全石墨化陰極內(nèi)襯在500 kA鋁電解槽改造應(yīng)用實踐

李元山

(酒鋼集團甘肅東興鋁業(yè)有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

某公司 500 kA 電解槽自投產(chǎn)以來,運行平穩(wěn),目前已達到內(nèi)襯設(shè)計壽命,部分電解槽逐漸進入電解槽大修期。為積極響應(yīng)國家雙碳目標(biāo),采用最新的先進的工藝技術(shù),利用電解槽大修期,通過對電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,進一步提高生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo),增加產(chǎn)能,降低生產(chǎn)成本;提高電解槽穩(wěn)定性,降低電解槽噸鋁能耗,從而獲得良好的經(jīng)濟和社會效益。

1 全石墨化陰極內(nèi)襯優(yōu)化改造

1.1 采用石墨化陰極炭塊技術(shù)

電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中,底部陰極炭塊是影響槽體運行壽命及生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的重要材料,作為電解槽中主要的一種材料,如何選用成為我們關(guān)注的重點。陰極炭塊按材料和生產(chǎn)工藝主要分為三種,分別是無煙煤基炭塊、石墨質(zhì)炭塊和石墨化炭塊,其中無煙煤基炭塊由于電阻率高,鈉膨脹率高等影響電解槽技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo),在新的電解槽內(nèi)襯設(shè)計中很少采用。

石墨質(zhì)炭塊:根據(jù)人造石墨碎在其干料配方中所占名義比例10%、30%、50%、100%來區(qū)分。石墨質(zhì)炭塊是骨料由石墨碎替代部分電煅無煙煤或全部采用石墨碎為骨料,成型后的生坯經(jīng)過約1 200℃的焙燒而制成的陰極炭塊。目前較為常用的為50%石墨質(zhì)陰極炭塊。石墨化陰極炭塊:是由以石油焦為骨料,經(jīng)過煅燒,成型,焙燒。然后再經(jīng)2 500～3 000℃石墨化處理后制成的陰極炭塊[1]。

其主要物理化學(xué)指標(biāo)對比如表1。

表1 石墨質(zhì)和石墨化炭塊物理化學(xué)指標(biāo)

石墨質(zhì)炭塊較石墨化炭塊雖然價格便宜,但是其電阻率明顯較石墨化炭塊高,在生產(chǎn)運行中爐底壓降較石墨化炭塊更高;鈉膨脹率也較石墨化炭塊高,在生產(chǎn)運行中出現(xiàn)鈉吸收較多、容易引起內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上拱,使得電解槽爐膛不平整,致使槽體電流分布不均勻,磁場受到影響,出現(xiàn)鋁水波動大,引起電壓擺動多,從而導(dǎo)致內(nèi)襯結(jié)構(gòu)易破損,電解槽運行壽命縮短。

總的來說,石墨化炭塊具有良好的導(dǎo)熱性和良好的導(dǎo)電性,可以承受較高的電流。同時石墨化炭塊的鈉膨脹率遠小于石墨質(zhì)陰極炭塊,這是由于石墨化炭塊鈉吸收小,炭塊水平方向膨脹小,并在受內(nèi)襯和槽殼約束時,炭塊向上隆起小;在電解生產(chǎn)過程中,鈉吸收小于石墨質(zhì)炭塊。因此,石墨化炭塊的爐底壓降隨生產(chǎn)時間的增長變化更平緩,炭塊整體變形較小,能夠有效延長電解槽運行壽命。

國內(nèi)鋁廠也就采用石墨化陰極與石墨質(zhì)陰極的電解槽進行了相關(guān)的對比實驗,在原材料、管理等外部條件基本相同的情況下,石墨化陰極電解槽較石墨質(zhì)陰極電解槽也取得了更好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)[2～3]。

1.2 陰極炭塊組結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化升級

為了達到節(jié)能降耗、增加產(chǎn)能的目的,采用新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)對陰極炭塊組進行優(yōu)化。新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)構(gòu)形式與原雙鋼棒技術(shù)結(jié)構(gòu)形式對比如圖1所示。

圖1 新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)構(gòu)形式與原雙鋼棒技術(shù)結(jié)構(gòu)形式

采用新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)的電解槽與雙鋼棒相比,采用雙鋼棒槽和新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)電解槽鋁液中水平電流最大值均在 4 000～5 000 A/m2左右。雙鋼棒槽陰極壓降設(shè)計值在 317 mV,而采用扎糊方式的石墨化陰極的新式節(jié)能陰極壓降設(shè)計值降低到了 239 mV,對比降低了 78 mV,即噸鋁直流電耗至少降低240 kWh。

陰極炭塊組采用石墨化陰極的新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),鋁液中的水平電流和雙鋼棒槽鋁液中水平電流基本相當(dāng),電解槽在低電壓下具有良好的穩(wěn)定性。同時陰極壓降降低 78 mV,大幅度降低電解槽物理壓降,共同達到降低電解槽能耗的目的。

1.3 相配套的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

1.3.1 槽底優(yōu)化

電解槽陰極炭塊以下的底部防滲保溫層采用干式防滲料為防滲材料,原有保溫層底部砌筑材料為硅藻土保溫磚和硅酸蓋板,經(jīng)過優(yōu)化后將保溫層砌筑材料變更為隔熱耐火磚和硬硅鈣石復(fù)合絕熱板。這是由于隔熱耐火磚及硬硅鈣石復(fù)合絕熱磚抗折、耐壓強度高,具有良好的抗震性,并且其熱導(dǎo)率低,隔熱效果更好;同時在干式防滲料與保溫層之間利用δ2 mm厚鋼板增加一層物理防滲,防止鈉蒸汽的滲透從而對保溫材料的侵蝕。

1.3.2 施工工藝優(yōu)化

原有側(cè)部僅為氮化硅塊,扎固過程中要由施工人員添加大量糊料后進行分層扎固,不僅耗時、費力、增加材料使用量,同時扎固后的伸腿在焙燒啟動過程中收縮較大,散熱能力較差。通過對施工工藝及材料修改,側(cè)塊大面扎糊優(yōu)化為側(cè)部復(fù)合塊形式,槽周圍糊扎固到陰極炭塊下沿,不僅減少了扎固時間,減少了材料的使用料,同時利用了糊料的收縮性保證了在電解槽啟動和生產(chǎn)過程中受熱和吸鈉產(chǎn)生的膨脹量,減少陰極炭塊的上拱及應(yīng)力的釋放。

采用該技術(shù)的電解槽內(nèi)襯熱平衡模擬仿真結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出,電解槽內(nèi)部等溫線分布合理,900℃等溫線位于陰極炭塊以下,800℃等溫線在保溫層以上,同時陰極炭塊窗口區(qū)等溫線豎直,間隔合理。電解槽爐膛上口爐幫較厚,伸腿較短,達到了內(nèi)襯設(shè)計的最終目的。計算結(jié)果說明優(yōu)化后的內(nèi)襯形式能夠使電解槽在生產(chǎn)中保持規(guī)整的爐幫形狀和合理的爐幫厚度,既保證了電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn),又很好的保護了側(cè)部內(nèi)襯,延長了槽壽命。

圖2 電解槽內(nèi)襯熱平衡模擬

2 效果評價

(1)電耗指標(biāo)完成情況

根據(jù)某公司優(yōu)化后三個系列30臺電解槽啟動后滿3個月全石墨陰極槽近一個月主要技術(shù)指標(biāo)進行分析。

從表2可見,30臺啟動后滿3個月全石墨陰極槽近一個月噸鋁可比交流電耗13 053 kWh/t-Al,較目標(biāo)值13 100 kWh/t-Al降低47 kWh/t-Al。全石墨化陰極電解槽完成了本技改項目的電耗指標(biāo)。

表2 30臺滿3個月全石墨陰極槽近一個月主要技術(shù)指標(biāo)

(2)槽壽命預(yù)計將會大幅度延長

全石墨化陰極炭塊與高石墨質(zhì)(50%石墨質(zhì))陰極炭塊相比,電阻率、鈉膨脹率和爐底壓降均明顯降低,導(dǎo)熱率升高、散熱性能增大。根據(jù)30臺全石墨化陰極電解槽與30臺高石墨質(zhì)陰極電解槽運行參數(shù)及生產(chǎn)槽況對比分析,全石墨化陰極電解槽壽命可遠大于高石墨質(zhì)陰極電解槽。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟效益分析

(1)30臺全石墨化陰極電解槽

30臺全石墨化陰極電解槽噸鋁可比交流電耗13 053 kWh/t-Al,較前期噸鋁可比交流單耗13 298 kWh/t-Al降低了245 kWh/t-Al,無稅電價按0.441 2元/kWh計算,生產(chǎn)用電成本降低了108.094元/t-Al。

(2)節(jié)約大修啟動費創(chuàng)效

500 kA全石墨化陰極電解槽槽壽命預(yù)計可延長到2 900天以上,按延長到2 900天計算,扣除大修材料費增加64萬元/臺,噸鋁節(jié)約大修啟動費85.85元/t-Al。

該技改項目的全石墨化陰極電解槽降低生產(chǎn)用電成本元108.094元/t-Al,節(jié)約大修啟動費85.85元/t-Al,合計創(chuàng)效193.944元/t-Al,按照年產(chǎn)45萬噸/系列,預(yù)計年收益8 727.48萬元,具有顯著的經(jīng)濟效益。

3.2 環(huán)境和社會效益評價

(1)減少危(固)廢處理費用

采用石墨質(zhì)炭塊的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)整體設(shè)計壽命約為2 200天,采用全石墨化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)整體預(yù)期壽命約為2 900天,按照1 008臺電解槽計算,采用石墨質(zhì)炭塊內(nèi)襯結(jié)構(gòu)每年檢修數(shù)量約為183臺,采用全石墨化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)每年檢修數(shù)量約為126臺。

采取全石墨化內(nèi)襯優(yōu)化改造,每年可減少大修槽數(shù)57槽/年,可降低大修槽廢內(nèi)襯(危險固廢)7 866噸,每年將節(jié)約處理費用550.62萬元。

(2) 環(huán)境社會效益

推廣應(yīng)用全石墨化陰極內(nèi)襯優(yōu)化新技術(shù),可大幅度地減少危險固廢在清理、搬運、存儲、無害化處理和處置全過程可能對環(huán)境造成的污染影響及環(huán)保風(fēng)險,實現(xiàn)企業(yè)綠色環(huán)保、社會友好的可持續(xù)良性發(fā)展。

推廣應(yīng)用全石墨化陰極內(nèi)襯優(yōu)化技術(shù)具有顯著的環(huán)保效益及社會效益。

4 結(jié) 語

本文從500 kA電解槽內(nèi)襯大修改造優(yōu)化生產(chǎn)實踐,得出如下結(jié)論,采用石墨化陰極炭塊方案較50%石墨質(zhì)陰極炭塊方案,爐底壓降設(shè)計值降低78 mV;采用石墨化炭塊生產(chǎn)中可比交流電耗13 053 kWh/t-Al,預(yù)期槽壽命延長至2 900天。

全石墨化優(yōu)化方案具有省電、增加產(chǎn)量和延長大修周期長的優(yōu)點,能夠獲得良好的經(jīng)濟和社會效益。后續(xù)將采用更新的電解槽內(nèi)襯改造技術(shù),如新一代全石墨化澆鑄陰極等新型節(jié)能型電解槽優(yōu)化技術(shù),為系列進一步減排和節(jié)能降耗打下良好的基礎(chǔ)。