鋁電解系列強(qiáng)化電流生產(chǎn)實(shí)踐

葛貴君,曲士民,祝元兵,趙煜

(1.內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 通遼 029200;2.國(guó)家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028011)

某電解鋁企業(yè)依托內(nèi)蒙古通遼北部霍林河地區(qū)豐富的煤炭資源優(yōu)勢(shì),始終致力于循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和打造產(chǎn)業(yè)協(xié)同優(yōu)勢(shì),按照“用煤發(fā)電,用電煉鋁,以鋁帶電,以電促煤”的發(fā)展思路,已形成86萬(wàn)噸電解鋁產(chǎn)能、配套20萬(wàn)噸炭素產(chǎn)能和年消耗1000萬(wàn)噸劣質(zhì)煤的180萬(wàn)千瓦火電裝機(jī)、40萬(wàn)千瓦風(fēng)電裝機(jī)及自備電網(wǎng)、監(jiān)控指揮中心的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)集群,構(gòu)建了高載能產(chǎn)業(yè)清潔發(fā)展示范區(qū),經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益顯著,得到了廣泛認(rèn)可。

為進(jìn)一步發(fā)揮存量資產(chǎn)優(yōu)勢(shì),提高企業(yè)整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),進(jìn)一步優(yōu)化系列技術(shù)表現(xiàn)。強(qiáng)化電流生產(chǎn)成為企業(yè)提質(zhì)增效的有效技術(shù)路線。如國(guó)外Prechiney AP30系列電解槽技術(shù)通過(guò)優(yōu)化電解槽技術(shù)將系列電流由最初的280 kA強(qiáng)化至350 kA或更高[1];中鋁蘭州分公司通過(guò)技術(shù)優(yōu)化將試驗(yàn)槽由350 kA電解槽強(qiáng)化至403 kA[2]。該公司根據(jù)電力供應(yīng)情況及生產(chǎn)實(shí)際,并結(jié)合沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)院有限公司對(duì)現(xiàn)有300 kA、350 kA、400 kA電解系列強(qiáng)化電流的可行性分析,分階段實(shí)施強(qiáng)化電流生產(chǎn),成功實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效和節(jié)能降耗目標(biāo)。本文對(duì)300 kA、350 kA、400 kA電解系列強(qiáng)化電流的研究分析方法、方法舉措和實(shí)施效果做了介紹,為鋁行業(yè)推廣強(qiáng)化電流生產(chǎn)提供可靠參考價(jià)值和經(jīng)驗(yàn)。

1 強(qiáng)化電流前生產(chǎn)狀況

該公司三個(gè)電解系列總產(chǎn)能86萬(wàn)噸/年,分為300 kA、350 kA、400 kA三個(gè)電解系列生產(chǎn)車間,共計(jì)918臺(tái)電解槽,正常生產(chǎn)總負(fù)荷1392 MW?，F(xiàn)有與三個(gè)電解系列生產(chǎn)配套的110 kV和220 kV整流變電所、炭素車間、陽(yáng)極組裝車間、鑄造車間和凈化車間。

其中:300 kA電解系列產(chǎn)能22萬(wàn)噸/年,284臺(tái)電解槽。該系列電解槽采用的50%石墨含量陰極炭塊,側(cè)部采用碳化硅結(jié)合氮化硅復(fù)合材料炭塊,所使用陽(yáng)極為單桿雙極六鋼爪與炭塊結(jié)合型,陽(yáng)極炭塊尺寸為1570 mm×660 mm×640 mm,電解槽大面加工寬度為300 mm,中縫寬度為200 mm,強(qiáng)化前電流強(qiáng)度303 kA,鋁水平23.5 cm,電解質(zhì)水平17 cm,電流效率92.05%,單槽日產(chǎn)量2246 kg,總用電負(fù)荷366 MW。該系列電解槽設(shè)計(jì)平均壽命為1800天,從強(qiáng)化前生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備使用情況看,該系列電解槽實(shí)際運(yùn)行平均壽命為2446天,槽齡最長(zhǎng)運(yùn)行3334天。

350 kA電解系列產(chǎn)能26萬(wàn)噸/年,276臺(tái)電解槽。該系列電解槽采用的陰極炭塊,側(cè)部炭塊與300 kA電解系列相同，陽(yáng)極陽(yáng)極炭塊,電解槽大面加工寬度,中縫寬度也與300 kA電解系列相同。,強(qiáng)化前電流強(qiáng)度375 kA,鋁水平22.5 cm,電解質(zhì)水平18 cm,電流效率92.15%,單槽日產(chǎn)量2782 kg,總用電負(fù)荷437 MW。該系列電解槽設(shè)計(jì)平均壽命為1800天,從強(qiáng)化前生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備使用情況看,該系列電解槽實(shí)際運(yùn)行平均壽命為2273天,槽齡最長(zhǎng)運(yùn)行3003天。

400 kA電解系列產(chǎn)能38萬(wàn)噸/年,358臺(tái)電解槽。該系列電解槽采用的50%石墨含量陰極炭塊,側(cè)部采用碳化硅結(jié)合氮化硅復(fù)合材料炭塊,所使用陽(yáng)極采用單桿四鋼爪與炭塊結(jié)合型,陽(yáng)極炭塊尺寸為1580 mm×660 mm×640 mm,電解槽大面加工寬度為300 mm,中縫寬度為200 mm,強(qiáng)化前電流強(qiáng)度400 kA,鋁水平24.9 cm,電解質(zhì)水平18 cm,電流效率92.35%,單槽日產(chǎn)量為2974 kg,總用電負(fù)荷589 MW。該系列電解槽設(shè)計(jì)平均壽命為1800天,從強(qiáng)化前生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備使用情況看,該系列電解槽實(shí)際運(yùn)行平均壽命為2547天,槽齡最長(zhǎng)運(yùn)行3004天。

表1 300 kA、350 kA、400 kA電解系列強(qiáng)化電流前運(yùn)行狀況

2 強(qiáng)化電流可行性分析

該公司三個(gè)電解系列強(qiáng)化電流評(píng)估分析原則:電解槽陰極母線電流密度控制在1.0 A/cm2以內(nèi);在產(chǎn)電解槽熱平衡結(jié)果滿足電流強(qiáng)化條件;整流機(jī)組滿足電流強(qiáng)化條件。

2.1 陰極母線電流密度分析

該公司300 kA電解系列由256臺(tái)先期設(shè)計(jì)電解槽和28臺(tái)續(xù)建電解槽組成、350 kA電解系列由248臺(tái)先期設(shè)計(jì)電解槽和28臺(tái)續(xù)建電解槽組成,槽周母線分兩種配置;400 kA電解系列由328臺(tái)先期設(shè)計(jì)電解槽和30臺(tái)續(xù)建電解槽組成,先期設(shè)計(jì)槽與續(xù)建槽母線配置基本相同。

通過(guò)對(duì)三個(gè)系列電解槽陰極母線進(jìn)行電流密度核算,300 kA電解系列在現(xiàn)運(yùn)行電流393 kA下運(yùn)行時(shí),先期設(shè)計(jì)槽的陰極母線電流密度在0.85 A/cm2以內(nèi)、續(xù)建槽的陰極母線電流密度在0.88 A/cm2以內(nèi);350 kA電解系列在現(xiàn)運(yùn)行電流375 kA下運(yùn)行時(shí),先期設(shè)計(jì)槽的陰極母線電流密度在0.94 A/cm2以內(nèi)、續(xù)建槽的陰極母線電流密度在0.91 A/cm2以內(nèi);400 kA電解系列在現(xiàn)運(yùn)行電流400 kA下運(yùn)行時(shí),先期設(shè)計(jì)槽與續(xù)建槽的陰極母線電流密度在0.91 A/cm2以內(nèi),三個(gè)電解系列母線系統(tǒng)電流密度均有一定強(qiáng)化空間。從陰極母線系統(tǒng)電流密度角度考慮,在不改變現(xiàn)有母線配置的情況下,300 kA電解系列母線系統(tǒng)運(yùn)行電流可強(qiáng)化至315 kA,強(qiáng)化后先期設(shè)計(jì)槽的陰極母線電流密度控制在0.89 A/cm2以內(nèi)、續(xù)建槽的陰極母線電流密度控制在0.92 A/cm2以內(nèi);350 kA電解系列母線系統(tǒng)運(yùn)行電流可強(qiáng)化至385 kA,強(qiáng)化后先期設(shè)計(jì)槽的陰極母線電流密度控制在0.96 A/cm2以內(nèi)、續(xù)建槽的陰極母線電流密度控制在0.94 A/cm2以內(nèi);400 kA電解系列母線系統(tǒng)運(yùn)行電流可強(qiáng)化至410 kA,強(qiáng)化后先期設(shè)計(jì)槽與續(xù)建槽的陰極母線電流密度控制在0.95 A/cm2以內(nèi)。

2.2 電解槽熱平衡模擬分析

基于對(duì)該公司三個(gè)電解系列現(xiàn)強(qiáng)化電流后的電解槽熱平衡模擬分析結(jié)果,在陽(yáng)極炭塊質(zhì)量及供電整流系統(tǒng)滿足條件的前提下,300 kA、350 kA、400 kA電解系列運(yùn)行電流理論上可強(qiáng)化至315 kA、385 kA、410 kA,強(qiáng)化電流需分兩個(gè)階段實(shí)施。每個(gè)階段穩(wěn)步進(jìn)行電流強(qiáng)化,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)條件(如極距、設(shè)定電壓、覆蓋料厚度、兩水平、分子比等)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。同時(shí),重點(diǎn)監(jiān)測(cè)電解槽母線系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓降和溫度、陽(yáng)極炭塊質(zhì)量和陽(yáng)極工作狀態(tài)以及老齡槽、病槽、破損槽、異常槽工作狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)有異常點(diǎn),需立即停止增大電流并查找原因,對(duì)于出現(xiàn)脫極或鋁液中鐵硅含量明顯增加出現(xiàn)險(xiǎn)情的電解槽應(yīng)果斷采取措施,必要時(shí)立即停槽,確保電解系列的生產(chǎn)運(yùn)行安全。下圖1,2,3 分別為300 kA,350 kA,400 kA電解熱平衡仿真模擬結(jié)果。

圖1 300 kA電解系列強(qiáng)化電流至315 kA運(yùn)行電解槽熱平衡模擬結(jié)果

圖2 350 kA電解系列強(qiáng)化電流至385 kA運(yùn)行電解槽熱平衡模擬結(jié)果

圖3 400 kA電解系列強(qiáng)化電流至410 kA運(yùn)行電解槽熱平衡模擬結(jié)果

2.3 整流機(jī)組

強(qiáng)化電流最大值應(yīng)在整流機(jī)組額定負(fù)荷之內(nèi),并預(yù)留電流波動(dòng)空間,同時(shí)強(qiáng)化幅度高整流柜溫度會(huì)有升高現(xiàn)象,故在強(qiáng)化過(guò)程中要選擇適宜的幅度。根據(jù)電流強(qiáng)化后電解槽的運(yùn)行狀況,結(jié)合整流所設(shè)備涉及電壓、電流安全裕度及實(shí)際運(yùn)行情況,在“N+1”模式下,即300 kA電解系列6臺(tái)整流機(jī)組、350 kA電解系列6臺(tái)整流機(jī)組、400 kA電解系列7臺(tái)整流機(jī)組全部正常運(yùn)行時(shí),完全能夠滿足三個(gè)電解系列分別強(qiáng)化電流至315 kA、385 kA、410 kA的要求。

表2 300 kA、350 kA、400 kA電解系列整流所主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

3 強(qiáng)化電流實(shí)施效果

3.1 強(qiáng)化電流實(shí)施情況

根據(jù)電解系列強(qiáng)化電流可行性分析結(jié)果,該公司于2018年8月起分階段對(duì)3個(gè)電解系列進(jìn)行強(qiáng)化電流生產(chǎn)。

其中:300 kA電解系列電流由303 kA逐步強(qiáng)化至315 kA,槽工作電壓提高至4.043 V,陽(yáng)極電流密度提升至0.760 A/cm2。350 kA電解系列電流由375 kA逐步強(qiáng)化至385 kA,槽工作電壓提高至4.072 V,陽(yáng)極電流密度提升至0.774 A/cm2。400 kA系列電解槽系列電流由400 kA逐步強(qiáng)化至410 kA,槽工作電壓提高至4.017 V,陽(yáng)極電流密度提升至0.819 A/cm2。

在針對(duì)每個(gè)系列的特點(diǎn),同時(shí)優(yōu)化了電解槽的鋁水平,覆蓋料厚度,換極周期等技術(shù)參數(shù)。

3.2 強(qiáng)化電流工作成效

3.2.1 電解鋁產(chǎn)量質(zhì)量實(shí)現(xiàn)雙提升

(1)通過(guò)加強(qiáng)供電整流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,穩(wěn)步實(shí)施三個(gè)電解系列強(qiáng)化電流生產(chǎn),強(qiáng)化后電流效率達(dá)到93%以上,三個(gè)系列每年原鋁總產(chǎn)量較設(shè)計(jì)總產(chǎn)能增產(chǎn)4萬(wàn)噸以上,創(chuàng)效1億元以上。

(2)強(qiáng)化電流期間,通過(guò)優(yōu)化工藝技術(shù)條件提高電解槽穩(wěn)定性、改善除鐵裝置降低物料含鐵量、保持適當(dāng)殘極厚度降低磷鐵化鐵量等措施,三個(gè)系列平均原鋁低鐵鋁率較強(qiáng)化前提升25%達(dá)到75%以上,原鋁Al 99.85率較強(qiáng)化前提升15%達(dá)到50%以上,實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鋁產(chǎn)品銷售創(chuàng)收2600萬(wàn)元。

3.2.2 電解工藝技術(shù)及管理水平顯著提升

(1)針對(duì)“電解強(qiáng)化電流生產(chǎn)后,為保持合理極距適當(dāng)提高電解槽工作電壓,導(dǎo)致直流電單耗升高”的問(wèn)題,通過(guò)提高電解槽工作電壓、降低電解質(zhì)水平,使電解槽爐底結(jié)晶程度進(jìn)一步提高,電解槽爐底壓降降低15～25 mV,并進(jìn)一步降低了噪聲噪壓,進(jìn)而大幅提高了電解槽穩(wěn)定性,使電解生產(chǎn)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 300 kA、350 kA、400 kA電解系列電流強(qiáng)度變化曲線

圖5 300 kA、350 kA、400 kA電解系列陽(yáng)極電流密度變化曲線

圖6 300 kA、350 kA、400 kA電解系列槽工作電壓變化曲線

(2)針對(duì)“電解強(qiáng)化電流生產(chǎn)后,為降低碳渣產(chǎn)生量和提高原鋁質(zhì)量縮短換極周期導(dǎo)致陽(yáng)極毛耗升高”的問(wèn)題,通過(guò)強(qiáng)化炭素系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量管控,保持電解槽平穩(wěn)生產(chǎn),合理安排換極周期等措施,在實(shí)現(xiàn)原鋁產(chǎn)量大幅提高、陽(yáng)極凈耗適當(dāng)降低的情況下,陽(yáng)極毛耗僅略有提高。

(3)匹配電解強(qiáng)化電流和低鋁水生產(chǎn)方式,通過(guò)將極上保溫料厚度從最初與陽(yáng)極鋼爪橫梁上沿一平減薄至鋼爪橫梁下沿10 cm,平均減薄保溫料25 cm,有效減少了保溫料庫(kù)存(約1萬(wàn)噸)資金占用。

(4)加強(qiáng)陽(yáng)極炭塊“入口”質(zhì)量管控,通過(guò)實(shí)施自產(chǎn)炭素系統(tǒng)提質(zhì)提產(chǎn)、狠抓外購(gòu)陽(yáng)極炭塊質(zhì)量把控、適當(dāng)提高殘極厚度等措施,大幅降低碳渣產(chǎn)生量,不僅實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中不撈碳渣,更有效促進(jìn)了危廢治理水平提升。

表3 300 kA、350 kA、400 kA電解系列強(qiáng)化電流工作成效對(duì)比表

4 結(jié) 論

(1)強(qiáng)化電流生產(chǎn)是在充分利用現(xiàn)有設(shè)備情況下,通過(guò)提升電解槽鋁產(chǎn)量和穩(wěn)定電流效率,進(jìn)而達(dá)到提質(zhì)降本增效目的,具有投資少、見(jiàn)效快、效益凸顯的優(yōu)點(diǎn)。因此,對(duì)于具有煤炭資源稟賦優(yōu)勢(shì)和足夠規(guī)模自備電廠的電解鋁企業(yè),應(yīng)充分發(fā)揮鋁電兩側(cè)協(xié)同效益,實(shí)施電解系列強(qiáng)化電流生產(chǎn),是實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合效益最大化的有效途徑。

(2)強(qiáng)化電流生產(chǎn)要匹配適宜的電解槽工作電壓,同時(shí)為避免電解槽熱平衡因輸入熱量增加而遭到破壞,需采取分階段穩(wěn)步進(jìn)行電流強(qiáng)化,同步調(diào)整鋁水平、電解質(zhì)水平、槽工作電壓、換極周期、覆蓋料、分子比、過(guò)熱度等關(guān)鍵技術(shù)條件,并通過(guò)加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程管理和陽(yáng)極炭塊塊量管控,全方位提高電解槽適應(yīng)性。該公司在上述基礎(chǔ)上,研究應(yīng)用“兩低一高兩不撈”技術(shù)路線(即低鋁水、低保溫料、高電解質(zhì),不撈塊、不撈碳渣),不僅使生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到進(jìn)一步優(yōu)化提升,更大幅降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量,企業(yè)主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)管理水平、安全環(huán)保治理水平和成本管控水平均達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。