電解鋁企業(yè)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

王正榮

【摘 要】近年以來，隨著信貸資金收緊、電解鋁行業(yè)產(chǎn)能的不斷擴(kuò)張和鋁產(chǎn)品成本結(jié)構(gòu)的變化，鋁錠價(jià)格猛跌、電價(jià)一再調(diào)高，再加上國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)節(jié)能減排政策，導(dǎo)致電解鋁成本急劇上升，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出銷售價(jià)格。國(guó)內(nèi)電解鋁企業(yè)正遭遇生死劫難。降低能耗已經(jīng)成為高耗能行業(yè)的電解鋁企業(yè)的主流管理措施。如何采取有效的節(jié)能管理措施已經(jīng)成為電解鋁企業(yè)生存的關(guān)鍵問題，本文針對(duì)近年來電解鋁企業(yè)采取的主要節(jié)能技術(shù)作以闡述。

【關(guān)鍵詞】電解鋁；節(jié)能；技術(shù)應(yīng)用

近年來，黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視企業(yè)節(jié)能減排工作，企業(yè)節(jié)能考核工作已納入對(duì)省級(jí)人民政府的節(jié)能目標(biāo)責(zé)任評(píng)價(jià)考核內(nèi)容當(dāng)中[1]，要求鋁錠綜合交流電單耗到2015年降至13300千瓦時(shí)/噸，較2010年下降713千瓦時(shí)/噸[2]。電解鋁企業(yè)作為有色行業(yè)中的耗能大戶，企業(yè)的能耗管理不只是簡(jiǎn)單的技術(shù)實(shí)踐過程，而是企業(yè)生存的重要途徑。

目前，國(guó)內(nèi)各家企業(yè)的能耗指標(biāo)參差不齊，各家采取的節(jié)能措施也不盡一致。企業(yè)的能耗管理策略要綜合自身的特點(diǎn)，合理實(shí)施節(jié)耗技術(shù)，最大化發(fā)揮管理效益。

1.節(jié)能工藝技術(shù)的應(yīng)用

電解鋁企業(yè)的節(jié)能措施主要分為電解鋁工藝技術(shù)改進(jìn)措施、用電設(shè)備技術(shù)改進(jìn)措施、資源重復(fù)利用等。

1.1鋁電解槽的新型結(jié)構(gòu)技術(shù)

電解槽內(nèi)襯新型結(jié)構(gòu)技術(shù)主要有非平面陰極、異型鋼棒、陰極底部垂直出電、獨(dú)立補(bǔ)償母線、開溝/開孔陽極等。以下主要針對(duì)非平面陰極與異型陰極鋼棒技術(shù)作以介紹。

（1）非平面陰極（異型陰極、曲面陰極、導(dǎo)流陰極等）。國(guó)內(nèi)當(dāng)前各類非平面陰極層出不窮，但其核心思路都是為了減緩鋁液波動(dòng)，降低鋁液流速，從而實(shí)現(xiàn)低電壓節(jié)能。例如：

異型陰極的工藝思路是在陰極炭塊表面形成若干凸起，可以減緩電解槽內(nèi)陰極鋁液的流動(dòng)速度和降低鋁液的波動(dòng)高度，實(shí)現(xiàn)有效提高金屬鋁液面的穩(wěn)定性，減少鋁液溶解損失，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

異型陰極示意圖

導(dǎo)流槽技術(shù)特點(diǎn)是在陰極上延長(zhǎng)軸方向開匯流溝槽，在端頭設(shè)有與匯流溝槽聯(lián)通的蓄鋁池，共同構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)流系統(tǒng)，使生產(chǎn)的鋁水隨時(shí)流入蓄鋁池，有效降低極距，降低電解槽能耗。滲流槽技術(shù)特點(diǎn)是在陰極炭塊間設(shè)有藏鋁暗溝，暗溝設(shè)在陰極炭塊的間縫處，可以在陽極下的任何位置；電解槽陰極炭塊上開有數(shù)個(gè)凹槽，電解槽的大面和端部也開有凹槽，陰極炭塊上的凹槽以及電解槽上的凹槽深度均低于或平齊于陰極炭塊間的藏鋁暗溝，這些凹槽和藏鋁暗溝相互連通。

兩者皆為無鋁液生產(chǎn)，陰極炭塊直接作為陰極參與電解，陰極上表面為TiB2涂層或復(fù)合陰極，電解過程產(chǎn)生的鋁都匯集到蓄鋁池中；兩者的區(qū)別在于導(dǎo)流槽為單個(gè)或多個(gè)聚鋁溝，故對(duì)鋁液的容量有限，造成出鋁負(fù)擔(dān)；聚鋁溝的出現(xiàn)，將會(huì)大大降低陰極導(dǎo)電面積的利用率；滲流槽具備多個(gè)藏鋁溝，對(duì)鋁液的容量大大提高，且陰極的有效導(dǎo)電面積無明顯降低。

（2）異型鋼棒技術(shù)（含開槽鋼棒、雙鋼棒、復(fù)合鋼棒等）。

由于越靠近陰極鋼棒出口（即靠近槽大面邊部）電流流經(jīng)的路徑上電阻越小，因此進(jìn)入鋁液的電流因“自動(dòng)選擇電阻最小的道路”而在鋁液和陰極中斜向流動(dòng)，故沿著槽短軸方向產(chǎn)生了水平電流分量，形成垂直磁力，引起鋁液面變形和鋁液波動(dòng)。異型鋼棒技術(shù)原理是沿著鋼棒長(zhǎng)度方向調(diào)整“電流通道”的電阻，使鋁液中電流從陰極炭塊表面任意點(diǎn)進(jìn)入陰極時(shí)電阻都基本相同，以減少鋁液中水平電流，提高鋁液穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)幾種異型鋼棒對(duì)于爐底壓降、鋁液水平電流的影響對(duì)比

1.2低電壓工藝控制技術(shù)

低電壓控制技術(shù)目前是國(guó)內(nèi)鋁行業(yè)普遍應(yīng)用的工藝技術(shù)之一。實(shí)施低電壓電解工藝的關(guān)鍵是：通過改變電解槽運(yùn)行特性來改變電流效率與極距的關(guān)系曲線，降低臨界極距，使電解槽在低電壓下獲得高電效。傳統(tǒng)工藝下的臨界極距約：4.0～4.5cm；先進(jìn)的低電壓工藝下的臨界極距可降至：3.5～3.8cm。

電流效率-積距變化曲線示意圖

低電壓工藝實(shí)施的主要措施有：

（1）低溫+低過熱度+較窄的溫度變化范圍（即較窄的熱平衡變化范圍）。

（2）低氧化鋁濃度（實(shí)現(xiàn)干凈的爐底）+較窄的氧化鋁濃度變化范圍（防止陽極效應(yīng)發(fā)生，并實(shí)現(xiàn)較窄的物料平衡變化范圍）。

（3）較高的陰極電流密度（可采取“適當(dāng)強(qiáng)化電流+收縮爐膛”兩個(gè)措施實(shí)現(xiàn)）。

（4）較高的槽電壓穩(wěn)定性（前提：規(guī)整的爐膛+干凈的爐底+較窄的熱平衡和物料平衡變化范圍）。

2.高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。在電解鋁企業(yè)中電解槽生產(chǎn)工藝用電為直流電，即鋁液直流電耗。鋁錠綜合電耗中還有部分交流電耗為高壓電機(jī)用電，電解鋁企業(yè)中高壓電機(jī)主要有電解槽凈化排煙風(fēng)機(jī)，空壓站水泵，配套炭素系統(tǒng)的大窯引風(fēng)機(jī)，除塵風(fēng)機(jī)等設(shè)備。變頻技術(shù)的特點(diǎn)如下：

（1）變頻技術(shù)改造具有明顯的節(jié)能效果。以風(fēng)機(jī)為例，風(fēng)機(jī)在改造前流量通過調(diào)節(jié)閥來控制，在使用變頻后通過調(diào)節(jié)電源頻率按需輸出流量，大大降低風(fēng)機(jī)的功耗，起到明顯的節(jié)能效果。

（2）變頻技術(shù)的軟啟動(dòng)作用可降低啟動(dòng)時(shí)的功耗，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

（3）變頻技術(shù)可以提高功率因數(shù)，通常功率因數(shù)可提高至0.95以上。

（4）變頻技術(shù)的投運(yùn)可以減少電機(jī)在非正常條件下工作的時(shí)間，保證設(shè)備不損壞。降低設(shè)備的維修費(fèi)用。

3.工業(yè)余熱利用

工業(yè)余熱利用是工業(yè)節(jié)能重要途徑，是工業(yè)二次能源的開發(fā)利用。余熱資源可分為高溫?zé)煔庥酂?、高溫爐渣余熱、高溫產(chǎn)品余熱、冷卻機(jī)余熱、可燃廢氣余熱、冷卻水余熱等。

隨著鋁電解工藝的發(fā)展，與其配套的炭素系統(tǒng)預(yù)焙陽極生產(chǎn)工藝也逐漸完善。在鋁用炭素行業(yè)中，石油焦在煅燒工序中排出大量高溫?zé)煔猓瑹煔鉁囟燃s在900-1100℃，大量的高溫?zé)煔鉃橛酂岚l(fā)電提供了穩(wěn)定的余熱資源?？稍诨剞D(zhuǎn)窯窯尾安裝余熱鍋爐，回收余熱進(jìn)行發(fā)電，從而避免了能源浪費(fèi)。

余熱發(fā)電的工藝介紹。

陽極煅燒回轉(zhuǎn)窯中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^引風(fēng)機(jī)負(fù)壓引入余熱鍋爐，與鍋爐給水進(jìn)行熱交換，余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽大部分通過汽輪機(jī)發(fā)電，少部分通過減溫減壓設(shè)備后用于廠區(qū)生產(chǎn)用汽和生活供暖。

余熱發(fā)電工藝流程圖

余熱發(fā)電一般以自發(fā)自用為原則，以滿足炭素系統(tǒng)自身用電量為主，發(fā)電機(jī)輸出電壓為10kv，直接并入動(dòng)力10kv配電系統(tǒng)。

4.結(jié)語

電解鋁企業(yè)的節(jié)能降耗工作是企業(yè)生存與發(fā)展的長(zhǎng)期工作，本文針對(duì)目前行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)作了介紹。 鋁電解節(jié)能技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，依靠單項(xiàng)工藝控制技術(shù)改進(jìn)難以取得持續(xù)、穩(wěn)定的節(jié)能效果。在制定企業(yè)節(jié)能管理策略時(shí)首先從優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)造節(jié)能的先天條件，對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)已久的企業(yè)主要從技術(shù)改造方面創(chuàng)造節(jié)能的條件。其次是選擇應(yīng)用最適宜的后天技術(shù)（電解槽工藝條件擺布、電解槽控制及電解槽的管理等）。

【參考文獻(xiàn)】

[1]萬家企業(yè)節(jié)耗目標(biāo)責(zé)任考核實(shí)施方案（發(fā)改辦環(huán)資[2012]1923號(hào)）.

[2]節(jié)能減排“十二五”規(guī)化 （國(guó)發(fā)〔2012〕40號(hào)）.