大型預焙電解槽低電壓生產效益最大化實踐

黃衛平|文

本文介紹了某公司在針對低電壓所帶來的問題，采取的電流強化與系列槽擴容的實例，為低電壓生產效益的最大化提供了一個參考。

電解鋁生產屬于高能耗產業，生產一噸鋁約需要14000kW·h的電能，電價成本在整個鋁電解的成本中約占40%。其中在電解鋁生產過程控制中原鋁直流電耗是衡量企業電解鋁技術水平與評判電解槽運行狀態好壞的最直接經濟指標，原鋁直流電耗在生產中用式（1）進行統計計算。

式中：W-原鋁液直流電耗，kW·h/kg-Al;

V-平均電壓，V；

從式（1）可看出電解鋁電耗與平均電壓與電流效率有關系，在實際生產中降低電耗可以從調整這兩項技術指標入手，即提高電流效率與降低平均電壓。從國內外對比情況看，由于生產管理模式不一，所以采取的措施也不相同，國外由于相對電力成本較低，所以一般采取高效率的生產模式，雖然直觀反映的電耗并不是最低，但是綜合經濟效益非?？捎^。

挪威海德魯鋁廠的420kA電解槽指標，可以說其經濟性居世界首位。其電流效率達95%，由于受電解原料氧化鋁與陽極質量的影響，這對于國內電解槽來說是很難達到的。但是針對平均電壓，國內目前較低的系列平均運行電壓保持在3.9V左右，直流電耗可降至12600kW·h左右，且低電壓還有繼續下降的空間，實現12000kW·h左右的直流電耗完全是可能的，同樣也能產生很好的經濟效益。

低電壓技術應用

青海某公司從2009年自主研究開發了《低電壓控制鋁電解槽節能生產技術》，分別從電解槽保溫技術的研究與應用、高導電和高溶解性能電解質體系的研究分析、氧化鋁濃度低窄區域控制、電解槽生產工藝技術參數優化配置研究、降低各部位電壓降以及電解槽低電壓啟動技術的研究等方面探索了一整套低電壓生產控制技術，在實際生產中取得了良好的效果。低電壓技術實施后原鋁直流電耗降低顯著，但同時電流效率也呈降低的趨勢，因此，在低電壓實施過程中研究電壓、電耗、電流效率之間的平衡關系就顯得尤為重要。圖1給出了三者間的關系，應該說在A點附近三者間的匹配較為理想。

圖1 電耗、電流效率與電壓間的關系

低電壓能量平衡

1.低電壓能量平衡分析

電解槽能量平衡是指單位時間內電解槽中能量的收支相等。換言之，同一時間內，輸入到電解槽的能量只要等于電解槽支出的能量，電解槽的能量才能維持一種平衡狀態，電解槽的狀態才能維持穩定。在實施低電壓技術后，由于電壓下降后，熱收入減少，勢必會打破原來的能量平衡，在實際生產中有兩種辦法可以建立起新的能量平衡，一是降低鋁水平，二是強化電流。降低鋁水平必然引起電解槽穩定度下降，會影響電壓的進一步降低。電解強化是增加了電解槽能量的供給，一方面可以維持電解槽新的能量平衡，另一方面可以彌補由于低電造成電流效率降低所造成的產量損失。因此在實踐中低電壓往往與電流相結合，圖2為某公司電解槽降電壓配合強化電流過程趨勢。

圖2 某公司電解槽降電壓配合強化電流過程趨勢

2.電流強化實例

某公司電解三系列原設計電流強度為200kA，槽平均電壓為4.18V，原鋁液直流電耗為13400kW·h/t。在低電壓生產過程中，為了建立新的能量平衡，配合進行了電流強化。根據能量平衡的概念，可以得出如下的關系式：

根據式（2）強化前后極化電壓及其他條件不變的情況下，當電壓由4.16V降至3.9V后需要強化的電流為：

在實際強化過程中依據對電解槽的熱場、磁場、電場、流動場的測試分析與模擬結果，作為強化電流試驗的理論指導。結合公司的陽極質量現狀，將電流強化至215kA。電流強化后根據槽運行狀況對鋁水平、分子比、加料間隔、保溫料、陽極周期等進行了優化調整。經過強化前后指標的對比，強化后單槽出鋁量由原來1498kg/d提高至1610kg/d，很好地彌補了低電壓的不足。

低電壓運行條件下系列電壓平衡

1.系列電壓平衡分析

某公司電解三系列每個車間原設計安裝134臺SY200預焙陽極電解槽(設計電流強度200kA，平均電壓4.18V)，全系列共設有268臺電解槽，設計產能為14萬噸/年，于2002年陸續投產。整流所配置有4臺整流變,實際輸出電壓為1120V。隨著生產的不斷調整,槽電壓不斷下降，且生產過程中，效應電壓及效應持續時間也有不同程度的降低，按槽電壓4.0V，預留電壓40V計算，三系列富余電壓約110V，具有進一步挖潛提產的空間。

2.系列增產實例

某公司電解三系列額定電壓1220kV，實際運行電壓為1070V，電壓富余為150V，如預留電壓按40V計算,則三系列富余電壓約110V。如果按平均電壓4.0V計算，可以增加電解槽臺數為28臺?，F有電解車間軸線到馬路邊緣間距為45.8米，且距現有車間40.3米有一根排水管道，埋深為3.2米。在不破壞擋墻及排水管道的基礎上，且考慮排水管道的維護，確定長度。電解三系列每個車間擬加長端頭安裝的兩臺ECL多功能天車,車寬為12.6米,考慮滿足多功能天車對端頭槽的各種操作需要,綜合考慮上述因素,確定電解車間加長39.2米。綜合考慮富余電壓及空余場地等各方面因素，確定電解三系列改造項目每個廠房增設7臺節能型SY200預焙陽極電解槽，系列增加14臺電解槽，以電流210kA，電流效率93%計算，系列年產8035.7t鋁液。該項目從2012年開始實施，2013年順利投產，電解槽同樣采用低電壓生產技術，在降低原鋁電耗的同時，提高了整個系列的產量，表1為增產后各項技術經濟指標對比。

表1 增產后各項技術經濟指標對比

明確思路 穩定槽況

低電壓運行時，由于其他工藝技術條件的變化，要求現場的操作管理要更精細，這就要求有更加明確的低電壓工藝管理的思路，有研究人員結合生產實際總結出的“一個中心，兩項措施，三個長效機制”管理方法具有很強的指導意義，即以爐膛的規定穩定為中收，以微調電壓和出鋁節奏變化為措施，堅持保溫料、爐底、技術條件三個方面的長期嚴格管理。同時細化操作質量，加強“三項”操作，努力實現“長時間的電壓穩定，合理的技術條件，規整的爐膛”，低電壓運行才能發揮出更大的經濟效益。

結論

由于國內鋁電解用氧化鋁、炭陽極受質量的制約，低電壓技術路線是一條降低鋁電解能耗的有效途徑。低電壓較低的直流電耗帶來的綜合效益是可觀的。低電壓技術雖然實施過程中電流效率有所下降，但是通過強化電流與系列增產增加槽日產鋁量與系列產鋁量，能夠實現效益最大化。