深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)在400 kA鋁電解槽上的應(yīng)用

侯金龍，李 俊，王進(jìn)錄，寸躍祖，劉雅鋒，胡紅武

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽110001;2.云南云鋁澤鑫鋁業(yè)有限公司，云南 曲靖 655000)

近年來，隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和逐步實(shí)施，電解鋁行業(yè)面臨的“能耗雙控”壓力也愈發(fā)增大。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)初步統(tǒng)計(jì)，2020年我國電解鋁行業(yè)二氧化碳排放占到有色金屬工業(yè)總排放量的近64%[1]，其中電能消耗造成的二氧化碳排放占到電解鋁總排放量的80%以上，進(jìn)一步降低電解鋁噸鋁電耗是有色金屬工業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重點(diǎn)。

開展鋁電解綠色低碳技術(shù)研究與開發(fā)，降低電解鋁能源消耗是踐行國家“雙碳”政策、提升我國電解鋁行業(yè)國際競(jìng)爭力的必由之路，更是電解鋁企業(yè)降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

在此背景下，本文提出了采用石墨化炭塊、加銅鋼棒結(jié)合生鐵澆鑄組裝陰極的鋁電解節(jié)能技術(shù)路線，并在某400 kA系列電解槽上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，大幅降低電解鋁的噸鋁能耗。該技術(shù)可簡稱為深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)。

1 深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)節(jié)能途徑

在某鋁廠400 kA電解槽上進(jìn)行了深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)的針對(duì)性開發(fā)和工業(yè)試驗(yàn)，并將傳統(tǒng)鋁電解槽扎糊石墨質(zhì)陰極技術(shù)(傳統(tǒng)GS技術(shù))、全鋼鋼棒深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)(CompoGX技術(shù))以及加銅鋼棒深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)(CompoGX+技術(shù))在400 kA鋁電解槽上進(jìn)行了對(duì)比研究。

1.1 水平電流和陰極壓降優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)筆者所在團(tuán)隊(duì)早期的研究[2]，鋁電解槽內(nèi)鋁液的磁流體穩(wěn)定性是影響鋁液波動(dòng)和流動(dòng)的根源因素。實(shí)踐也證明，降低鋁液中水平電流是提高鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性的有效手段之一，可有效釋放鋁電解槽極距[3]，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。與此同時(shí)，降低鋁電解槽物理壓降，也是業(yè)界公認(rèn)的降耗增效主要途徑[4]。

將降低鋁液中水平電流的設(shè)計(jì)理念融入到澆鑄陰極組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，通過改變陰極鋼棒與陰極炭塊的連接方式及組裝形式，并結(jié)合加銅鋼棒技術(shù)，優(yōu)化陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電解槽鋁液中水平電流與陰極壓降雙重大幅降低。

一方面，采用電阻率和鈉膨脹系數(shù)更低、理化性能更均勻的石墨化陰極材質(zhì)，有效降低陰極炭塊的原始物理壓降和因生產(chǎn)吸鈉等因素導(dǎo)致的陰極膨脹和壓降升高[5-7]。另一方面，采用比傳統(tǒng)搗固炭糊電阻率低一個(gè)數(shù)量級(jí)的生鐵連接鋼棒和陰極炭塊的同時(shí)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和澆鑄工藝優(yōu)化，降低不同材料間接觸壓降。此外，采用導(dǎo)電率更低的加銅鋼棒、優(yōu)化嵌銅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低物理壓降和鋁液水平電流。

通過對(duì)某400 kA鋁電解槽陰極組的循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖1模擬計(jì)算結(jié)果顯示，采用CompoGX技術(shù)的電解槽陰極壓降為201 mV，鋁液水平電流為5745 A/m2；采用CompoGX+技術(shù)的電解槽陰極壓降為151 mV，鋁液水平電流為3173 A/m2。相比于傳統(tǒng)GS電解槽285 mV的陰極壓降和8233 A/m2的鋁液水平電流有了大幅度的降低，電解槽磁流體穩(wěn)定性和極距空間得到顯著提升。

圖1 不同陰極技術(shù)的400 kA電解槽鋁液水平電流和陰極壓降對(duì)比

1.2 長壽命、抗?jié)B透陰極組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)陰極組結(jié)構(gòu)的電-熱-應(yīng)力多維耦合模型仿真研究，優(yōu)化陰極炭塊燕尾槽結(jié)構(gòu)，有效消除澆鑄組裝過程中局部熱應(yīng)力集中，抵抗高溫鐵水熱沖擊。陰極組電-熱-應(yīng)力模型如圖2所示。

陰極是阻擋電解質(zhì)滲透的第一道防線[8]，而防滲層是關(guān)鍵防線。為了增加陰極組抗?jié)B透性，本技術(shù)在陰極炭塊下部新增防滲層，位于傳統(tǒng)防滲層以上，阻止電解質(zhì)向下滲漏。該設(shè)計(jì)既保證電解槽具有極高的磁流體穩(wěn)定性和極低的陰極壓降，又保證電解槽陰極組和內(nèi)襯的長壽命。

1.3 內(nèi)襯熱平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)

本研究選定的400 kA電解系列日常生產(chǎn)采用較為純凈的電解質(zhì)體系和國內(nèi)西南地區(qū)較為優(yōu)質(zhì)的原料氧化鋁和炭素陽極，應(yīng)用深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，主要的電熱平衡設(shè)計(jì)結(jié)果如表1和圖3～圖4所示。

圖3 CompoGX電解槽溫度分布云圖及爐幫形狀

圖4 CompoGX+電解槽溫度分布云圖及爐幫形狀

表1 工業(yè)化試驗(yàn)槽電熱平衡設(shè)計(jì)參數(shù)表

出于進(jìn)一步降低電解槽物理壓降的目的，本技術(shù)設(shè)計(jì)的陰極壓降值較低，陰極區(qū)域局部產(chǎn)熱較少；另一方面，由于采用了導(dǎo)熱更好的陰極材料，形成陰極區(qū)域散熱較大的客觀條件；第三方面，設(shè)計(jì)的鋁電解槽運(yùn)行電壓偏低，更加劇了電解槽陰極區(qū)域局部易偏冷的情況。

在此情況下，該技術(shù)的配套內(nèi)襯設(shè)計(jì)必須盡量減少電解反應(yīng)區(qū)域以下的散熱以保障電解槽在超低電壓下的熱平衡要求，并選擇具有良好保溫性能、耐熱沖擊、機(jī)械性能穩(wěn)定、耐電解質(zhì)及蒸汽腐蝕的新型保溫材料，以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀，并實(shí)現(xiàn)更長“健康壽命”。

熱平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)后的模擬結(jié)果顯示，運(yùn)行電流為400 kA時(shí)，CompoGX電解槽在3.908 V的電壓下，CompoGX+電解槽在3.858 V的電壓下，通過合適的工藝條件調(diào)節(jié)，電解槽均可獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀，并未出現(xiàn)伸腿較長的情況，且陰極內(nèi)襯可得到有效的保護(hù)。

1.4 輔助技術(shù)

本技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化團(tuán)隊(duì)多年來自主開發(fā)的先進(jìn)的配套陰極組燃?xì)忸A(yù)熱裝置，開發(fā)了匹配陰極結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的非線性升溫、澆鑄工藝和多溫度帶協(xié)同強(qiáng)化精準(zhǔn)控制技術(shù)(如圖5)，形成一整套成熟的生鐵澆鑄組裝工藝及配套管控技術(shù)。在陰極組裝過程節(jié)能的同時(shí)，保證陰極組澆鑄成品率≥99.9%。

圖5 多溫度帶協(xié)同強(qiáng)化精準(zhǔn)控制系統(tǒng)

此外，為了進(jìn)一步降低鋁液直流電耗，該鋁廠還在400 kA試驗(yàn)槽和對(duì)比槽上同步使用了新材質(zhì)鋼爪、無碳渣陽極、陽極涂層等相關(guān)輔助技術(shù)。

2 技術(shù)應(yīng)用效果

2臺(tái)采用CompoGX技術(shù)400 kA試驗(yàn)槽和2臺(tái)采用CompoGX+技術(shù)400 kA試驗(yàn)槽以及采用傳統(tǒng)GS技術(shù)的對(duì)比槽于2022年1月先后完成內(nèi)襯砌筑和啟動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)入正常生產(chǎn)穩(wěn)定期后，結(jié)合電解槽電熱平衡的設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與鋁廠共同商定并嚴(yán)格執(zhí)行精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化管理方案，4臺(tái)試驗(yàn)槽和對(duì)比槽的主要生產(chǎn)運(yùn)行工藝條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)槽和對(duì)比槽正常生產(chǎn)穩(wěn)定期工藝條件窗口

截止到目前，4臺(tái)400 kA試驗(yàn)槽槽齡均超過280天，考察期(近3個(gè)月)內(nèi)試驗(yàn)槽和對(duì)比槽主要工藝技術(shù)指標(biāo)均值數(shù)據(jù)如表3所示，陰極壓降和電流效率跟蹤對(duì)比如圖6～圖7所示。

圖7 考察期內(nèi)試驗(yàn)槽和對(duì)比槽電流效率跟蹤對(duì)比

表3 考察期(近3個(gè)月)內(nèi)試驗(yàn)槽主要工藝技術(shù)指標(biāo)均值

圖6 啟動(dòng)后試驗(yàn)槽和對(duì)比槽陰極壓降跟蹤對(duì)比

采用CompoGX和CompoGX+技術(shù)試驗(yàn)槽配合該鋁廠較為優(yōu)質(zhì)的原料氧化鋁和炭素陽極，400 kA試驗(yàn)槽取得了良好的工藝技術(shù)指標(biāo)?？疾炱趦?nèi)，同電解系列采用傳統(tǒng)高石墨質(zhì)扎糊陰極技術(shù)對(duì)比槽的平均陰極壓降約為273 mV、平均電流效率93.37%、平均鋁液直流電耗約為12，450 kWh/t-Al。而CompoGX和CompoGX+試驗(yàn)槽展現(xiàn)出了明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，平均鋁液直流電耗與傳統(tǒng)對(duì)比槽相比分別降低298 kWh/t-Al和429 kWh/t-Al。

3 結(jié) 語

(1)通過采用石墨化陰極材質(zhì)結(jié)合加銅鋼棒，深挖陰極組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生鐵澆鑄工藝管控優(yōu)化潛能、有針對(duì)性的升級(jí)配套內(nèi)襯熱平衡設(shè)計(jì)，可在鋁液水平電流和陰極壓降雙重大幅降低的情況下，為電解槽在超低極距和超低電壓下穩(wěn)定運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)更長“健康壽命”創(chuàng)造條件。

(2)通過超低能耗條件下可維持長“健康壽命”的鋁電解槽內(nèi)襯熱平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，并選擇與之相匹配的新型內(nèi)襯材料，可以實(shí)現(xiàn)超低電壓、超低極距下電解槽良好熱平衡和穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)深度節(jié)能低碳復(fù)合陰極技術(shù)在400 kA鋁電解試驗(yàn)槽上取得了良好的工藝技術(shù)指標(biāo)，表現(xiàn)出明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)GS電解槽，CompoGX和CompoGX+試驗(yàn)槽平均鋁液直流電耗分別降低298 kWh/t-Al和429 kWh/t-Al。