某企業新型穩流保溫鋁電解槽節能技術能量平衡優化

胡清韜，李昌林，王俊青，焦慶國，周彩群

（1.中國鋁業鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.國家鋁冶煉工程技術研究中心，河南 鄭州 450041）

1 前言

鋁電解行業歷來被認為是高耗能行業，生產1噸鋁消耗13000kWh以上，降低鋁電解能耗是國家﹑政府﹑行業和鋁電解技術人員共同關注的課題。2009年國務院辦公廳發布了有色金屬產業調整和振興規劃，提出重點骨干電解鋁企業噸鋁直流電耗下降到12500千瓦時以下的目標。2011年工業和信息化部發布的鋁工業“十二五”發展規劃也將“十二五”末噸鋁直流電耗目標確定為12500kWh以下。這給行業帶了空前的壓力，行業的鋁電解技術人員加快了鋁電解節能技術的研究。

中鋁鄭州研究院長期致力于鋁工業重大關鍵共性技術的開發，開發了一系列具有重大影響的鋁工業核心技術。鄭州研究院鋁電解方向專業技術人員基于前期的研究基礎﹑多年技術服務和對電解鋁工藝技術設備的深入理解，開發了新型穩流保溫鋁電解槽節能技術，技術思路如圖1所示。該技術以高導電穩流鋼棒為核心，優化了電解槽的陰極結構，大幅降低了水平電流，保證了電解槽可以在更低電壓下穩定運行。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，對電解槽的內襯結構進行了更加科學的設計，減少了電解槽的散熱。現場的技術人員對筑爐材料﹑筑爐質量嚴格把關，確保電解槽長期穩定高效運行[1,2]。

圖1 新型穩流保溫鋁電解槽節能技術思路

新型穩流保溫鋁電解槽節能技術在國內多家企業進行了應用，獲得了良好的節能效果，電解槽的直流電耗降低500kWh/t-Al左右，部分企業的鋁液直流電耗降低至12500kWh/t-Al以下。電解槽能耗的降低必須有能量平衡的支撐，電解槽能量平衡優化是本技術的核心內容之一，本文主要介紹了該技術能量平衡優化的思路﹑措施和在某企業應用的具體效果。

2 新型穩流保溫鋁電解槽節能技術能量平衡優化

2.1 能量平衡優化思路[3,4]

（1）確定電解槽高效運行時的電解質成分，測定電解質初晶溫度；

（2）鋁電解內襯材料的測試與優選；

（3）根據測試所得內襯材料的導熱性能進行電解槽內襯設計，槽內襯中電解質初晶等溫線的位置應在陰極碳塊底部，以減少電解質的滲漏，使耐火材料﹑保溫材料避免受到電解質的侵蝕。

（4）基于電解槽運行參數的控制，確保側襯材料表面形成足夠厚度的保護性爐幫和伸腿，減少側部散熱又避免側部漏爐。適當調整電解槽上部散熱，優化電解槽能量平衡設計，電解槽總散熱損失不超過1.65V；

2.2 內襯的優化設計

根據某企業的實際情況確定電解槽高效運行時的電解質成分，測定其電解質的初晶溫度為922℃。根據電解槽設計要求選擇筑爐材料，對筑爐材料的關鍵性能指標進行檢測，確保筑爐材料達到要求。

原設計底部內襯材料自上而下依次是：450mm厚30%石墨陰極；180mm厚干式防滲料；132mm厚輕質保溫磚；60mm厚硅酸鈣板；10mm厚玻璃纖維板。底部各層內襯上表面溫度仿真計算結果如表1所示。

表1 原設計底部各層內襯上表面溫度計算結果

原設計防滲料上表面溫度910.2℃，與電解質初晶溫度922℃相差較大，電解槽的保溫有提升潛力。新技術將底部陰極碳塊改為50%電煅無煙煤+50%石墨質陰極碳塊，底部保溫層內原兩層輕質保溫磚不變，防滲料厚度170mm，最下層為60mm硅酸鈣板改為80mm，取消原設計10mm厚陶瓷纖維板。能量平衡優化后底部各層內襯上表面溫度仿真計算結果如表2所示。

表2 優化后底部各層內襯上表面溫度計算結果

能量平衡優化后922℃初晶等溫線相對原設計下移，位于陰極碳塊底部，保溫效果增強，同時依然可以有效減少電解質的滲漏。

2.3 電解槽上部能量平衡優化

電解槽上部能量主要通過煙氣和覆蓋料傳導出去，為了保證電解槽凈化系統的效果，保持原有凈化系統煙氣流量不變，新型穩流保溫鋁電解槽節能技術采用優化覆蓋料粒度的方法降低電解槽上部散熱[5,6]，覆蓋料的粒度由技術應用前的平均20mm降低至10mm以下，為減低上部散熱提供了重要的支撐。

3 新型穩流保溫鋁電解槽節能技術能量平衡應用效果

為了科學測算電解槽的能量平衡變化，采用日本進口的HFM-215N型熱流計參照中華人民共和國有色金屬行業標準YS/T 480-2005測量了電解槽表面溫度和散熱[7]，并根據相應的方法計算電解槽區域散熱。

3.1 槽殼溫度降低

槽殼表面溫度是電解槽運行狀況的間接體現，本部分通過對新型穩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下部保溫性能優劣。

從表3可以看出，新型穩流保溫槽A面鋼窗口平均溫度210℃，B面鋼窗口平均溫度216℃，鋼窗口平均溫度213℃；對比槽A面鋼窗口平均溫度258℃，B面鋼窗口平均溫度253℃，鋼窗口溫度255℃。新型穩流保溫槽鋼窗口平均溫度較對比槽低42℃。

表3 新型穩流保溫槽和對比槽鋼窗口溫度(℃)

由表4可知，對比槽槽底板平均溫度103℃，溫度極差32℃，標準差8.5℃；對比槽爐底板溫度高于設計值，說明對比槽內襯材料的熱工性能有一定的改變，影響了保溫效果。新技術槽槽底板平均溫度68℃，較對比槽槽降低35℃，溫度極差17℃，標準差3.7℃。新技術槽爐底熱工狀況良好，溫度較為均勻，說明熱場內襯設計合理。

表4 新型穩流保溫槽和對比槽爐底溫度(℃)

表5 新型穩流保溫槽和對比槽能量平衡

3.2 電解槽散熱降低

根據行業標準方法[7]對電解槽能量平衡進行了測試和計算，將電解槽散熱區域分為陽極區和陰極區，陽極區分為槽罩和上部結構；陰極區分為陰極區側部和陰極區底部。結果表明，新型穩流保溫槽總散熱折合電壓1.644V，槽罩散熱0.313V﹑占總散熱比例19.04%，上部結構散熱0.624V﹑占總散熱比例37.96%，陽極區散熱0.937V﹑占總散熱比例57.00%；陰極區側部散熱0.593V，占總散熱比例36.07%，陰極區底部散熱0.114V，占總散熱比例6.93%，陰極區散熱0.707V﹑占總散熱比例43.00%。對比槽總散熱折合電壓1.793V，槽罩散熱0.370V﹑占總散熱比例20.64%，上部結構散熱0.643V﹑占總散熱比例35.86%，陽極區散熱1.013V﹑占總散熱比例56.50%；陰極區側部散熱0.617V，占總散熱比例34.41%，陰極區底部散熱0.163V，占總散熱比例9.09%，陰極區散熱0.780V﹑占總散熱比例43.50%。新型穩流保溫槽和對比槽整體散熱分布基本合理，新型穩流保溫槽總散熱較普通槽降低149mV，其中陽極區散熱減小0.076V，陰極區散熱減小0.073V。新型穩流保溫槽較對比槽散熱降低一方面因為能量平衡優化，陰極區側部散熱降低24mV，陰極區底部散熱降低49mV；同時由于工藝參數的調整陽極區散熱也有較大幅度的降低，槽罩散熱降低57mV，上部結構散熱降低19mV。

測試結果表明，新型穩流保溫鋁電解槽節能技術能量平衡優化后，槽殼表面大幅降低，溫度分布均勻；散熱降低149mV，各區域散熱分布合理，優化效果顯著。

4 結論

新型穩流保溫鋁電解槽節能技術根據某企業的實際情況確定電解槽高效運行時的電解質成分，測定了電解質的初晶溫度。根據電解槽設計要求選擇筑爐材料，對筑爐材料的關鍵性能指標進行檢測，確保筑爐材料達到要求。通過仿真對內襯結果進行了優化設計，基于工藝制度調整優化了電解槽散熱分布。新型穩流保溫鋁電解槽節能技術應用后，電解槽鋼窗口平均溫度較對比槽降低42℃，爐底板平均溫度較對比槽降低35℃。電解槽總散熱較對比槽降低149mV，其中陽極區散熱減小0.076V，陰極區散熱減小0.073V。新型穩流保溫槽較對比槽散熱降低一方面因為能量平衡優化陰極區散熱顯著降低，另一方面由于工藝參數的調整陽極區散熱也有較大幅度的降低。