新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用效果

王俊青，李昌林，周云峰，汪艷芳，方 斌，侯光輝，柴登鵬，史志榮

（中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

1 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)的開發(fā)思路

本技術(shù)以高導(dǎo)電穩(wěn)流鋼棒為核心，優(yōu)化了電解槽的陰極結(jié)構(gòu)，大幅降低了水平電流，保證了電解槽可以在更低電壓下穩(wěn)定運行。槽電壓的降低減少了電解槽的能量輸入，為了保持電解槽的能量平衡，對電解槽的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更加精細(xì)的設(shè)計，減少了電解槽的熱損。

現(xiàn)場的技術(shù)人員對筑爐材料、筑爐質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，確保電解槽長期穩(wěn)定運行，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況配套了新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)的工藝技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)電解槽的高效率運行。

2 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)基本內(nèi)容

2.1 電壓平衡優(yōu)化和穩(wěn)流技術(shù)

本技術(shù)通過開發(fā)高導(dǎo)電鋼制材料降低電解槽上導(dǎo)體壓降，同時根據(jù)計算機(jī)仿真模擬研究工作[1]，優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)，水平電流降低了40%左右，爐底壓降大幅降低，優(yōu)化前爐底壓降在300mV以上；優(yōu)化后槽內(nèi)焊爐底壓降240mv，槽外焊220mv。在降低爐底壓降的同時，提高電解槽的穩(wěn)定性，更利于獲得高電流效率。

穩(wěn)流技術(shù)是新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)的核心之一，該技術(shù)可以提高鋁液面的穩(wěn)定性。提高陰極鋁液面的穩(wěn)定性，減小陰極鋁液面的波動，不僅可以減少陰極鋁的溶解損失，提高電解槽的電流效率。而且可以使電解槽的有效極距增加，從而為更深一步地降低槽電壓提供一定空間[2]。

2.2 能量平衡優(yōu)化和保溫技術(shù)

根據(jù)槽內(nèi)襯優(yōu)化思路，對電解槽的內(nèi)襯材料（包括側(cè)部和底部）的種類、尺寸就行了重新計算和設(shè)計。設(shè)計后的槽內(nèi)襯優(yōu)化前后電解槽等溫線分布（陽極電流密度0.74A/cm2）。

槽內(nèi)襯優(yōu)化后電解槽等溫線分布合理，基本上可使陰極免受電解質(zhì)凍結(jié)破壞作用。與以前的電解槽內(nèi)襯設(shè)計相比，采用新技術(shù)設(shè)計的電解槽保溫效果更好，為電解槽在更低電壓下運行打下堅實的基礎(chǔ)。

2.3 工程質(zhì)量把關(guān)和工藝技術(shù)參數(shù)配置

在新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)推廣過程中，根據(jù)企業(yè)的具體特點（主要指槽型、電解質(zhì)、輔助裝備、環(huán)境）結(jié)合新技術(shù)理論，制定相應(yīng)的筑爐規(guī)程、焙燒啟動、工藝參數(shù)匹配、標(biāo)準(zhǔn)化操作方案。現(xiàn)場的技術(shù)人員對筑爐材料、筑爐質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，確保電解槽長期穩(wěn)定運行，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況配套了新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)的工藝技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)電解槽的高效率運行。

3 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果

為了評估新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果，對某企業(yè)350kA系列新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽進(jìn)行了對比。主要比較了不同技術(shù)槽型的電壓優(yōu)化、散熱狀況、電流效率等方面技術(shù)參數(shù)[3，4]。

3.1 電壓優(yōu)化

從表1可以看出，某企業(yè)350kA對比槽平均卡具壓降較高，有降低的空間；新型穩(wěn)流保溫槽卡具壓降13.3mV，較對比槽低6.5mV。外圍母線壓降相差不大。新型穩(wěn)流槽爐底壓降與對比槽相比降低91.3mV。

新型穩(wěn)流槽體系壓降與對比槽相比降低236.7mV；極間壓降與對比槽相比降低145.5mV；新技術(shù)平均槽電壓與對比槽相比降低226.7mV；體系壓降降低幅度與槽電壓降低幅度基本吻合。

表1 新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽電壓分配（單位：mv）

極間壓降的減少的可能原因是極距降低，或電解質(zhì)電阻降低。根據(jù)極距測試結(jié)果，新型穩(wěn)流電解槽極距4.20cm，對比槽極距4.56cm，較對比槽平均極距降低3.6mm。采用新技術(shù)的電解槽和對比槽所用電解質(zhì)成分基本相同，說明極間壓降的降低主要因為極距降低所致。

從電壓平衡看，新型穩(wěn)流保溫槽槽電壓較對比槽低較多，主要原因是新型穩(wěn)流電解槽爐底壓降和極間壓降有大幅度降低。

3.2 散熱減少

槽殼表面溫度是電解槽運行狀況的間接體現(xiàn)，本部分通過對新型穩(wěn)流保溫槽和對比槽的電解槽鋼窗口溫度和爐底溫度的測試，來定性比較兩種槽型的側(cè)下部保溫性能優(yōu)劣。

新型穩(wěn)流保溫槽鋼窗口平均溫度213℃，對比槽鋼窗口溫度254℃。新型穩(wěn)流保溫槽鋼窗口平均溫度較對比槽低41℃。根據(jù)傳熱學(xué)原理，相同條件下，表面溫度越低散熱量越小。

新型穩(wěn)流保溫槽爐底板各測試點溫度大部分在60℃～100℃，平均90℃，無異常點，說明爐底保溫性能較好。對比槽中測試點溫度高于100℃的相對多，平均溫度也高出10℃，說明爐底保溫效果遜于新型穩(wěn)流保溫槽。另外新型穩(wěn)流保溫槽爐底板各測試點溫度均一性較好，說明了筑爐、焙燒啟動等作業(yè)質(zhì)量高。

從槽殼表面溫度測試結(jié)果來看，新型穩(wěn)流保溫槽鋼窗口溫度和爐底溫度明顯低于對比槽，說明新型穩(wěn)流保溫槽在側(cè)下部保溫效果優(yōu)于對比槽，這為新技術(shù)節(jié)能奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法[5]對電解槽能量平衡進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，普通槽總散熱689.1kW，折合電壓1.942V；新型穩(wěn)流保溫槽總散熱588.4kW，折合電壓1.658V。新型穩(wěn)流保溫槽總散熱較普通槽降低100.7kW，折合電壓284mV。新型穩(wěn)流保溫槽總散熱較普通槽降低主要因為陰極區(qū)散熱大幅降低。

3.3 能耗降低

本次測量采用陽極氣體分析法進(jìn)行電流效率測試。氣體分析法的原理是根據(jù)陽極氣體中的CO2濃度與電流效率之間的關(guān)系，通過采集電解過程中逸出的氣體，分析氣體濃度來得到某一時刻的電流效率。

表2 電流效率及直流電耗

本次測試新型穩(wěn)流保溫槽平均電流效率為91.9%，對比槽電流效率分別為88.6%。新型穩(wěn)流保溫槽平均鋁液直流電耗12493.9kWh/tAl，對比槽平均鋁液直流電耗13453.0 kWh/tAl l，新型穩(wěn)流保溫槽鋁液直流電耗較對比槽低959.1 kWh/tAl。

4 結(jié)論

（1）新型穩(wěn)流保溫槽槽電壓大幅降低，主要因為極間電壓和陰極壓降的降低。極間電壓的降低主要因為穩(wěn)流技術(shù)的作用，而陰極壓降的降低主要因為采用新型高導(dǎo)鋼棒和陰極結(jié)構(gòu)。

（2）新型穩(wěn)流保溫槽鋼窗口溫度和爐底溫度明顯低于對比槽，說明新型穩(wěn)流保溫槽在側(cè)下部保溫效果優(yōu)于對比槽。新型穩(wěn)流保溫槽總散熱較普通槽降低100.7kW，折合電壓284mV。新型穩(wěn)流保溫槽總散熱較普通槽降低主要因為陰極區(qū)散熱大幅降低。電解槽總散熱量的減少為新技術(shù)節(jié)能奠定了基礎(chǔ)。

（3）新型穩(wěn)流保溫槽平均電流效率為91.9%，對比槽電流效率分別為88.6%。新型穩(wěn)流保溫槽平均鋁液直流電耗12493.9kWh/tAl，對比槽平均鋁液直流電耗13453.0 kWh/tAl l，新型穩(wěn)流保溫槽鋁液直流電耗較對比槽低959.1 kWh/tAl。