降低350 kA鋁電解系列電耗的生產(chǎn)實(shí)踐

蘭 周

(1.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團(tuán)有限公司， 寧夏 青銅峽 751603)

降低350 kA鋁電解系列電耗的生產(chǎn)實(shí)踐

蘭 周1,2

(1.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團(tuán)有限公司， 寧夏 青銅峽 751603)

本文對(duì)350 kA鋁電解系列降低電耗的可行性進(jìn)行分析，并制定了實(shí)施方案和各項(xiàng)技術(shù)措施。該方案在不改變槽型的情況下可優(yōu)化工藝技術(shù)條件，降低槽電壓的同時(shí)減少電流效率損失，并提出了低電壓低分子比的電解槽工藝控制模式。方案實(shí)施后節(jié)能降耗效果顯著。

槽電壓； 工藝控制； 節(jié)能降耗

1 350 kA鋁電解系列生產(chǎn)概況

350 kA鋁電解系列槽型為傳統(tǒng)散熱型，設(shè)計(jì)中一廠房144臺(tái)電解槽采用全石墨質(zhì)陰極，二廠房144臺(tái)電解槽采用全石墨化陰極。系列于2009年12月底全部投產(chǎn)，設(shè)計(jì)工作電壓4.20 V，電流效率92.5%，電解鋁綜合交流電耗14 300 kW·h/t-Al，2011年系列槽電壓4.230 V，電流效率93.55%，電解鋁綜合交流電耗完成14 194 kW·h/t-Al。

2 降低電耗可行性分析

2011年四季度公司成立技術(shù)攻關(guān)小組，對(duì)350 kA電解系列電耗進(jìn)行深入研究，通過(guò)調(diào)研分析并依托多年來(lái)工藝技術(shù)研究實(shí)力和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(公司前期已對(duì)一個(gè)系列多臺(tái)試驗(yàn)槽進(jìn)行降電壓、電耗的工藝控制研究)，提出了降低電耗的可行性方案。

電耗理論計(jì)算公式為：

W=2.98×107×V/(N×M)

(1)

式中：W——交流電耗，kW·h/t-Al；

V——槽電壓，V；

N——電流效率，%；

M——整流效率，%。

由式(1)可知，當(dāng)電流效率一定時(shí)，平均電壓降低100 mV，可降低電耗約320 kW·h/t-Al；當(dāng)工作電壓一定時(shí)，電流效率每提高1%，電耗降低約140 kW·h/t-Al，并提高產(chǎn)量1%。因此，降低電耗的途徑包括降低槽工作電壓或提高槽電流效率。

鋁電解槽電壓降主要由母線電壓、陽(yáng)極電壓、氣泡電壓、電解質(zhì)電壓、陰極電壓以及反電動(dòng)勢(shì)等組成，如圖1所示。

圖1 典型350 kA電解槽工作電壓分布

350 kA電解系列因使用了全石墨質(zhì)陰極、全石墨化陰極，陰極壓降比同齡普通陰極槽低60～100 mV，如表1所示。由表1可知，啟動(dòng)初期全石墨質(zhì)陰極槽平均陰極壓降為240 mV，全石墨化陰極槽平均陰極壓降為220 mV，運(yùn)行三年后全石墨質(zhì)陰極槽平均陰極壓降為271 mV，全石墨化陰極槽平均陰極壓降為249 mV，陰極壓降隨槽齡增長(zhǎng)略有上升，但上升幅度遠(yuǎn)低于普通陰極電解槽。此電解系列陰極壓降的優(yōu)勢(shì)可以為進(jìn)一步降低槽電壓提供空間。

表1 350 kA鋁電解系列全石墨質(zhì)陰極、全石墨化陰極與普通槽的陰極壓降對(duì)比表 單位：mV

對(duì)于已投產(chǎn)的電解系列，已定型的槽型結(jié)構(gòu)與材質(zhì)特性決定了電解槽基本穩(wěn)態(tài)狀況，只有通過(guò)工藝控制技術(shù)改善電解質(zhì)壓降才是最有可能也最具潛力的降低電耗的途徑，這在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中已得到了反復(fù)驗(yàn)證[1]。

電解過(guò)程消耗能量為：

Q=(1.648×N+0.48)×V

(2)

式中：Q——能量，J；

N——電流效率，%；

V——槽電壓，V。

式(2)表明電流效率越高，電解所需能量越高。如果極距過(guò)低，內(nèi)熱不足，將可能損失電流效率以彌補(bǔ)內(nèi)熱。為解決這一矛盾，一方面需調(diào)整電解質(zhì)成分來(lái)補(bǔ)償極距；另一方面需提升電流密度改善熱平衡，以便在降低極距過(guò)程中保持熱量平衡，減少對(duì)電流效率的影響。

降低槽工作電壓的同時(shí)提高電流效率，將會(huì)更顯著地降低電耗，但過(guò)去傳統(tǒng)散熱型電解槽在降低電壓后，電流效率都會(huì)出現(xiàn)不同程度的損失。鑒于該情況，如何在降低槽工作電壓的同時(shí)盡量減少電流效率損失是本文探討的問(wèn)題。

3 降低電耗采取的技術(shù)措施

技術(shù)小組制定了詳細(xì)的系列降壓降耗實(shí)施方案并于2012年1月開(kāi)始實(shí)施。方案共分為四個(gè)階段：第一階段為準(zhǔn)備階段，主要工作是評(píng)估電解槽槽況，并分步強(qiáng)化電流；第二階段為降電壓階段，主要工作是逐步將電壓降至4.050 V左右(制定降電壓計(jì)劃)；第三階段為保持階段，主要工作是對(duì)電解槽各項(xiàng)技術(shù)條件進(jìn)行匹配調(diào)整；第四階段為指標(biāo)提升階段，主要工作是優(yōu)化技術(shù)條件，提升生產(chǎn)指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)上述方案中制定的降耗目標(biāo)，提出了可靠的技術(shù)措施。

3.1 強(qiáng)化電流強(qiáng)度

通過(guò)強(qiáng)化系列電流提高電解槽陽(yáng)極電流密度，期間優(yōu)化各項(xiàng)技術(shù)條件匹配并適當(dāng)提高在產(chǎn)鋁量以規(guī)整爐膛，保證爐膛良好的運(yùn)行狀況，為降低工作電壓提供空間。由于電解槽設(shè)計(jì)及系統(tǒng)硬件設(shè)施因素限制，在槽況可控的基礎(chǔ)上電流強(qiáng)化了5.7%至370 kA，見(jiàn)圖2。

圖2 350 kA電解系列槽電流強(qiáng)化實(shí)施圖

3.2 加強(qiáng)電解槽保溫效果

(1)優(yōu)化覆蓋料結(jié)構(gòu)。覆蓋料由破碎料和氧化鋁構(gòu)成，總厚度較優(yōu)化前增加5 cm，現(xiàn)覆蓋料厚度保持在23 cm左右，其中氧化鋁厚度保持在3～5 cm。破碎料粒度有效控制在規(guī)范范圍內(nèi)，保證了優(yōu)化過(guò)程中電解槽上部良好的熱平衡，見(jiàn)圖3。

圖3 破碎料粒度分布

(2)進(jìn)行角部槽殼外保溫。在降電壓過(guò)程中部分槽出現(xiàn)角部極頂極現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)角部熱平衡的論證，對(duì)角部槽殼使用保溫磚和巖棉進(jìn)行砌筑，取得了良好的保溫效果，解決了上述問(wèn)題，如圖4所示。

(3)提高煙氣凈化效率。為保證電解槽上部熱平衡，減少散熱，在優(yōu)化覆蓋料和槽殼外保溫的基礎(chǔ)上對(duì)煙氣凈化進(jìn)行優(yōu)化，凈化負(fù)壓調(diào)整至-750～-800 Pa，煙氣流量控制在9 500～10 000 m3/h,同時(shí)電解車(chē)間對(duì)槽罩U型口改進(jìn)密封并對(duì)槽罩?jǐn)[放嚴(yán)格管理，確保煙氣凈化效率，降低凈化動(dòng)力電單耗。

3.3 控制低電壓低分子比

圖4 角部槽殼外保溫

為降低電耗，應(yīng)深入研究低電壓條件下低分子比電解質(zhì)物料平衡和熱平衡，找到反映電流效率與氧化鋁濃度、過(guò)熱度、電解質(zhì)分子比、極距、槽膛內(nèi)形等工藝參數(shù)相匹配的過(guò)程控制模式，建立能維持電解過(guò)程穩(wěn)定工作在臨界狀態(tài)的新型工藝控制技術(shù)。只有提高低電壓低分子比下相關(guān)工藝參數(shù)的匹配性，才能實(shí)現(xiàn)電解槽高效低耗運(yùn)行效果。對(duì)方案實(shí)施前后的系列電解質(zhì)體系進(jìn)行了分析，其中鋰鉀含量能改善有效極距，增加電解質(zhì)導(dǎo)電性；過(guò)剩氟化鋁含量的控制是電解槽能否實(shí)現(xiàn)高電流效率的重要參數(shù)之一并與電解槽穩(wěn)定性相關(guān)；氧化鋁含量即其溶解性表明方案實(shí)施后槽況是否處于可控狀態(tài)，見(jiàn)表2。

在監(jiān)控爐膛狀況的基礎(chǔ)上保持電解質(zhì)合適的過(guò)熱度，并保證各項(xiàng)技術(shù)條件優(yōu)化的連續(xù)性，制定各項(xiàng)技術(shù)條件控制標(biāo)準(zhǔn)，為單槽建立槽檔案，在低電壓條件下實(shí)現(xiàn)了低分子比工藝控制條件的匹配，避免槽況發(fā)生反復(fù)或波動(dòng)，見(jiàn)表3。

表2 350 kA系列電解質(zhì)體系分析

表3 350 kA系列電解槽低電壓低分子比技術(shù)條件控制情況

3.4 精細(xì)化的現(xiàn)場(chǎng)操作

電解槽在低電壓運(yùn)行下現(xiàn)場(chǎng)操作難度相對(duì)增加，換極布料、出鋁作業(yè)與槽自動(dòng)下料順暢情況都會(huì)對(duì)電解槽的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。因此更加精細(xì)化的操作，減少電解槽人為干擾一直是電解鋁企業(yè)追尋的目標(biāo)。通過(guò)車(chē)間—工區(qū)—班組培訓(xùn)和考核激勵(lì)措施形成操作規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化是提升操作質(zhì)量的有效手段。

4 降低電耗的效果

實(shí)施上述措施后，350 kA系列槽電壓與電耗均有顯著降低。

(1) 槽電壓降低效果。截至2013年第一季度，系列槽電壓降至4.048 V，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定，噪聲值維持在22 mV左右,槽況處于可控范圍之內(nèi)，系列槽電壓較方案實(shí)施前降低182 mV，見(jiàn)圖5。系列總運(yùn)行槽數(shù)288臺(tái)，電壓低于4.050 V的電解槽共有244臺(tái)，占總槽數(shù)的84.8%，見(jiàn)圖6。

圖5 350 kA電解系列電壓降低趨勢(shì)圖

圖6 350 kA電解系列槽電壓分布情況

(2) 系列電耗降低效果。2013年350 kA系列電解鋁綜合交流電耗完成13 750 kW·h/t-Al，較方案實(shí)施前降低444 kW·h/t-Al，節(jié)能降耗效果顯著，見(jiàn)圖7。

圖7 350 kA電解系列電解鋁綜合交流電耗完成情況

5 存在的問(wèn)題與討論

生產(chǎn)實(shí)踐證明，在其它條件不變的情況下壓縮極距到臨界點(diǎn)時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致電解槽不穩(wěn)定，而且電流效率的損失也將大幅增加。在相同電解質(zhì)體系下，降低極距后電流效率也將出現(xiàn)不同程度的降低。在本文降低槽電壓實(shí)踐過(guò)程中，極距均值從47 mm降低至41 mm，電流效率損失近1%。因此，當(dāng)電解槽保持低電壓運(yùn)行時(shí)，要綜合考慮低電壓狀態(tài)和電流效率的相關(guān)性。在生產(chǎn)實(shí)踐中，傳統(tǒng)槽在低電壓狀態(tài)下運(yùn)行，且極距保持在40 mm以下時(shí)，電解槽穩(wěn)定性不易保持，時(shí)常出現(xiàn)電解槽電壓擺現(xiàn)象，電壓出現(xiàn)反復(fù)波動(dòng)，顯著影響電流效率。在確保電解槽穩(wěn)定的條件下如何保持合理的低電壓、低溫、低分子比狀態(tài)和爐膛狀況以提升電流效率是需要探索的重要課題。

6 結(jié)束語(yǔ)

技術(shù)人員在350 kA電解系列降低電耗可行性分析的基礎(chǔ)之上提出了可靠的實(shí)施方案和技術(shù)措施，通過(guò)降低槽電壓實(shí)現(xiàn)了低電壓低分子比模式下各項(xiàng)技術(shù)條件優(yōu)化匹配，系列槽電壓降低了182 mV，系列電解鋁綜合交流電耗降低了444 kW·h/t-Al，節(jié)能降耗效果顯著。

[1] 楊曉東，周東方，劉偉. 節(jié)能電解槽技術(shù)的研發(fā)和進(jìn)展[J].輕金屬,2011，增刊:165.

Production Practice of Reducing the Power Consumption of 350 kA Aluminium Electrolysis Series

LAN Zhou

This paper analyzes the feasibility of the reduced power consumption of 350 kA aluminium electrolysis series, formulates implementation plan and technical measures, optimizes the technology conditions to reduce the cell voltage to reduce power consumption without changing the cell type, and puts forward the low voltage low molecular ratio process control model. After the plan implementation, energy saving effect is remarkable.

cell voltage; process control technology; energy saving and consumption reduction

2015-03-10

蘭州(1984—)，男，湖南人，大學(xué)本科，冶煉助理工程師，現(xiàn)工作于青銅峽鋁業(yè)股份有限公司寧東鋁業(yè)分公司電解二車(chē)間，在職碩士。

TF821

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1008-5122(2015)05-0012-04