雙碳背景下鋁電解綠色低碳技術(shù)體系構(gòu)建

曹 曦,胡紅武,劉雅鋒,劉 偉,王 旋

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

電解鋁行業(yè)在目前雙碳戰(zhàn)略形勢(shì)下所面臨的碳排放壓力愈發(fā)增大,尤其是2021年8月26日國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)了《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))后[1],節(jié)能降碳成為當(dāng)前電解鋁企業(yè)生存和發(fā)展的首要議題。

2020年我國(guó)電解鋁行業(yè)平均綜合交流電耗為每噸13 543 kWh[2]。按照上述政策要求,假定某電解鋁企業(yè)目前的能耗水平為全行業(yè)平均值13 543 kWh/t-Al,則其自2022年起各年度的電價(jià)加價(jià)及噸鋁液電力成本增量如下表所示,到2025年成本增加將達(dá)到1 761元/t,這將會(huì)顯著增加鋁廠的生產(chǎn)成本。

為有效的解決該問題,沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱沈陽(yáng)院)形成了一整套系統(tǒng)完備、科學(xué)規(guī)范的綠色低碳深度節(jié)能鋁電解技術(shù)體系,有助于緩解電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能降碳?jí)毫?同時(shí)提高電解生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

表1 電解鋁電價(jià)加價(jià)及電力成本增量估算

*注:電價(jià)加價(jià)計(jì)算如下:根據(jù)文件要求,自2023年起,分檔標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為每噸13 450 kWh(不含脫硫電耗)。按照全行業(yè)平均值13 543 kWh/t-Al計(jì)算,高于2023年分檔標(biāo)準(zhǔn)93 kWh/t-Al。則電力成本增量計(jì)算如下:(13 543-13 450)/20×0.01=0.05元/kWh(向上取整)。電力成本增量為0.05×13 543=677.15元。

1 沈陽(yáng)院綠色深度節(jié)能鋁電解技術(shù)體系

沈陽(yáng)院綠色低碳深度節(jié)能鋁電解技術(shù)體系包括電解槽設(shè)計(jì)技術(shù)、工程設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)字化電解槽控制技術(shù)等板塊。該技術(shù)體系的總體思路是:以多物理場(chǎng)仿真研究為理論指導(dǎo),以工業(yè)化試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為技術(shù)驗(yàn)證手段,著手于磁流體穩(wěn)定性提升、良好熱平衡維持和系統(tǒng)性節(jié)能降耗三個(gè)關(guān)鍵方向,并與生產(chǎn)操作管理緊密結(jié)合,開發(fā)了鋁電解槽工藝本質(zhì)節(jié)能技術(shù)體系。

2 磁場(chǎng)和磁流體穩(wěn)定性提升

2.1 磁場(chǎng)原位升級(jí)技術(shù)

早期設(shè)計(jì)的電解槽槽型(2008年以前)受限于當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)水平,或者某些槽型磁場(chǎng)存在一定缺陷,導(dǎo)致這些槽型已經(jīng)無法適應(yīng)目前愈加嚴(yán)格的能耗要求。為了徹底的解決磁場(chǎng)問題,顯著提高電解槽的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)水平及分布均勻性,沈陽(yáng)院開發(fā)了針對(duì)存量市場(chǎng)的磁場(chǎng)原位升級(jí)技術(shù),該技術(shù)在不影響系列電流、保留現(xiàn)有電解槽上部結(jié)構(gòu)、槽殼、支墩、基礎(chǔ)及槽周空間的條件下,對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)性的升級(jí)優(yōu)化。

表2是沈陽(yáng)院對(duì)國(guó)內(nèi)某330 kA電解系列進(jìn)行的磁場(chǎng)原位升級(jí)技術(shù)效果,從表中數(shù)據(jù)可以看到,磁場(chǎng)平均值降低了65%以上,2、3象限平均降低了73%以上,磁場(chǎng)大小及分布均勻性得到了大幅度提升。磁場(chǎng)的優(yōu)化升級(jí)將顯著減小鋁液-電解質(zhì)界面變形,從而大幅提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性[3]。

表2 某330kA電解槽磁場(chǎng)原位升級(jí)后垂直磁場(chǎng)對(duì)比 Gs

2.2 網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線技術(shù)

大容量電解槽在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下問題:

1) 單臺(tái)槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí),會(huì)影響上下游相鄰槽發(fā)生效應(yīng)或波動(dòng);

2) 單臺(tái)槽發(fā)生異常擺動(dòng)時(shí),會(huì)影響上下游相鄰槽發(fā)生擺動(dòng);

3) 換極后,電解槽出現(xiàn)穩(wěn)定性降低現(xiàn)象;

4) 單臺(tái)槽停槽期間,上下游電解槽出現(xiàn)穩(wěn)定性降低現(xiàn)象。

當(dāng)本槽出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況時(shí),鋁液層中的電流分布出現(xiàn)很大偏差,而傳統(tǒng)母線結(jié)構(gòu)不能有效矯正這種電流分布的不平衡,于是波動(dòng)電流通過陰極母線傳遞到上下游槽誘發(fā)連帶效應(yīng)。電流容量越大,這種相互干擾就越強(qiáng)。

為解決上述問題,網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線通過非區(qū)塊化配置方式能夠矯正陽(yáng)極大母線、陽(yáng)極組、鋁液層電流分布偏差,阻斷了非穩(wěn)定狀態(tài)下(包括停槽期間、效應(yīng)期間、異常擺動(dòng)期間等)波動(dòng)電流在電解系列中的傳導(dǎo),大幅提高了電解槽的操作穩(wěn)定性和抗干擾能力。

如表3和圖1所示,采用該技術(shù)之后陽(yáng)極效應(yīng)期間和異常擺動(dòng)期間電流分布偏差降低了70%。同時(shí)圖2顯示了,采用了該技術(shù)之后上游槽A側(cè)電流偏差最大值從13.53%降低到9.23%,平均值從5.15%降低到2.01%;上游槽B側(cè)電流偏差最大值從14.12%降低到6.86%,平均值從4.73%降低到2.02%,也即是說短路狀態(tài)下上游槽中電平衡均衡性可提高約60%左右。

如圖3所示,該技術(shù)在電解槽的陰極母線上形成等勢(shì)體,抑制由于鋁液/電解質(zhì)界面變形產(chǎn)生的水平電流,進(jìn)而大幅度提高電解槽磁流體穩(wěn)定性。瞬態(tài)磁流體穩(wěn)定性模擬顯示采用該技術(shù)后,在保持同樣的磁流體穩(wěn)定特性下,電解槽的極距可進(jìn)一步降低。如圖3所示,瞬態(tài)磁流體穩(wěn)定性模擬顯示采用該技術(shù)后,在保持同樣的磁流體穩(wěn)定特性下,電解槽的極距可降低4 mm。

圖1 擺動(dòng)期間電流分布偏差對(duì)比

表3 擺動(dòng)期間電流分布偏差對(duì)比

圖2 停槽期間上游槽電流分布偏差對(duì)比

圖3 電解槽安全極距對(duì)比

3 內(nèi)襯及熱平衡設(shè)計(jì)

3.1 石墨化陰極應(yīng)用技術(shù)

石墨化陰極炭塊具有較低的電阻率,其室溫電阻率比30%石墨質(zhì)炭塊低69%,比50%石墨質(zhì)炭塊低63%。石墨化陰極炭塊電阻低,可以降低其物理壓降,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。同時(shí),由于石墨化陰極炭塊具有較低的鈉膨脹率,可以更好地阻礙鈉通過炭塊進(jìn)入鋼-炭接觸面,并與冰晶石反應(yīng)形成增加鋼-炭接觸電阻的鋁鐵合金和氟化鈉。因此,石墨化陰極炭塊的陰極壓降隨生產(chǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)更平緩。

沈陽(yáng)院在2015年的500 kA試驗(yàn)槽上采用了石墨化陰極結(jié)合新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)的方案,為期2年半的持續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)顯示,陰極壓降長(zhǎng)期穩(wěn)定在180～190 mV之間,電流效率相比對(duì)比槽也提高了0.88個(gè)百分點(diǎn),石墨化陰極的節(jié)能效果凸顯。在某SY500電解系列中,電解槽全部采用石墨化陰極結(jié)合新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù),電流效率>94%,陰極壓降<200 mV。需要說明的是,該系列半數(shù)電解槽經(jīng)過了二次啟動(dòng),電解槽技術(shù)指標(biāo)良好。

3.2 復(fù)合嵌銅鋼棒技術(shù)

采用鋼棒插銅或者鋼棒嵌銅方式對(duì)電解槽陰極組結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,通過調(diào)整銅和鋼的結(jié)合形式及加銅質(zhì)量,既能夠?qū)崿F(xiàn)鋁液中水平電流的大幅度降低,也能夠?qū)崿F(xiàn)較低的陰極壓降,既能提高電解槽磁流體穩(wěn)定性,又能降低能耗。國(guó)外鋁業(yè)公司(如海德魯、美鋁、EGA等)已經(jīng)開始使用這種技術(shù)措施,我國(guó)發(fā)展和應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)間較晚。沈陽(yáng)院較早開展這項(xiàng)工作,在國(guó)內(nèi)某500 kA電解槽試驗(yàn)復(fù)合加銅鋼棒技術(shù)。2臺(tái)試驗(yàn)槽于2015年10月通電啟動(dòng),運(yùn)行指標(biāo)平穩(wěn),陰極壓降保持在150～170 mV,直流電耗小于12 450 kWh/t-Al,槽壽命已超過3 000天。

圖4 嵌銅鋼棒技術(shù)陰極壓降對(duì)比

3.3 燃?xì)忸A(yù)熱陰極組裝技術(shù)

生鐵澆鑄陰極組裝技術(shù)節(jié)能效果同樣顯著[4],但必須采用專用的加熱裝備實(shí)現(xiàn)陰極炭塊組的預(yù)熱,如果炭塊和鋼棒預(yù)熱溫度不足或溫度分布不均勻,在澆鑄過程中產(chǎn)生的熱沖擊將使陰極炭塊產(chǎn)生大裂紋以至無法使用。同時(shí)澆鑄過程產(chǎn)生的微裂紋、內(nèi)裂紋也可能在電解槽生產(chǎn)過程中惡化,進(jìn)而造成電解槽早期破損。如圖5所示,不同材質(zhì)炭塊鋼棒槽角部產(chǎn)生應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線不盡相同,必須精確控制各個(gè)工藝技術(shù)條件。

沈陽(yáng)院自主研發(fā)了先進(jìn)的澆鑄工藝論和燃?xì)忸A(yù)熱裝置等裝備,通過系統(tǒng)性燃控系統(tǒng)試驗(yàn)、加熱試驗(yàn)、循環(huán)溫升溫控試驗(yàn)、澆鑄試驗(yàn)等,形成了一整套成熟的陰極組裝、生鐵澆鑄工藝及配套管控技術(shù)和裝備,生鐵澆鑄組裝成功率>99.9%,天然氣用量<50 m3/塊,比電加熱節(jié)省成本約～30%。

圖5 鋼棒槽角部產(chǎn)生應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

3.4 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及熱平衡優(yōu)化

內(nèi)襯熱平衡設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是電解槽能夠節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障。沈陽(yáng)院內(nèi)襯的熱平衡設(shè)計(jì)首先與電解槽磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和磁流體穩(wěn)定性的目標(biāo)窗口相匹配,在保證電解槽運(yùn)行安全性的前提下,提供電解槽在較低極距條件下仍處于良好的熱平衡狀態(tài),為“長(zhǎng)健康壽命”高性能運(yùn)行的奠定有力的技術(shù)條件。

針對(duì)陰極壓降低、石墨化陰極導(dǎo)熱快等特點(diǎn),新的設(shè)計(jì)形式選擇具有良好的保溫性能、耐電解質(zhì)及蒸汽腐蝕的保溫材料,在陰極電壓大幅度降低的情況下保證區(qū)域及整體的熱平衡,并且以合理的散熱分布和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以及合格材料保證電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全運(yùn)行,并最終以良好的爐膛內(nèi)形反哺促進(jìn)提高磁流體穩(wěn)定性。

4 雙側(cè)精準(zhǔn)集氣技術(shù)

為了更好地滿足節(jié)能、環(huán)保要求,沈陽(yáng)院開發(fā)了雙側(cè)精準(zhǔn)集氣技術(shù)。電解槽上部結(jié)構(gòu)中采用兩側(cè)多點(diǎn)集氣煙道形式,每個(gè)火眼都有兩個(gè)專屬的集氣罩(分別位于每個(gè)錘頭兩側(cè))直接負(fù)責(zé)煙氣收集,與以往垂直分區(qū)多段集氣形式相比,新的設(shè)計(jì)形式進(jìn)一步降低煙道壓力損失49 Pa(以SY500電解槽為例,由189 Pa降低至140 Pa),不僅有利于更有效地?zé)煔馐占?還可以在同等集氣效果的前提下,有效降低電解槽單槽排煙量及凈化系統(tǒng)實(shí)際能耗。

圖6 雙側(cè)精準(zhǔn)集氣技術(shù)

5 高質(zhì)量開槽陽(yáng)極設(shè)計(jì)

陽(yáng)極開槽在國(guó)際上也已經(jīng)是常規(guī)技術(shù)應(yīng)用,但因?yàn)閲?guó)內(nèi)陽(yáng)極質(zhì)量的原因,并未大規(guī)模應(yīng)用。以往試驗(yàn)研究表明,陽(yáng)極開槽對(duì)降低電解槽壓降有著約50 mV的潛在效果,正適合低電壓、高效率的技術(shù)要求。沈陽(yáng)院根據(jù)行業(yè)內(nèi)開槽陽(yáng)極技術(shù)的應(yīng)用情況及效果,并通過優(yōu)化陽(yáng)極開槽的具體形式,如開槽方式、開槽深度、兩開槽間距等,確定具體開槽方案,進(jìn)一步發(fā)揮該技術(shù)的節(jié)能潛力。如圖8所示,經(jīng)過優(yōu)化開槽方式后,采用氣體體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均的方式,發(fā)現(xiàn)未開槽陽(yáng)極底部的平均氣相率為11.1%,而開槽陽(yáng)極底部的氣相率僅為2.3%,氣相率的大幅度降低對(duì)槽電壓的節(jié)能降耗能起到積極的作用[5]。

圖7 雙側(cè)精準(zhǔn)集氣技術(shù)效果

圖8 距離陽(yáng)極底面10mm截面流場(chǎng)分布

6 相匹配的生產(chǎn)工藝技術(shù)條件窗口

電解生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行陽(yáng)極更換、出鋁、熄滅陽(yáng)極效應(yīng)和抬母線等操作,也需要對(duì)鋁水平、電解質(zhì)水平、分子比、陽(yáng)極電流分布和極距等工藝參數(shù)進(jìn)行管控。電解生產(chǎn)操作及管理水平是決定電解槽能耗的關(guān)鍵一環(huán),為此沈陽(yáng)院針對(duì)每種槽型技術(shù)均提出了規(guī)范化的材料技術(shù)要求、金屬結(jié)構(gòu)制作規(guī)程、內(nèi)襯筑爐規(guī)程、焙燒啟動(dòng)規(guī)程、非正常期管控技術(shù)條件和正常期工藝技術(shù)條件窗口,可借此通過操作水平和管理思路的優(yōu)化調(diào)整,匹配電解槽工藝技術(shù)條件設(shè)計(jì)窗口,在較大程度上實(shí)現(xiàn)降低電耗的目的。

7 應(yīng)用情況

沈陽(yáng)院連續(xù)在180、200、240、330、350、400、500和600 kA多個(gè)槽型上應(yīng)用了綠色深度節(jié)能技術(shù)體系進(jìn)行節(jié)能降耗工作,某些現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果如表4和表5所示,采用石墨化陰極的試驗(yàn)槽直耗達(dá)到了12 300 kWh/t-Al以下,采用石墨化陰極結(jié)合嵌銅鋼棒的試驗(yàn)槽達(dá)到了12 200 kWh/t-Al以下;采用

表4 綠色低碳技術(shù)體系試驗(yàn)槽應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

表5 綠色低碳技術(shù)體系全系列應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

該技術(shù)全系列推廣后,系列電解槽直耗<12 500 kWh/t-Al,同時(shí)陰極壓降均在200 mV以下。應(yīng)用企業(yè)在這些試驗(yàn)槽的基礎(chǔ)上,也已經(jīng)利用大修槽進(jìn)行了技術(shù)推廣,緩解電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能降碳?jí)毫6-9]。

8 結(jié) 論

電解鋁行業(yè)在面對(duì)日益嚴(yán)格的能耗和環(huán)保政策形式下,生產(chǎn)成本和企業(yè)生存面臨著較大的壓力。沈陽(yáng)院綠色深度節(jié)能鋁電解技術(shù)體系從電解鋁工藝本質(zhì)入手,顯著提升了電解槽性能,節(jié)約運(yùn)行成本,提高電解生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性,并在國(guó)內(nèi)多條電解系列中應(yīng)用,直流電耗最低達(dá)到了12 200 kWh/t-Al以下,推廣后整系列達(dá)到12 500 kWh/t-Al以下。這不論是在提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力,還是在節(jié)約能源、降低溫室氣體排放方面,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益都十分顯著。