高效節(jié)能技術(shù)在大型預(yù)焙陽極鋁電解槽的應(yīng)用

田 偉 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

近年來國內(nèi)電解鋁產(chǎn)能飛速發(fā)展，截止2019年底已達(dá)到3 575萬t[1]。受電價(jià)較高、能源價(jià)格持續(xù)上漲和環(huán)保政策壓力大等因素影響，電解鋁企業(yè)不得不降低生產(chǎn)成本。電解鋁行業(yè)已從追求產(chǎn)量的高極距、高電壓工藝路線轉(zhuǎn)向能耗水平更低的低極距、低電壓節(jié)能工藝路線，為此研究開發(fā)了多項(xiàng)節(jié)能新技術(shù)，并取得了較為顯著的節(jié)能效果[2-3]。

某公司自2008年穩(wěn)步推行低電壓生產(chǎn)，2011年直流電耗由13 537 kWh/t-Al降至13 015 kWh/t-Al。為了進(jìn)一步推進(jìn)低電壓生產(chǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，在50臺(tái)電解槽上實(shí)施高效節(jié)能降耗技術(shù)，包括全面升級鋁電解槽智能控制系統(tǒng)、應(yīng)用多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)、優(yōu)化電解質(zhì)組分及生產(chǎn)工藝、改進(jìn)預(yù)焙陽極結(jié)構(gòu)等。本文主要對各項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對各項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用后取得的效果進(jìn)行了分析。

1 全面升級智能控制系統(tǒng)

大型預(yù)焙陽極電解槽的氧化鋁濃度一般控制在1.5%～3.5%，但隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電解鋁企業(yè)將氧化鋁濃度控制在更低窄濃度范圍。

1.1 智能槽控機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能槽控機(jī)控制系統(tǒng)基于模糊控制理論的小波變換算法，根據(jù)電解槽設(shè)置的參數(shù)及現(xiàn)場采集到的實(shí)時(shí)解析數(shù)據(jù)，對槽況的變化趨勢進(jìn)行智能診斷，根據(jù)診斷結(jié)果實(shí)施相應(yīng)的控制策略，將氧化鋁濃度調(diào)整到一個(gè)合適的低窄范圍內(nèi)作小幅度變化，自動(dòng)調(diào)整打殼下料方式與給料速率。將氧化鋁濃度保持在有利于電解生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低耗的最佳范圍，有效避免了電解過程中沉淀的產(chǎn)生和陽極效應(yīng)的發(fā)生，提高了電解槽穩(wěn)定運(yùn)行的能力。某公司電解系列應(yīng)用了智能槽控機(jī)控制系統(tǒng)——以ARM9為核心的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能槽控機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 應(yīng)用結(jié)果

通過智能槽控機(jī)控制系統(tǒng)的全面升級，對氧化鋁濃度進(jìn)行了隨機(jī)抽樣分析?？刂瞥绦蛉嫔壓螅績芍苋∫淮卧嚇?，三次試樣的平均分析結(jié)果見表1。

表1 電解質(zhì)內(nèi)氧化鋁濃度

從表1可以看出，槽控機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化升級后，電解質(zhì)內(nèi)氧化鋁濃度的控制范圍從過去的1.5%～3.5%縮窄到1.8%～2.7%，合格率已達(dá)到90%以上，為改善電解槽爐底和爐膛狀況，以及提高電解槽的穩(wěn)定性創(chuàng)造條件，為持續(xù)提高電流效率和進(jìn)一步降低槽電壓奠定基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)

電解槽實(shí)時(shí)多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種能準(zhǔn)確測量電解槽槽殼溫度(包括爐幫和爐底溫度)、陽極電流分布、陰極電流分布及陰極鋼棒溫度的自動(dòng)采集數(shù)據(jù)技術(shù)。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)綜合判斷電解槽運(yùn)行工況、陰極電流分布等方面的監(jiān)控為電解槽綜合判斷提供較全面的分析數(shù)據(jù)。對電解能耗的降低、電解槽異常處理(主要是電壓針擺的處理)與破損槽防止漏爐事故的監(jiān)控提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電解槽安全穩(wěn)定運(yùn)行。該套系統(tǒng)已在50臺(tái)電解槽上試驗(yàn)應(yīng)用。

2.1 陽極電流分布監(jiān)測技術(shù)

陽極電流分布直接反應(yīng)電解槽的運(yùn)行狀況，通過測量全槽陽極電流分布，檢查陽極電流分布情況。由于預(yù)焙槽的陽極數(shù)目較多，需要周期性更換，每組陽極很難保持在同一極距。陽極電流分布監(jiān)測裝置通過無線通訊方式，將該電解槽的陽極電流數(shù)據(jù)傳送至電解槽槽況監(jiān)測系統(tǒng)。陽極電流分布監(jiān)測裝置通過母線夾具安裝在母線上，該裝置可在母線升降的同時(shí)與母線一同移動(dòng)，在抬升母線、調(diào)整極距和更換陽極的工藝操作時(shí)無需對裝置做拆卸或移動(dòng)，對電解生產(chǎn)操作沒有任何影響；配合高精度的檢測單元，采用智能補(bǔ)償算法，既保證了測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，滿足生產(chǎn)需求，又保證了裝置在電解生產(chǎn)過程中的長期穩(wěn)定運(yùn)行。陽極電流分布監(jiān)測技術(shù)能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測陽極電流分布，及時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)電解槽運(yùn)行狀況，有效避免局部過熱、電壓擺動(dòng)等異?，F(xiàn)象。如果電解槽出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，查看實(shí)時(shí)監(jiān)測的陽極電流分布，根據(jù)電解生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對陽極電流分布大于2.5 mV的異常陽極進(jìn)行人工上調(diào)1～1.5 cm。

2.2 陰極電流分布及陰極鋼棒溫度監(jiān)測技術(shù)

陰極電流分布及陰極鋼棒溫度直接反映電解槽爐底狀況，包括爐底沉淀、爐膛內(nèi)形、爐底破損情況。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測陰極電流分布及陰極鋼棒溫度，可及時(shí)掌握爐底沉淀、爐膛內(nèi)形及爐底破損情況，為工藝技術(shù)管理人員提供操作決策依據(jù)，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合公司電解槽破損管理標(biāo)準(zhǔn)，對于陰極電流分布小于3 mV、鋼棒溫度大于330 ℃的異常陰極電流分布，可將陰極鋼棒和軟連接斷開，同時(shí)每隔2 h觀察一次該電解槽的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，提高鋁液水平，并加強(qiáng)日常維護(hù)等工作。

2.3 槽殼溫度監(jiān)測技術(shù)

槽殼溫度直接反映電解槽的熱場分布或爐膛形狀，可根據(jù)槽殼溫度判斷電解槽電解溫度及過熱度變化情況。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測槽殼溫度，可及時(shí)掌握槽內(nèi)溫度及爐膛內(nèi)形，為工藝技術(shù)管理人員提供操作決策依據(jù)和指導(dǎo)。如果實(shí)時(shí)監(jiān)測的槽殼溫度大于380 ℃，可對該電解槽進(jìn)行砸大面處理，同時(shí)每隔2 h觀察一次該處溫度，并對該處進(jìn)行吹風(fēng)冷卻處理。

3 優(yōu)化電解質(zhì)成分及生產(chǎn)工藝參數(shù)

3.1 優(yōu)化電解質(zhì)成分

在系列鋁電解中隨機(jī)選取50臺(tái)電解槽進(jìn)行電解質(zhì)取樣，并委托相關(guān)機(jī)構(gòu)對電解質(zhì)成分和過熱度進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 電解質(zhì)成分及相關(guān)溫度

由表2可知，電解質(zhì)組成的初晶溫度較高，一般在920 ℃左右；過熱度也較高，個(gè)別高達(dá)20.5 ℃。為了降低電解溫度，從而降低噸鋁生產(chǎn)能耗，需要優(yōu)化電解質(zhì)組分，將過熱度控制在8～12 ℃。通過優(yōu)化電解質(zhì)組分，在確保Al2O3溶解能力的情況下，提高電解質(zhì)的導(dǎo)電性能，降低電解質(zhì)的初晶溫度，降低過熱度，以最終降低電解溫度。

理論研究表明，增加電解質(zhì)中LiF和KF含量能夠降低電解質(zhì)的初晶溫度，但在實(shí)際生產(chǎn)中通常不可以直接添加LiF和KF。對于國內(nèi)電解鋁企業(yè)而言，電解質(zhì)中富集的LiF和KF一般來自氧化鋁攜帶。國內(nèi)外的氧化鋁所含的各種雜質(zhì)元素有較大的差異，尤其LiF的含量。某公司對5個(gè)單位提供的氧化鋁中的LiF含量進(jìn)行了分析，含量分別為0.075%、0.080%、0.053%、0.075%和0.000 5%。在實(shí)際生產(chǎn)中，要定期對各單位提供的氧化鋁進(jìn)行分析。當(dāng)電解質(zhì)中LiF含量達(dá)到3.5%時(shí)，與氧化鋁中LiF含量進(jìn)行混配使用，防止LiF含量過高導(dǎo)致電解初晶溫度過低。經(jīng)過一年多的與氧化鋁搭配使用，電解質(zhì)中LiF含量達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，電解質(zhì)組分優(yōu)化前后的結(jié)果見表3。

表3 電解質(zhì)組分優(yōu)化前后結(jié)果對比 %

由表3可知，優(yōu)化后的電解質(zhì)組分中 LiF和KF含量有一定的升高，LiF含量已達(dá)到3.24%，而CaF2、MgF2含量幾乎沒有變化。

3.2 優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)

在電解生產(chǎn)中，各個(gè)工藝參數(shù)之間相互依賴、相互制約，共同影響電解槽的穩(wěn)定性和生產(chǎn)各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。根據(jù)電解槽的實(shí)際生產(chǎn)情況，“因槽制宜”分類管理，優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。鋁電解槽優(yōu)化調(diào)整前后的生產(chǎn)工藝參數(shù)見表4。

表4 優(yōu)化前后的鋁電解槽生產(chǎn)工藝參數(shù)對比

在生產(chǎn)中加強(qiáng)保持優(yōu)化調(diào)整后的生產(chǎn)工藝參數(shù):

1)鋁水平調(diào)整。將鋁水平逐步提高至30～32 cm。對于低鋁水平低效率電解槽，先不作鋁水平調(diào)整，待其他生產(chǎn)工藝參數(shù)相匹配之后逐步調(diào)整；對于部分高鋁水平電解槽，逐步下調(diào)到上限。

2)槽電壓調(diào)整。將設(shè)定電壓逐步下調(diào)至3.9 V。對于爐底基本干凈、爐膛規(guī)整、電壓平穩(wěn)的電解槽，每周下調(diào)電壓5 mV；對于爐底不太干凈、角部略有長伸腿、電壓比較平穩(wěn)的電解槽，每周下調(diào)電壓3 mV；對于電壓擺動(dòng)較大的電解槽，暫時(shí)不下調(diào)電壓，當(dāng)電壓平穩(wěn)后再逐步調(diào)整。

3)電解溫度調(diào)整。適當(dāng)降低槽溫，然后穩(wěn)定保持，并根據(jù)電解質(zhì)體系的變化，逐步調(diào)整到920～935 ℃，并且以最近7天的平均溫度為基準(zhǔn)值，保證單天測量溫度與平均溫度之差在±5 ℃以內(nèi)，避免電解槽溫度波動(dòng)較大。

4)分子比調(diào)整。某公司原來使用熒光分析法分析分子比，其結(jié)果與槽溫不太匹配，無法作為調(diào)整依據(jù)?；诖嗽颍瑢⒎治龇肿颖鹊姆椒ㄓ蔁晒夥治龇ǜ臑檠苌浞治龇?。衍射分析法結(jié)果表明，槽溫與分子比之間基本能形成對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)電解質(zhì)溫度及時(shí)調(diào)整AlF3添加量，逐步將分子比保持在2.45～2.55。

4 改進(jìn)預(yù)焙陽極結(jié)構(gòu)及優(yōu)化磷生鐵配方

4.1 改進(jìn)預(yù)焙陽極結(jié)構(gòu)

隨著鋁電解低電壓生產(chǎn)工藝的推進(jìn)，國內(nèi)相關(guān)研究工作者在陽極結(jié)構(gòu)方面做了大量的研究[4-9]：降低陽極生產(chǎn)單耗及毛耗，優(yōu)化陽極在電解過程中不參與電化學(xué)反應(yīng)的部分；為了有效排除陽極氣體，防止其在陽極底掌形成氣膜，采用開槽陽極；適當(dāng)加高陽極，延長陽極換極周期；加強(qiáng)陽極保溫工作，減少陽極表面散熱，為實(shí)施低電壓生產(chǎn)工藝提供熱平衡保障。從以上幾點(diǎn)出發(fā)，某公司先后對預(yù)焙陽極的陽極高度、陽極底部倒角、陽極開槽和陽極上部凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)前、后的預(yù)焙陽極外觀結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

圖2 改進(jìn)前的預(yù)焙陽極外觀結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后的預(yù)焙陽極外觀結(jié)構(gòu)

1)陽極加高。理論上，當(dāng)殘極高度不變時(shí)，陽極毛耗隨著陽極高度的增加而降低，陽極更換周期隨陽極高度的增加而延長[10-11]。因此，為了延長陽極更換周期和降低陽極毛耗及生產(chǎn)成本，將陽極高度由570 mm增加至610 mm。

2)陽極底部倒角。在生產(chǎn)中，殘極都是圓弧形，主要由電解質(zhì)沖刷形成。因此，在保持陽極更換周期不變的條件下，優(yōu)化陽極底部倒角尺寸為50 mm×50 mm。

3)陽極底部開槽。為了有效排除陽極底掌氣體，避免陽極氣體富集于陽極底掌形成氣膜，將陽極生塊沿長度方向開槽，開槽深度為270 mm，開槽寬度為18 mm。

4)陽極凸臺(tái)改進(jìn)。為了較好地堆積陽極保溫覆蓋料，減少陽極上表面的散熱，降低陽極生產(chǎn)單耗和生產(chǎn)成本，對陽極上部進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。將上部凸臺(tái)改為圓弧形，在陽極凸臺(tái)斜邊高度和長度分別為75 mm和91 mm的地方取半徑約93 mm、圓心角為79°的圓弧。陽極上部改造后，陽極重量減少，陽極生產(chǎn)單耗降低8～12 kg。

4.2 優(yōu)化磷生鐵配方

在陽極炭塊與陽極鋼爪組裝過程中，磷生鐵配方是確保組裝質(zhì)量的重要因素。磷生鐵配方直接影響陽極上槽后運(yùn)行的穩(wěn)定性、鐵碳壓降以及磷鐵環(huán)的壓脫難易程度[12-13]。因此，對磷生鐵的常規(guī)五大元素C、Si、Mn、P、S進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化調(diào)整前后的磷生鐵成分見表5。

從表5可以看出，優(yōu)化調(diào)整后的磷生鐵的各元素成分達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)成分的預(yù)期要求。磷生鐵成分優(yōu)化后，鐵水流動(dòng)性良好。同時(shí)應(yīng)用某公司研發(fā)的新型機(jī)械旋轉(zhuǎn)攪拌式蘸石墨機(jī)，提高了石墨煤油攪拌的均勻性及陽極鋼爪表面石墨層形成的穩(wěn)定性。陽極上槽后運(yùn)行穩(wěn)定，從未出現(xiàn)過陽極脫落的現(xiàn)象。經(jīng)測量分析，陽極鐵炭壓降由137 mV降低至96 mV，這表明，優(yōu)化磷生鐵成分在降低陽極鐵炭壓降方面起到了良好的節(jié)能效果。

表5 優(yōu)化調(diào)整前后的磷生鐵成分 %

5 應(yīng)用效果

某公司在50臺(tái)電解槽上逐步推行上述的節(jié)能新技術(shù)及新工藝后，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)一步提高。節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表6。

表6 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

從表6可以看出，鋁電解槽綜合節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后，平均電壓、直流電耗、陽極毛耗、爐底壓降分別降低了110 mV、326 kWh/t-Al、8 kg、 69 mV。而且陽極使用周期由以前的31天延長到35天。

6 結(jié)束語

通過新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、新材料的綜合應(yīng)用，減少了鋁液水平電流，延長了陽極更換周期，提高了電解槽的穩(wěn)定性，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本，取得了顯著的節(jié)能效果，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。未來，某公司將繼續(xù)研究應(yīng)用新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)、陰極磷鐵澆鑄技術(shù)等新技術(shù)，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，提高公司在行業(yè)內(nèi)的核心競爭能力。