(6號(hào)爐底),平均值159.1℃。12號(hào)爐底(有穿槽母線而不加保溫材料)162.3℃,14號(hào)爐底(沒(méi)有穿槽母線而加保溫材料)172.3℃,平均值167.3℃。12號(hào)、14號(hào)爐底溫度平均值較全部爐底溫度平均值高8.2℃。

爐底加保溫與未加保溫相比,12號(hào)爐底升高1.4℃,14號(hào)爐底升高27.9℃,平均升高14.6℃。全部加保溫爐底平均值較12號(hào)、14號(hào)爐底未加保溫溫度平均值升高6.5℃。12號(hào)、14號(hào)爐底溫度平均升高值較全部爐底溫度平均升高值高8.1℃。

通過(guò)分析可見(jiàn),居于爐底中間位置的12號(hào)、14號(hào)爐底溫度基本居于全部爐底溫度的中間值附近,12號(hào)、14號(hào)爐底溫度變化基本可以代表該槽爐底溫度變化。因此,其它2臺(tái)試驗(yàn)槽和3臺(tái)對(duì)比槽只在12#和14#爐底中間位置安裝在線測(cè)溫系統(tǒng)。

2.1.2 陰極鋼棒在線測(cè)溫系統(tǒng)布點(diǎn)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證不同鋼棒溫度之間的差異情況,分別在4#試驗(yàn)槽的A面和B面的24號(hào)與28號(hào)鋼棒安裝在線測(cè)溫系統(tǒng),4#試驗(yàn)槽陰極鋼棒平均溫度見(jiàn)表2所示。

從表2看出,A面和B面的24號(hào)與28號(hào)鋼棒溫度基本一致,A面和B面的24號(hào)鋼棒溫度變化可以代表該槽鋼棒溫度變化。

因此,其它2臺(tái)試驗(yàn)槽和3臺(tái)對(duì)比槽只在A面和B面的24號(hào)鋼棒安裝在線測(cè)溫系統(tǒng)。

表2 4#試驗(yàn)槽陰極鋼棒平均溫度 ℃

2.2 鋼棒和爐底溫度變化

2021年3月17日至11月9日,在3臺(tái)試驗(yàn)槽和3臺(tái)對(duì)比槽進(jìn)行工業(yè)對(duì)比試驗(yàn),取得了預(yù)期的效果,試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的鋼棒與爐底溫度變化見(jiàn)表3所示。

表3 試驗(yàn)槽和對(duì)比槽鋼棒、爐底平均溫度變化 ℃

從表3可以得出以下結(jié)論:

(1)試驗(yàn)槽爐底加保溫之后,平均溫度升高19.9℃,較對(duì)比槽升高12.5℃,試驗(yàn)槽加爐底保溫節(jié)能效果明顯;

(2)爐底加保溫材料效果良好,也使得試驗(yàn)槽陰極鋼棒溫度較對(duì)比槽相對(duì)少降低了4.3℃,這有助于穩(wěn)定保持合理的等溫線位置以及維持電解槽的穩(wěn)定優(yōu)化運(yùn)行[4-5],有利于保持電解槽穩(wěn)定的熱平衡。

2.3 槽電壓匹配降低

試驗(yàn)槽在增加了槽底保溫材料的同時(shí),匹配降低槽電壓,改善了槽子熱平衡,使電解槽更趨穩(wěn)定,電流效率也因而提高。試驗(yàn)槽和對(duì)比槽主要技術(shù)條件及電耗變化見(jiàn)表4所示。

表4 試驗(yàn)槽和對(duì)比槽主要技術(shù)條件和電耗變化

從表4看出:

(1)試驗(yàn)槽爐底加保溫后,較加保溫前平均槽電壓降低16 mV,較同期對(duì)比槽平均槽電壓降低27 mV;

(2)試驗(yàn)槽爐底加保溫后,較加保溫前電流效率提高0.72%,較同期對(duì)比槽電流效率提高1.18%;

(3)試驗(yàn)槽爐底加保溫后,較加保溫前鋁液直流電耗降低161 kWh/t-Al,較同期對(duì)比槽鋁液直流電耗低262 kWh/t-Al。

3 試驗(yàn)槽取得的效益

試驗(yàn)槽爐底加保溫后,較加保溫前鋁液直流電耗降低161 kWh/t-Al,整流效率97%,鋁液可比交流電耗降低161 kWh/t-Al÷97%=166 kWh/t-Al,含稅電價(jià)0.37元/kWh,降低生產(chǎn)成本166 kWh/t-Al×0.37元/kWh÷1.13=54.35元/t-Al。3臺(tái)槽年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益為0.3355×500 kA×89.58%×24 h/(t·天)×365天/年×3臺(tái)×10-3×54.35元/t-Al×10-4=21.46萬(wàn)元,也為達(dá)到階梯電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做出一定貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)500 kA工業(yè)電解槽試驗(yàn)研究,得出以下主要結(jié)論:

(1)電解槽底部搖籃架工字鋼下沿以及端部加裝保溫,有效改善了爐底溫度,為充分合理調(diào)控鋁水平等技術(shù)條件,實(shí)現(xiàn)槽電壓降低、電流效率提高和噸鋁電耗降低奠定了有利基礎(chǔ)。

(2)槽底加保溫所匹配的在線測(cè)溫監(jiān)控技術(shù),穩(wěn)定等溫線和槽殼及鋼棒溫度,有效防止等溫線過(guò)度下移和槽殼及鋼棒溫度過(guò)高,有效避免槽殼發(fā)紅、電解槽內(nèi)襯材料性能遭電解質(zhì)侵蝕破壞等生產(chǎn)安全環(huán)保事故風(fēng)險(xiǎn)。