鋁電解生產降低電能消耗的途徑

邵明海

（山西華澤鋁電有限公司,山西 河津 043304）

鋁電解生產降低電能消耗的途徑

邵明海

（山西華澤鋁電有限公司,山西 河津 043304）

從鋁電解生產的能量消耗入手,結合生產實際重點論述了影響鋁電解生產能量消耗的幾大因素.通過生產實踐,探索出鋁電解實際生產中節能降耗的有效途徑.

我公司電解廠自 2005年投產以來一直注重電解槽的節能降耗工作,積極探索降低 300 kA大型預焙槽電能消耗的途徑,取得了一些經驗.表 1展示了我公司電解廠 2009年每個月部分平均指標的完成情況.

表 1 電解廠 2009年 1月～10月的部分生產指標

1 鋁電解生產的電能消耗

了解清楚鋁電解生產過程中電能的消耗對于在實際生產過程中尋找有效的節能降耗途徑是必須的.在采用預焙碳陽極的電解過程中,將原料（氧化鋁和碳素體）從常溫升溫到反應溫度 （以950℃計算）及反應過程所需的能量,理論上 1 kg鋁只需能量 6.32 kW·h（陽極氣體為 100%的CO2;陰極電流效率為 100%;不包括電解槽熱損失和導線能量損失;氧化鋁及碳均是純物質）.

在實際電解過程中,電解槽與周圍介質有一定溫度差,槽內熱量會不可避免地向周圍散失,電流效率也不可能達到 100%,物料也不是純物質,所以實際需要的能量會遠超過理論計算值.

鋁電解過程的實際電耗率,可通過一定時間內生產的鋁量與實際消耗的能量求得.對于電流強度為 I/A,電解時間為 t/h,平均電壓為 U/V的電解槽,所消耗的總能量為

在該時間內,產鋁量為

那么,其單位產量的電耗率W實為

上式即為生產中計算實際電耗率的公式.在鋁電解生產企業中,往往計算噸鋁直流電耗,即

式中:U—平均電壓,V;η—平均電流效率,%.

2 降低電能消耗途徑的理論推導

圖 1反映了槽電壓、電流效率與電耗的關系.由該圖及上述W實（實際電耗）的計算公式可以看出,鋁電解生產中實際電耗率與電解槽平均電壓成正比,與電流效率成反比,與電流大小無關,所以降低槽平均電壓和提高電流效率是降低電能消耗兩個關鍵所在.

2.1 降低槽平均電壓

2.1.1 槽平均電壓的組成

電解槽的平均電壓可由下式表示.

式中:U陽—陽極電壓降;U質—電解質電壓降;

圖 1 槽電壓、電流效率與電耗的關系

U極化—極化電壓;U陰—陰極電壓降;U效—陽極效應分攤電壓;U母線—母線電壓降 （包括陽極、陰極、立柱、槽間母線）;U線路—線路損耗 .

從電解槽能量平衡的角度看,平均電壓可分兩部分.第一部分是能量平衡計算體系以內的電壓降 ,即工作電壓,包括 U極化、U陽、U陰、U質、U效;第二部分則指黑電壓,包括 U母線和 U線路.在第一部分中,收入的能量除了供給反應過程所需的理論能量外,其余則未用于生成電解鋁的化學反應而散失掉了.反應過程所需的理論能量是必不可少的.母線所耗的能量純屬空耗,越少越好.要使電解槽達到減少散熱損失和減少母線所耗能量的目的,就必須從電解槽的設計、安裝、操作管理入手,采取有效措施降低電解槽的平均電壓.

2.1.2 采用先進的槽結構設計和提高砌爐質量

設計合理的保溫結構,減少電解槽熱損失.要減少電解槽的散熱,必須加強其保溫,才能保證電解過程連續進行的溫度條件.對于不同類型的電解槽,各部分的保溫要求雖然有所不同,但所有的電解槽底部都要求較好的保溫,減少爐底散熱損失.因此,設計中應該選擇傳熱系數低的保溫材料作為底部內襯.300 kA大型預焙電解槽屬于中間下料的大型預焙槽,邊部不加工,爐膛靠電解質自身凝固而形成,側部保溫太好對爐膛形成十分不利.所以要求側部應有適度的散熱.華澤公司大型中間下料預焙槽,邊部采用了抗腐蝕性好,傳熱性能好的半石墨質碳塊和絕緣良好的碳化硅層里外組成的側碳,從而保證了形成規整、穩固的槽膛內型.另外,在筑爐砌爐過程中必須高標準、嚴要求地進行每一項筑爐作業,盡力提高安裝質量.實踐證明,筑爐質量是電解槽日后高效平穩生產,降低噸鋁直流電耗的關鍵因素.

2.1.3 降低陰極電壓降

在實際生產中要降低陰極電壓降,必需從陰極材料的選擇、電解槽的筑砌、電解槽的日常管理等方面著手,要求做到:

①選用導電性能良好的陰極碳塊,降低陰極電壓降.

②選用半石墨化或石墨化的陰極碳塊,可以有效地降低陰極電壓降.

③在正常生產中,穩定適宜的技術條件是保持爐底壓降最低.保持爐底干凈,使其不產生沉淀或結殼以降低爐底壓降.

④在電解槽技術條件的管理上要仔細管理,通過嚴格的操作和技術條件管理,用預先控制的方法,盡力避免技術條件的波動,避免爐底沉淀和結殼的產生,從而有效地保證干凈的爐底.同時通過對側部保溫料的調整,規整電解槽爐膛,增加垂直電流,降低爐底壓降.

2.1.4 降低陽極電壓降

①選擇先進的陽極制作工藝,生產比電阻較小的陽極碳塊,選取較小的陽極電流密度.使用結構合理的陽極鋼爪,降低陽極電壓降.

②選擇適中陽極高度,盡可能減少碳塊電壓降.目前預焙陽極的比電阻一般在 50～60×10-4Ω·cm,陽極電流密度在 0.7～0.8A/cm2,陽極塊高度宜在 500～600mm.

③陽極卡具壓降也是日常管理的重要工作.母線轉接后,及時進行處理,平時也要定期進行處理.

④對陽極導桿進行清洗拋光處理,在換陽極時勤擦母線灰,可大大降低卡具壓降,從而降低陽極電壓降.

⑤加足陽極保溫料,防止陽極氧化,降低鋼 -炭接觸壓降.

2.1.5 降低母線壓降

①選擇經濟的母線電流密度,合理的配置母線形式,降低母線電壓降.

②提高電解槽和母線安裝質量,降低連接處的電壓降.

③保證母線及槽體間連接母線周圍行路通暢,通風散熱好,以減小母線電阻熱來降低線路壓降.

④定期清理母線周圍的雜物和鐵屑,確保絕緣良好,降低對地壓降.杜絕直流系統接地,避免槽子周圍吸附鐵屑雜物,防止人為手動干擾槽控機控制系統設備,造成電壓等異常而導致高電壓,白白增加電耗.

2.1.6 降低電解質壓降

電解質的電壓降會隨著極距的變化而劇烈的變化,因此在不影響電流效率的情況下,保持合適的極距是降低電解質壓降的關鍵.

圖 2 電流效率和極距關系圖

由圖 2的電流效率和極距的關系曲線可以看出極距在超過 35～40 mm后對提高電流效率的幫助微乎其微,白費電耗.

表 2 各工段調整極距前電解槽的平均極距

結合我們現場的實測極距 （見表 2中的數據）大部分電解槽的極距均在 50mm,通過計算和實驗,大膽地將極距調整為 45mm,大大降低了電解質壓降.另外,我們還加強了電解質的日常管理工作,包括:

①保持適宜的電解質水平高度,降低電解質比電阻,使用適當的添加劑,減少碳渣量.

②堅持換陽極和效應熄滅后撈碳渣作業,降低電解質電阻,減小電解質電壓降.

③消除太多、太厚炭渣對氧化鋁物料熔入電解的“阻礙”,保證電解質內有效的氧化鋁濃度,避免“假缺料”現象使電解質電阻增高.

④避免過量炭渣返溶解于電解質中,使電解質電阻增加.

⑤確保計算機采集到電解槽的真實槽電阻,為控制、預報陽極效應提供可控性條件,從而有效降低電解質壓降.

2.1.7 降低陽極效應分攤電壓

有關研究資料顯示,陽極效應對電解槽正常生產的影響害遠遠大于利,但目前的電解鋁生產技術又不能完全避免陽極效應的發生.所以,在實際生產中應努力提高技術操作水平,盡量低地控制效應系數,縮短陽極效應時間,以降低電解槽的能量消耗,提高電能利用率.

陽極效應的發生一是與電解質中氧化鋁濃度的過分偏低有關,即“濃度效應”;二是和電解質溫度太低,電解槽熱收入不足,造成氧化鋁的溶解度下降有關,即“低溫效應”.針對以上兩種情況,采取了以下措施:

①在計算機控制上,設定拉長陽極效應等待間隔和縮短效應持續時間.

②在效應系數的管理上,加強責任心,減少下料系統故障,嚴格考核,優化技術條件配置,降低效應系數.

③改變對陽極效應的管理思路,只要槽況正常,盡量不來效應.要克服“長時間不來效應會造成槽況不好的”觀點.

④在效應管理上制定適宜的獎懲辦法,把效應管理工作作為一項重要的常規管理工作來抓.

⑤加強槽上部打殼下料系統故障的點檢維修力度,確保下料口暢通,始終正常的下料可以有效防止陽極效應發生.

⑥提高職工的責任意識和操作技能水平,嚴格按技術標準保持好各項技術條件,保證電解槽有規整的爐膛,潔凈的爐底,穩定的電解質成分,合適的電解質溫度.

⑦采用正確的熄滅效應方法 （二圈法）,及時熄滅陽極效應,縮短陽極效應時間.

⑧電解工實行專槽負責制,效應系數的考核與各工區、橫班進行掛勾,以有效降低效應系數.

2.1.8 加強技術條件的日常管理

降低平均電壓,技術條件的日常管理也是十分重要的一個方面.首先,從日常基礎管理開始,重視對槽子狀態的預分析,做到未雨綢繆,先發制槽,防患于未然.其次,精心操作,嚴格把住各項操作質量,嚴格執行出鋁作業、換極作業等標準化作業制度.

2.2 提高電流效率

2.2.1 做好電解槽焙燒啟動工作

我公司在 2005年投產時,就極其重視電解槽的焙燒啟動工作,因為無數的生產實踐已經證明了電解槽焙燒啟動工作做好了,就會給電解槽生產打下一個良好的基礎,使電解槽能夠達到理想的能量 -物料 -電壓三個平衡狀態.還有,在焙燒啟動的后期管理中嚴格工藝制度,重點抓了使電解槽建立穩固、規整理想的爐膛工作,只要電解槽有了這一天然屏障,其生產就有了很大的穩定范圍和穩定度.可以大大提高電流效率,實現電解槽優質、平穩、高效、低耗的生產.

2.2.2 降低電解溫度

電流效率下降的主要原因是鋁液的二次反應損失,也就是電解得到的鋁又溶解于電解質中,由此轉到陽極附近與 CO2氣泡接觸后被 CO2氧化成 A l2O3,即:A l+CO2→A l2O3+CO↑.造成鋁損失的關鍵因素是鋁的溶解度和擴散速度.而影響鋁的溶解度和擴散速度的關鍵因素是電解溫度,電解質溫度越高,鋁的溶解量越多,同時電解質的流動性也越好,從而擴散速度加快,鋁損失增加.因此,在電解槽生產平穩的前提下,盡可能的降低槽溫以實現提高電流效率的目的.降低電解槽溫度主要有兩個方法,一是降低電解質的初晶溫度,二是降低電解質的過熱度.通過努力我們成功地將電解質溫度控制在了 945～955℃范圍內,過熱度控制在了 10～20℃的范圍內,并在電流效率方面取得了良好的效果.

2.2.3 提高操作質量

提高操作質量,加強管理,保證電解槽的長期穩定運行對于提高電解槽的電流效率是必須的.操作上應抓好下列作業質量:

①換極質量陽極設置精度要高,陽極下不壓塊,使工作電壓穩定,無因針振而有提高槽電壓現象.

②提高新陽極 16 h電流分布合格率,確保電解槽電流分布均勻.

③加足極上保溫料,減少上表面散熱.

④效應熄滅及時,不出現過長時間效應和異常電壓.

⑤出鋁精度要高,不出現波及電解槽熱平衡的干撓因素.

2.2.4 保持規整的爐膛內型

在電解槽的正常生產中,保持規整的爐膛內型可使電解槽運行更平穩,有益于提高電流效率.好的爐膛內型:

①可使電流磁場分布更加均勻.

②可以防止電流走側部,減少水平電流.

③鋁水波動小,工作電壓較平穩 （減少二次反應）.

④防止陽極病態出現,如長包、長牙、掉角、掉塊等.

⑤可以減少電壓針振、擺動現象的發生.

2.2.5 確保電解槽技術條件的平穩

和降低電解槽平均電壓一樣,確保電解槽技術條件的平穩及合理搭配是提高電流效率的關鍵.電解生產是各項技術條件綜合作用的結果,各項技術條件之間存在著相輔相承的關系,某一項技術條件發生變化,其他技術條件也會隨之改變,并且影響電解槽的正常生產,嚴重時引發病槽.發生病槽后電流效率急劇下降,電耗急劇增加.所以,確保技術條件的平穩性,保證電解槽的穩定生產,可最大限度地提高電流效率,進而降低噸鋁直流電耗.

3 結束語

（1）嚴格執行操作規程,保持穩定技術參數,不斷優化鋁電解生產工藝條件,進行合理科學搭配,是保證電解槽平穩生產的前提條件,也是降低電能消耗的基本保障.

（2）加強管理,努力提高操作質量,實行精細化管理,科學降低槽平均電壓和有效提高電流效率是降低電能消耗的根本途徑.

A

1671-6620（2010）S1-0086-04