鋁電解槽散熱調(diào)整措施綜述

盧 銳

(廣西華磊新材料有限公司, 廣西 平果 531400)

0 前言

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁電解槽能量平衡測試與計(jì)算方法五點(diǎn)進(jìn)電和六點(diǎn)進(jìn)電預(yù)焙陽極鋁電解槽》(YS/T 481—2005),進(jìn)行電解槽能量平衡計(jì)算時(shí),將每臺(tái)電解槽視為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng),輸入電解槽系統(tǒng)的能量主要為電能,以及陽極過量氧化產(chǎn)生的熱量。輸入電解槽系統(tǒng)的能量主要用于將氧化鋁、炭陽極等生產(chǎn)原料加熱到反應(yīng)溫度,以及氧化鋁的分解反應(yīng),這部分能量約占50%,還有很大一部分能量通過爐膛的覆蓋料、保溫材料向外界傳遞出去,此外還有少量的能量被高溫鋁液、殘極、碳渣、煙氣等方式帶走。其中用于分解氧化鋁生產(chǎn)鋁的能量比例越高,能量的利用率越高。在“雙碳”背景下,提高電解槽能量利用率、降低電解槽能耗是每個(gè)鋁電解企業(yè)追求的目標(biāo)[1]。

本文結(jié)合理論研究和企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn),總結(jié)了減少電解槽散熱的方法,提高電解槽能量利用率,為企業(yè)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)提供借鑒。

1 降低電解槽散熱的理論分析

電解槽的散熱即熱量從電解槽內(nèi)部的高溫區(qū),通過覆蓋料、保溫材料向外界傳遞。電解槽的散熱量可以根據(jù)傳熱方程[2]計(jì)算,見式(1)。

Q=λ(T高-T低)A/δ

(1)

式中,Q指單位時(shí)間內(nèi)的散熱;λ指傳熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù);A指傳熱介質(zhì)的面積;δ指傳熱介質(zhì)的厚度;T高、T低分別指傳熱系統(tǒng)中的熱量導(dǎo)出位置和熱量接受位置的溫度。

從式(1)可以看出,影響電解槽散熱的因素有環(huán)境溫度、槽溫、槽體導(dǎo)熱性能、散熱面積等,本文從上述幾方面分析影響電解槽散熱的因素及介紹相應(yīng)的調(diào)整措施。

2 鋁電解槽散熱調(diào)整措施分析

2.1 調(diào)節(jié)環(huán)境溫度

根據(jù)傳熱學(xué)原理,熱量從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞,熱流與溫度梯度成正比。若電解質(zhì)溫度不變,提高環(huán)境溫度,可以降低環(huán)境溫度與電解質(zhì)溫度之差,在一定程度上降低熱流,即可減少散熱。因此調(diào)節(jié)環(huán)境溫度可以調(diào)整電解槽的散熱。據(jù)測算,環(huán)境溫度變化40 ℃(一年中最高溫度和最低溫度之差),鋁電解理論能耗將改變20 kWh/t-Al[3]。高緯度高海拔地區(qū)的鋁電解企業(yè)格外關(guān)注這方面。某企業(yè)位于青藏高原地區(qū),冬、夏季溫差較大,夏季溫度最高可達(dá)30 ℃以上,冬季溫度最低可達(dá)-20 ℃左右。該廠投產(chǎn)后,生產(chǎn)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度變化對電解槽的能量平衡狀態(tài)、技術(shù)條件和生產(chǎn)指標(biāo)有較大的影響,夏季電解質(zhì)上漲、爐膛熔化、電流效率下降,冬季電解質(zhì)萎縮嚴(yán)重,電解槽角部伸腿生長,爐膛出現(xiàn)畸形。冬季溫度降低,造成電解槽散熱增加約24 mV[4]。不少企業(yè)采用改變環(huán)境溫度的方法調(diào)整電解槽散熱,尤其在溫度低的地區(qū),冬季普遍通過降低車間空氣流動(dòng),減少空氣帶走的熱量,避免環(huán)境溫度出現(xiàn)大幅波動(dòng)。某些企業(yè)還在槽底工字梁上放置保溫板,提高電解槽底部散熱面所處環(huán)境溫度,進(jìn)而降低槽底散熱。

一些專利提出利用煙氣溫度提高電解槽周圍溫度從而降低電解槽散熱的思路[5],雖然目前沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用,但也為充分利用電解槽煙氣余熱、降低電解槽散熱提供了新的思路。

2.2 調(diào)整槽溫

若環(huán)境溫度不變,降低槽溫,也可以降低溫度差,在一定程度上降低熱流,減少散熱。據(jù)測算,電解質(zhì)溫度下降10 ℃,鋁電解理論能耗可下降約7 kWh/kg[3]。國外的鋁電解企業(yè)通過采用純凈電解質(zhì)降低分子比來降低槽溫。為了降低槽溫,某些企業(yè)電解質(zhì)的分子比控制在2.2左右。國內(nèi)不少企業(yè)采用國產(chǎn)氧化鋁進(jìn)行生產(chǎn),其鋰含量較高,氟化鋰不斷在電解質(zhì)中富集,形成了高鋰電解質(zhì)體系,電解質(zhì)的初晶溫度顯著降低,在保證電解質(zhì)對氧化鋁具有足夠的溶解性前提下,降低了電解質(zhì)溫度,為鋁電解節(jié)能提供了基礎(chǔ)[6]。

2.3 調(diào)整電解槽槽體導(dǎo)熱性能

調(diào)整電解槽槽體導(dǎo)熱性能的措施包括改善陰極內(nèi)襯設(shè)計(jì),增加覆蓋料、槽罩板等的保溫能力[7]等。

2.3.1 改善陰極內(nèi)襯設(shè)計(jì)

某企業(yè)根據(jù)傳統(tǒng)“四低一高”鋁電解生產(chǎn)理念設(shè)計(jì)了電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu),采用底部保溫、側(cè)部散熱的設(shè)計(jì)思路[8]。為了進(jìn)一步優(yōu)化電解槽指標(biāo),在電解槽槽殼和大、小面內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的炭塊之間增加一層厚度分別為20 mm和30 mm的具有良好保溫作用的陶瓷纖維板;在電解槽保溫區(qū)槽殼和內(nèi)襯之間增加80 mm厚的硅酸鈣板和10 mm厚的陶瓷纖維板;爐底內(nèi)襯結(jié)構(gòu)自下而上為10 mm厚的陶瓷纖維板、65 mm厚的硅酸鈣板、130 mm厚的保溫磚(兩層)和168 mm厚的防滲料。電解槽內(nèi)襯優(yōu)化后,陰極區(qū)槽殼表面溫度顯著降低,陰極區(qū)散熱明顯減少,電解槽穩(wěn)定性提高,平均電壓降低115 mV,平均電流效率提高0.2%,直流電耗降低399 kWh/t-Al,節(jié)能效果顯著[7]。調(diào)整電解槽陰極內(nèi)襯設(shè)計(jì)是減少電解槽散熱和優(yōu)化能量平衡的重要措施,是新技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要支撐。電解槽陰極內(nèi)襯的能量平衡優(yōu)化也是新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)的重要組成,陰極內(nèi)襯優(yōu)化后,電解槽的側(cè)下部散熱大幅降低[9]。

2.3.2 調(diào)整覆蓋料覆蓋制度

調(diào)整覆蓋料覆蓋制度可以大幅降低電解槽散熱。降低覆蓋料粒度可以降低覆蓋料的導(dǎo)熱系數(shù),使覆蓋料上表面散熱量減少,保溫效果增強(qiáng),因此增加覆蓋料中粉料比例是降低覆蓋料粒度的一種可行方案。某企業(yè)實(shí)施覆蓋料制度優(yōu)化,實(shí)施前后覆蓋料組成變化見表1。當(dāng)覆蓋料的細(xì)料占比增加后,陽極覆蓋料上表面的散熱由實(shí)施前的25.9 mV降低至22 mV左右,進(jìn)一步降低覆蓋料的粒度,覆蓋料上表面散熱變化不明顯[10]。

表1 覆蓋料粒徑前后變化

陽極覆蓋料厚度對電解槽上部散熱也有著重大影響。研究表明,在相同煙氣流量下,覆蓋料厚度變化對上部散熱影響達(dá)到200 mV以上[11]。覆蓋料厚度是調(diào)整電解槽上部散熱的關(guān)鍵所在,國內(nèi)部分企業(yè)通過采用擋料板提高覆蓋料的厚度,尤其是電解槽角部陽極覆蓋料后,減少角部陽極散熱,可確保電解槽的爐膛內(nèi)型。

2.3.3 調(diào)整槽罩板

槽罩板散熱占電解槽散熱的20%～35%,因此調(diào)整槽罩板散熱是調(diào)節(jié)電解槽散熱重要措施,為此行業(yè)內(nèi)開發(fā)了多種槽罩板保溫方式。某企業(yè)對單層槽罩板進(jìn)行了改造,在槽罩板上加裝一層鋁皮,實(shí)現(xiàn)雙層中空隔熱。改造后的雙層槽罩板表面最高溫度下降至80 ℃,部分區(qū)域溫度降到40 ℃左右。改造后的槽罩板密封性提高,有利于減少電解槽散熱和能量損失。一些企業(yè)采用了簡單有效的保溫措施——在槽罩板上覆蓋保溫布,也實(shí)現(xiàn)了減少電解槽槽罩板散熱的目的,為電解槽穩(wěn)定高效運(yùn)行提供支持。近幾年開發(fā)的保溫槽罩板,表面溫度降低10 ℃ 以上,槽罩板散熱可降低30 mV。

2.3.4 其他措施

此外,對電解槽槽殼的角部保溫也是很多企業(yè)采取的措施。采取角部保溫后可以有效降低電解槽角部伸腿發(fā)育,對保證電解槽的作業(yè)和提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有重要的積極作用。

調(diào)整鋁電解工藝參數(shù),形成厚度足夠的爐幫也是減少散熱的有效措施。某研究院開發(fā)的新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù),制定了配套的電解槽啟動(dòng)方案。采用該項(xiàng)技術(shù)的大部分企業(yè)電解槽的爐幫厚度達(dá)到15 cm以上,電解槽獲得良好指標(biāo)。

2.4 調(diào)整散熱面積

隨著電解槽的大型化和陽極電流密度的提高,電解槽側(cè)部熔體區(qū)的散熱負(fù)荷增大,嚴(yán)重影響了鋁電解側(cè)部爐幫的形成與保持,也影響了鋁電解生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為了強(qiáng)化側(cè)部散熱,在電解槽側(cè)部殼壁加焊散熱片,擴(kuò)大散熱面積,在一定程度上可以降低了熔體區(qū)的散熱負(fù)荷。戚喜全[12]以某320 kA電解槽為研究對象,通過模擬仿真,研究了散熱片結(jié)構(gòu)和加焊位置對電解槽散熱的影響。研究表明,在電解槽槽殼側(cè)部加焊散熱片可大幅提升側(cè)部散熱,散熱片數(shù)目越多,散熱量越大;“正梯形”狀散熱片散熱效果優(yōu)于“倒梯形”散熱片,散熱片加焊于熔體區(qū)的散熱效果優(yōu)于其他區(qū)域。搖籃架焊接于槽殼上提高了槽殼向搖籃架的傳熱速率,槽殼散熱能力得以大幅提升,搖籃架溫度也明顯提升,總體上增加了電解槽向外界的散熱速度。目前國內(nèi)大部分200 kA以上電解槽槽殼側(cè)部有散熱片,電解槽槽殼也采用了搖籃架結(jié)構(gòu)。

調(diào)整電解槽熔體總高度(鋁水平和電解質(zhì)水平之和)是調(diào)節(jié)電解槽側(cè)部散熱的另一種重要手段,實(shí)際中調(diào)整鋁水平更方便。熔體總高度不同,對應(yīng)的散熱面積不同,電解槽槽側(cè)部散熱效果也存在較大差異。研究表明,熔體高度每增加1 cm,電解槽散熱增加12～14 mV[13],因此確定適宜的鋁水平對電解槽的節(jié)能具有重要作用。

2.5 調(diào)節(jié)煙氣流量

鋁電解煙氣流量對電解槽的能量平衡和散熱分布具有重要的影響。煙氣流量大,則帶走的熱量多,會(huì)增加鋁電解能耗;煙氣流量小,帶走的熱量少,但會(huì)影響集氣效率和凈化效果。因此,企業(yè)需要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際,設(shè)置適宜的煙氣流量。

通過多年鋁電解能效對標(biāo)測試,發(fā)現(xiàn)不同企業(yè)同級(jí)別槽型的煙氣流量差別較大,煙氣帶走的熱量也相差較大。同為200 kA系列電解槽,A企業(yè)煙氣流量1 949 m3/h,煙氣溫度167 ℃,煙氣帶走熱量折合388 mV;B企業(yè)煙氣流量8 086 m3/h,煙氣溫度134 ℃,煙氣帶走熱量折合860 mV;煙氣帶走的熱量相差達(dá)450 mV左右[14]。某電解鋁企業(yè)由于煙道積料較多,為了達(dá)到理想的凈化效果,煙管開度較大,煙氣流量偏高,導(dǎo)致電解槽陽極區(qū)散熱大,電解槽能耗偏高。通過開展電解槽能量平衡測試,進(jìn)行了煙管開度的調(diào)整,調(diào)整之前煙氣標(biāo)況流量8 075 m3/h,調(diào)整后煙氣標(biāo)況流量5 086 m3/h,煙氣帶走熱量由617 mV降低至529 mV,煙氣流量調(diào)整后鋁電解直流電耗降低92 kW·h/t,鋁電解槽煙氣流量調(diào)整取得了良好節(jié)電效果[15]。

3 結(jié)束語

調(diào)整電解槽的鋁水平、煙氣流量、覆蓋料覆蓋制度是常用的散熱調(diào)整措施。調(diào)節(jié)煙氣流量和調(diào)整鋁水平成本低、見效快。覆蓋料制度調(diào)整也相對簡單有效,但會(huì)略微增加勞動(dòng)強(qiáng)度,甚至需要增加一定的設(shè)備。調(diào)整環(huán)境溫度對部分企業(yè)也具有明顯的節(jié)能效果,具體實(shí)施措施需要根據(jù)企業(yè)自身情況而定。電解槽不具備大修條件時(shí),優(yōu)先選擇上述幾種措施。調(diào)整電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)對電解槽能量平衡影響最大,效果明顯,技術(shù)要求最高,成本也較高。電解槽具備大修條件且企業(yè)具有電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)調(diào)整能力或技術(shù)支持時(shí),可以采用該方法優(yōu)化電解槽能量平衡。實(shí)施鋁電解槽散熱措施后,需及時(shí)調(diào)整電解槽參數(shù),確保電解槽穩(wěn)定高效運(yùn)行,從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。