350 kA電解槽降碳技術(shù)實踐

楊丹丹

(國家電投集團鋁電投資有限公司,寧夏 銀川 750004)

據(jù)統(tǒng)計,2020年電解鋁環(huán)節(jié)的碳排放量約為5億噸,占鋁行業(yè)碳排放的75%,占我國社會碳排放量總量的6%[1-2]。而在雙碳戰(zhàn)略的背景下,如何降低碳排放是鋁業(yè)生存的重要課題。國電投集團提出綠電鋁生態(tài)集成戰(zhàn)略,通過對電解鋁各環(huán)節(jié)能耗控制和總量控制實現(xiàn)碳排放下降。因此在這一戰(zhàn)略下,采用成熟的節(jié)能降碳技術(shù)對電解槽進行升級是重要舉措。

電解槽能耗可以通過降低槽工作電壓,降低效應(yīng)系數(shù),降低熱損失等方面去實現(xiàn)。針對以上幾個方面,電解鋁行業(yè)已經(jīng)在改進原材料質(zhì)量[3-5]、半連續(xù)下料技術(shù)[6-7]、優(yōu)化廠房通風(fēng)形式[8]等方面做了大量節(jié)能工作。在這些技術(shù)之外,石墨化陰極結(jié)合生鐵澆鑄組裝的節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),也可以顯著降低槽陰極壓降和水平電流分布,降低鋁液波動,從而達到提高鋁電解槽的金屬鋁液界面的穩(wěn)定性,提高生產(chǎn)槽電流效率,降低鋁電解生產(chǎn)電能消耗的目的。

某鋁廠350 kA電解系列電解質(zhì)鋰鉀總和含量均值7.50%,電解槽平均電壓4.00 V,電流效率92.5%,直流電耗12 889 kWh/t-Al,面對階梯電價政策中2025年鋁液綜合交流電單耗13 300 kWh/t-Al存在一定難度。為響應(yīng)國家政策和集團戰(zhàn)略,采用了石墨化陰極結(jié)合生鐵澆鑄組裝的節(jié)能型陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)對電解槽進行技術(shù)升級,取得了良好的降碳效果。

1 技改升級槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和模擬仿真

1.1 陰極組優(yōu)化

1.1.1 優(yōu)化思路

鋁電解槽生產(chǎn)時,流過鋁液的電流除了有垂直向下的分量外,還有水平方向的分量,即水平電流。水平電流會與磁場相互作用,進而引發(fā)鋁液流動及界面波動。這種流動和界面波動隨著鋁液鏡面的擴大而增強,其帶來的危害如鋁的二次反應(yīng)、熔體侵蝕爐幫等也會隨之增加,必須加以控制。研究發(fā)現(xiàn)[9],要想降低鋁液中的水平電流,可以通過調(diào)整陰極炭塊組內(nèi)各種材料的電阻分配比例實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方式主要有兩種:第一個是改變陰極組的結(jié)構(gòu);第二個是調(diào)整材料的導(dǎo)電性,或?qū)⒍呓Y(jié)合起來[9]。

圖1 石墨化澆鑄陰極

1.1.2 組裝形式優(yōu)化

接觸壓降是接觸面積和接觸壓力的函數(shù),與接觸面積成反比,與接觸壓力成正比。傳統(tǒng)的陰極組裝是糊料扎固組裝,糊料在焙燒過程中會受熱收縮,造成糊料和鋼棒的接觸壓降較大。而在生鐵澆鑄組裝形式下,生鐵在焙燒過程中受熱膨脹,因此與炭塊接觸壓力明顯大于糊料扎固組裝形式下的接觸壓力,進而降低了陰極組接觸壓降。從而利用生鐵的膨脹性降低了電解槽能耗。

1.1.3 材料優(yōu)化

石墨化炭塊是以石墨化焦為骨料,以瀝青為粘結(jié)劑,成型后焙燒1 200℃,而后在石墨化爐內(nèi)經(jīng)2 200～2 700℃石墨化,最終在3 000℃導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性達到最優(yōu)的炭素產(chǎn)品。石墨化炭塊與石墨質(zhì)炭塊的各種技術(shù)指標(biāo)及檢測標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。由表1可見,石墨化陰極的電阻率明顯低于石墨質(zhì)陰極,這說明石墨化陰極的陰極壓降將會顯著低于石墨質(zhì)陰極,利用這一點同樣可以降低陰極壓降。因此石墨化陰極相對于石墨質(zhì)陰極具有更好的節(jié)能潛力。

表1 石墨化與石墨質(zhì)陰極炭塊理化指標(biāo)(典型值)

表2 石墨化陰極澆鑄電解槽焙燒技術(shù)表

因此采用生鐵澆鑄技術(shù),其核心是通過優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)、組裝方式和陰極材質(zhì),綜合各方面優(yōu)勢,降低陰極壓降、提高磁流體穩(wěn)定性,最終達到降低電解能耗的目的。

1.2 配套內(nèi)襯設(shè)計

采用石墨化澆鑄陰極電解槽可顯著降低鋁液中水平電流,提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性,為電解槽在更低極距下運行創(chuàng)造了更大的空間。而低極距運行所需要的熱量是保證電解槽正常運行的重要條件。因此,本研究針對石墨化陰極產(chǎn)熱少、散熱多的特點,在電解槽底部和陰極鋼棒窗口區(qū)采用保溫性能好、耐電解質(zhì)蒸汽侵蝕的內(nèi)襯材料及結(jié)構(gòu)形式,確保石墨化澆鑄陰極內(nèi)襯能夠在低極距下正常運行。比如在槽底采用了強度更高、化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的高密度陶瓷纖維板和陶瓷蛭石隔熱板替換了傳統(tǒng)的隔熱保溫磚,同時在鋼棒窗口區(qū)采用蛭石保溫磚和硬硅鈣石絕熱板替換了隔熱保溫磚,保障了電解槽在低電壓下的長期健康運行。

2 電熱平衡仿真計算及設(shè)計

本項目利用三維電-熱耦合切片模型,詳細計算了采用石墨化陰極澆鑄技術(shù)后各個部分的電壓組成、熱平衡分布以及槽內(nèi)溫度分布。

2.1 鋁液水平電流及陰極壓降對比

利用上述模型計算了不同技術(shù)條件下的水平電流,根據(jù)仿真結(jié)果,相比50%石墨質(zhì)扎糊陰極,采用石墨化澆鑄技術(shù)后,最大值由9 021 A/m2下降到4 575 A/m2,降低幅度接近50%,鋁液層內(nèi)整體水平電流明顯下降,有利于減低鋁液界面波動效應(yīng)。同時陰極壓降從264 mV降低到159 mV,節(jié)能效果顯著。

2.2 電解槽電熱平衡計算

在電流強度370 kA下,槽平均電壓3.954 V,其中陽極電壓0.341 V,電解質(zhì)壓降1.332 V,陰極壓降0.201 V,電解質(zhì)溫度為927.4℃,過熱度6.4℃。

等溫線分布如圖3和圖4所示,底部800℃和900℃等溫線位于電解槽防滲層內(nèi)部,等溫線底部水平,側(cè)部豎直,分布合理。槽膛爐幫厚度12.8 cm,伸腿長度2.2 cm。側(cè)壁溫度231℃,槽底板平均溫度在61℃左右。

圖3 電解槽不同技術(shù)水平電流對比

圖4 電解槽等溫線分布

計算結(jié)果表明,石墨化澆鑄陰極電解槽內(nèi)部等溫線分部合理,能夠在目標(biāo)電壓下,按照生產(chǎn)條件保持規(guī)整的爐幫形狀和合理的爐幫厚度。

3 石墨化澆鑄陰極應(yīng)用實踐

某鋁廠350 kA電解系列開展5臺石墨化陰極磷生鐵澆鑄技術(shù)試驗電解槽。在此期間充分論證考慮了電解槽內(nèi)襯保溫性能、石墨化陰極與冷搗糊炭素特性,優(yōu)化焦粉焙燒啟動技術(shù),解決焙燒升溫和梯度均勻性,為保障電解槽壽命和后期管理提供堅實基礎(chǔ)。在試驗槽技術(shù)條件探索匹配中,形成了試驗槽在高鋰鉀電解質(zhì)體系下較低電壓、低分子比、低鋁水平、高電解質(zhì)水平、高過熱度“三低兩高”控制思路,取得平均電流效率92.87%、噸鋁直流電耗12 695 kWh指標(biāo)水平。

3.1 優(yōu)化焙燒啟動

在石墨化陰極電解槽的焙燒啟動過程中,充分考慮石墨化陰極的產(chǎn)熱少、散熱快特點,在焦粉組分、鋪焦掛極、裝爐、分流、焙燒時間、啟動方式等關(guān)鍵環(huán)節(jié)優(yōu)化技術(shù)要求,做出如下調(diào)整:

(1)裝爐提高了冰晶石用量,采用10噸電解質(zhì)塊和10噸冰晶石的等量裝爐形式,并添加氟化鋁0.8噸。

(2)焦粉比電阻配置在150～160 μΩ·m,粒度為1～4 mm,在此情況下控制試驗槽沖擊電壓2.8～3.2 V之間。

(3)焙燒溫度梯度第一天控制在20℃/h以內(nèi),保證溫度梯度均勻,并將焙燒總時間提高到120 h;啟動條件為平均溫度達到920℃。準(zhǔn)備16噸電解質(zhì)液體,一次灌入后無效應(yīng)啟動,啟動后轉(zhuǎn)入后期管理階段。

3.2 匹配電解槽技術(shù)條件

啟動后電解槽采用前期快,后期慢的電壓調(diào)整策略,28天后電壓降低至目標(biāo)值,分子比降至2.40～2.45(熒光法)之間,陰極壓降在考核期內(nèi)保持150～180 mV以內(nèi)。

試驗采用新型石墨化澆鑄陰極技術(shù)的電解槽在考核期半年內(nèi)運行平穩(wěn),平均電壓3.956 V,平均電流效率92.87%,噸鋁平均直流電耗12 695 kWh,具體見表3。其工藝技術(shù)參數(shù)與半石墨質(zhì)扎糊陰極電解槽對比見表4。對比結(jié)果顯示,應(yīng)用石墨化澆鑄陰極技術(shù)后,鋁電解槽噸原鋁直流電耗降低了約194 kWh,經(jīng)折算[10],相當(dāng)于每噸鋁減少CO2排放193.41 kg,為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

表3 石墨化陰極澆鑄電解槽技術(shù)條件表

表4 半石墨質(zhì)雙鋼棒扎糊與石墨化澆鑄陰極電解槽技術(shù)參數(shù)對比表

4 結(jié) 論

(1) 采用石墨化炭塊結(jié)合生鐵澆鑄形式的新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),從陰極結(jié)構(gòu)的材質(zhì)和組裝形式設(shè)計出發(fā),從本質(zhì)上降低電解生產(chǎn)能耗。

(2) 采用石墨化澆鑄陰極技術(shù)后,鋁液層內(nèi)水平電流整體下降明顯,下降幅度超過了50%。同時陰極壓降由264 mV降低到159 mV,既減低鋁液界面波動效應(yīng),又有效降低陰極壓降。

(3) 通過優(yōu)化槽底和鋼棒窗口區(qū)的保溫材料保證了石墨化澆鑄陰極電解槽熱平衡的合理性,并奠定了電解槽長期健康運行的基礎(chǔ)條件。

(4) 在高鋰鉀電解質(zhì)體系下,應(yīng)用較低電壓、低分子比、低鋁水平、高電解質(zhì)水平、高過熱度“三低兩高”控制思路,取得了良好技術(shù)應(yīng)用效果,石墨化澆鑄陰極噸原鋁直流電耗降低了194 kWh,技改效果顯著,對鋁行業(yè)節(jié)能及降碳工作具有一定指導(dǎo)意義。