超低能耗鋁電解技術(shù)研究和經(jīng)濟效益分析

張 琨 曹 曦

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

0 前言

電解鋁技術(shù)供應(yīng)商一直在致力于鋁電解槽技術(shù)進步，希望通過提高生產(chǎn)效率降低直流電耗以降低生產(chǎn)成本[1-3]。超低能耗鋁電解槽必須具有優(yōu)良的磁流體穩(wěn)定性，并能夠在較低極距下穩(wěn)定高效生產(chǎn)。實踐證明，提高電解槽在超低極距下的磁流體穩(wěn)定性，在大幅度降低鋁液中水平電流的同時，需要大幅降低電解槽陰極壓降[4]。針對上述技術(shù)要求，沈陽某設(shè)計研究院在某SY500電解系列中選取若干電解槽，借助先進的仿真軟件和成熟的數(shù)學模型，對不同內(nèi)襯材料組合、不同陰極組裝方式進行對比試驗研究，并對3年的試驗結(jié)果進行技術(shù)和經(jīng)濟分析，以期找到指標最優(yōu)、經(jīng)濟效益最高的技術(shù)方案，為新建電解鋁工程和系列運行槽大修提供依據(jù)。

1 試驗研究

1.1 試驗方案

對某SY500電解系列中選取的若干電解槽建立包含電熱平衡和受力分析的電解槽仿真模型(圖1)，特別是針對炭塊受到膨脹擠壓的應(yīng)力分布情況進行分析和優(yōu)化(圖2)，使得整體模型能夠反映出工業(yè)試驗槽內(nèi)的真實情況。該模型在已設(shè)計項目中得到驗證。

圖1 電解槽仿真模型

圖2 陰極炭塊應(yīng)力模型

利用該模型，選取不同材料、不同規(guī)格、不同方式的組合進行交叉試驗，在這些結(jié)果中選取了四種最優(yōu)組合，見表1。其中方案四為對比槽，與全系列基建槽設(shè)計方案一致，且其他三種試驗方案的主要設(shè)計參數(shù)也與基建槽保持一致。由表1可知，方案三的石墨化澆鑄試驗槽降低爐底壓降的效果顯著，降低了100 mV以上。

表1 四種最優(yōu)組合的試驗方案的參數(shù)

1.2 內(nèi)襯設(shè)計

以方案三為例，該方案采用澆鑄陰極結(jié)合石墨化炭塊形式，并采用了高導電鋼棒。內(nèi)襯總高1 397 mm，槽膛深510 mm，炭塊高度530 mm，陰極底部防滲保溫層厚度327 mm。鋼棒窗口區(qū)采用一層保溫磚和一層硅酸鈣板。方案三的熱平衡計算結(jié)果如圖3和圖4所示，顯示了電解槽電平衡，以及電解槽內(nèi)部和槽殼的溫度分布。

圖3 方案三電解槽等溫線分布

圖4 方案三電解槽側(cè)壁溫度分布

由圖3和圖4可知，電解質(zhì)平均溫度為954.5 ℃，鋼棒頭溫度為299 ℃。陰極炭塊下面的耐火材料中等溫線平直，900 ℃等溫線絕大部分位于陰極炭塊以下，800 ℃等溫線位于保溫磚之上的干式防滲料層內(nèi)，等溫線分布合理。

與方案四(對比槽)相比，方案三的爐底壓降僅為196 mV，降低了107 mV，且磷鐵澆鑄的石墨化陰極組在導電和導熱性能上更趨于穩(wěn)定，有助于保持陰極電流分布均勻，也有利于提高電解槽的磁流體和熱平衡穩(wěn)定性，切實保障了電解槽在低電壓下的長期高效平穩(wěn)生產(chǎn)。同時良好的熱平衡設(shè)計也確保電解槽在低電壓、低爐底壓降的情況下依然能建立良好的熱平衡。

2 運行效果

SY500電解槽試驗槽自2015年9月開始焙燒啟動，3個月后進入正常管理期，因此試驗槽的運行指標統(tǒng)計從2016年1月到2018年8月。

2.1 爐底壓降

從2015年11月到2017年8月，4個方案的試驗槽爐底壓降月平均值統(tǒng)計如圖5所示。由圖5可知：

1)4個方案的試驗槽爐底平均壓降分別為320 mV、307 mV、185 mV、354 mV。

2)與其他3個方案相比，方案三(石墨化陰極炭塊)的爐底壓降穩(wěn)定性較強，長期穩(wěn)定在150～180 mV，說明石墨化澆鑄陰極的性能比較穩(wěn)定。

圖5 2015年11月至2017年8月試驗槽爐底壓降月平均值

3)方案三(石墨化陰極澆鑄槽)的爐底壓降降低效果明顯。與方案四(對比槽)相比，方案三的試驗槽爐底壓降平均值降低了169 mV；與方案二(石墨質(zhì)陰極炭塊)相比，方案三的爐底壓降平均值降低了122 mV。由此可見，石墨化陰極的節(jié)能效果顯著。

2.2 槽電壓

從2016年1月至2018年8月，4個方案的試驗槽槽電壓(表壓)平均值如圖6所示。由圖6可知，與方案四相比，方案三的試驗槽平均電壓降低107 mV；與方案二相比，方案三的試驗槽平均電壓降低了99 mV，略小于爐底壓降的降幅。

圖6 2016年1月至2018年8月試驗槽槽電壓(表壓)平均值

2.3 電流效率

從2016年1月至2018年8月，4個方案的試驗槽電流效率的平均值如圖7所示。由圖7可知，與方案四相比，方案三(石墨化陰極炭塊)的電流效率的增幅最大，增加了1.56%；與方案二相比，方案三的電流效率增加了1.26%。

圖7 2016年1月至2018年8月的試驗槽電流效率平均值

2.4 噸鋁直流電耗

從2016年1月至2018年8月，4個方案的試驗槽噸鋁直流電耗平均值如圖8所示。由圖8可知，與方案四相比，方案三的噸鋁直流電耗降低了569 kWh；與方案二相比，方案三的噸鋁直流電耗降低了500 kWh。

圖8 2016年1月至2018年8月試驗槽噸鋁直流電耗平均值

3 經(jīng)濟性分析

對SY500電解槽試驗槽的4個方案的投資、產(chǎn)量、營業(yè)收入等技術(shù)經(jīng)濟指標進行分析，按2015年至今的相關(guān)數(shù)據(jù)進行方案估算并比選(大修材料及施工價格水平選取2015年至2018年的平均價格)，推薦經(jīng)濟最優(yōu)方案。4個方案的建設(shè)投資、主要工藝消耗指標、營業(yè)收入(鋁的價格為11 314元/t)見表2。

表2 4種方案的主要技術(shù)經(jīng)濟指標

從表2可以看出，已改造試驗槽方案中，方案三的石墨化澆鑄試驗槽的建設(shè)投資較高、年產(chǎn)原鋁量最大、噸鋁直流電耗最低、年營業(yè)收入最多，即方案三經(jīng)濟上最優(yōu)。

4 結(jié)論

沈陽某設(shè)計研究院在某SY500電解系列中選取若干電解槽，借助先進的仿真軟件和成熟的數(shù)學模型，對不同內(nèi)襯材料組合、不同陰極組裝方式進行對比試驗研究，根據(jù)理論研究和3年的工業(yè)實踐，可得出以下結(jié)論：

1)超低能耗鋁電解技術(shù)的關(guān)鍵是提高電解槽在超低極距下的磁流體穩(wěn)定性，并且還需要在大幅度降低鋁液中水平電流的同時，大幅降低電解槽陰極壓降。

2)采用高導電鋼棒和石墨化陰極澆鑄技術(shù)的試驗槽能顯著降低爐底壓降，同時在穩(wěn)定性、槽電壓、電流效率和噸鋁直耗等技術(shù)指標上均顯著優(yōu)于其它方案槽，而且經(jīng)濟上最優(yōu)，投資回收期不到一年。

3)建議下一步大修計劃采用陰極澆鑄技術(shù)，且使用石墨化陰極和高導電鋼棒。該研究結(jié)果為新建電解鋁工程和系列大修技術(shù)路線提供了依據(jù)，對提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要借鑒意義。