新型鋁電解槽技術與節能新概念

2022-06-23 11:16:40王紅霞賈石明

世界有色金屬 2022年1期

王紅霞，賈石明

（1.武漢市德成科技工程研究院有限責任公司，湖北武漢 430074；2.華中科技大學經濟學院，湖北武漢 430074）

鋁冶煉一百多年來，經歷化學法、電熱法和熔鹽電解鋁探索應用考核，只有冰晶石熔融電解法較經典，能耗較低。且鋁電解槽裝置，也經歷了由小型預焙陽極電解槽、自焙陽極電解槽、大型預焙陽極電解槽的變革。更有從三場、氣泡、電極涂層乃至惰性電極諸多單元性研究和創新，但能耗、環保指標仍居高不下。

電化學原理告訴我們，電解法生產一噸鋁理論上只需6000多度電，而現有電解鋁廠噸鋁電耗仍在13500～14000度電之間俳徊，節電空間較大。大量電能消耗于鋁電解槽結構和操作工藝的不合理，應當全面、系統的對電解槽結構和操作工藝進行革新，才能切實達到節能、降耗、減排的目的[1-5]。

某研究院30年來，致力于電解鋁科學技術的研究，通過對預焙、惰性、自焙等多種陽極創新，發明了“分隔法”“連續陽極”、“惰性陰極”等系列性核心技術，使鋁冶煉工藝技術和裝備獲得革命性突破，達到了節能減排的效果，為國家碳中和、碳達峰提供技術支撐。另外該院還從能量、能源與環境影響等高視角評估節能和碳排放，應用幾種計算方法揭示了新概念及其合理性，利用人工智能和數字化等技術，使各指標保持動態平衡，進而推動鋁冶煉技術的綠色、智能化向前沿科技產業發展。

1 理論基礎

1.1 鋁電解槽裝備現狀

目前國內外，沿用著的鋁電解槽有兩種：一是自焙陽極鋁電解槽；二是預焙陽極鋁電解槽。兩種電解槽各有優缺點，我國目前已經禁止自焙電解槽的應用，國內現有電解鋁廠均為大型預焙槽。

自焙槽的缺點：每日1次大面積打殼下料，人工轉接子母線，工藝原始，“三場”不平衡，下料后恢復穩定時間達30分鐘以上。廢氣無組織排放，空氣污染嚴重，能耗高達15000kwh/t.Al。其優點：陽極連續，無須換極，利用余熱焙燒陽極而節能[6]。

預焙槽的缺點：需建設陽極生產系統（廠或車間），生產設備繁多、投資大、生產成本高；陽極塊消耗到80%時必須人工取出，換上新陽極塊，恢復導電時間長，三場不穩，且有殘極浪費[7，8]；敞開殼面換極，造成廢氣無組織排放；瀝青煙廢氣轉移到炭陽極生產廠排放；噸鋁耗電依然達13500度（國內最佳指標）以上。其優點：能組合多個陽極塊，擴大電容量，使單槽產能提高，可實現自動化下料，大型槽三場均值較穩定；電解車間空氣污染比自焙槽較少[2，4，9]。

兩種槽型都有共同缺點：電解能耗高，陽極生產工序多，人工勞作多，環保指標差，不利于數字化、智能化生產，自熔鹽法發明以來，電解鋁均沒有重大工藝裝備的創新。

1.2 電解鋁科研理論創新

1.2.1 氟平衡動態計算的物質基礎

長期以來，人們不承認氟有無組織排放量，湊合了一個不實際的氟平衡表。把動態實時檢測差額，以靜態追蹤求證的方式彌補，即：把大量的氟歸結到槽內襯、殘極、抬包中，混淆動態與靜態平衡，極不科學，如一氟平衡表中所列：槽內襯吸收13kg/t.Al氟，是在大修內襯炭塊中測算出來的。我們按200KA槽年生產500噸鋁為例計算，每年內襯要吸收6500kg。按槽齡5年一大修計，則這個內襯5年要吸收32.5噸，從理論和實踐來看這都是不太可能的。某研究院從成因出發，追尋實時動態平衡求實計算，正視氟的無組織排放，重視科學合理性，尊重物質基礎，并認為現有鋁冶煉技術的環保問題嚴重性。

1.2.2 電解槽的大型、規?；c生態環境關系

鋁廠不可盲目追求電解槽大型化、產量規?；?，環保要考慮地區容量問題，而不能僅僅追求單位指標。電解槽大型化的主要目的在提高產能，用統計平均的方法追求指標數字的可觀。但是，管理、槽壽命、大修與投資大不成正比、噸鋁電耗高等缺陷仍然不可忽視。規?；?、大型化，雖然單位指標得到了改觀，但是地區生態受害嚴重。比如一個電解鋁廠，年產量為600萬噸，那么氟按1kg/t.Al排放計，于是每年就有600萬公斤氟在一個地區排放，同時還有18～20kg/t.Al氟化物添加，卻“去向不明”；也就是說每年有1.2萬噸氟化物無組織排放了，地區環境容量根本無法承受！

國際公約也表明碳排放考量基點是整個地球生態，同樣，氟排放的基點也應該是整個地球生態。因此，不能無節制地將電解槽大型化、產量規模化[10]。

1.2.3 鋁電解的能量計算及第一、第二能量概念

長期以來，能量平衡計算不夠清晰，原因在于把能量收入鎖定在電流乘電壓，即外線輸入電能，卻忽略了炭陽極消耗轉化的能量收入。在電解質中炭陽極被氧化生成CO、CO2釋放熱能，我們在測算中將其命名為第二能量(內能)，納入能量總收入。電流在各部位壓降中產生的能量，我們稱之為第一能量。于是，電解過程中能量總收入=第一能量+第二能量。第二能量利用率高達100%，第一能量來源煤電廠，從煤電廠到電解鋁廠，要扣除線網損失，真實利用率只有80%左右。

第二能量來自炭陽極。炭陽極源于石油冶煉的廢渣，為廢物利用，在電解質中燃燒放熱，熱值高(即8000大卡每噸)，標煤熱值相對較低(即7000大卡每噸）。生產一噸鋁耗炭陽極450kg/t.Al，折合交流電為1975度，且為內能，利用率100%。而煤電為3300度/噸標煤，實際輸送到電解車間(扣除25%路損)只有2475度電。故炭陽極不僅是導電體，而且還是鋁電解過程中不可忽視的能源體。

1.2.4 節能和炭耗統一論

鋁電解的節能為總需求，本文提出：“節能和炭耗統一論”，由此來認識鋁電解技術全部。把能耗與炭耗同質化，是十分合理的。我國電能75%～80%來源于燃煤，鋁冶煉的能耗就是炭耗，能耗大小即炭耗大小，在發電廠仍然在向大氣中排放大量氧化碳。業內也有熱衷于惰性陽極研究的，所謂惰性陽極最大優點是不換極，可連續生產，也是本文連續陽極技術研究的重點，但是研究發現惰性陽極電解工藝仍然耗電量大。近幾年，美國力拓公司和蘋果公司在加拿大投資試驗惰性電極，準備對電解鋁供應鏈和流程進行脫碳，計劃在2024年實現惰性電極煉鋁商業化，聲稱該技術能夠減少溫室氣體排放，使電解鋁向低碳經濟轉型，但目前該技術交流電耗仍為16000度/噸鋁。本文研究認為：不管是惰性還是其他任何方法煉鋁，優勢關鍵還是看有沒有降低電耗，應以節能數(指標)顯示脫碳量，否則都是空話。

2 新型鋁電解槽核心技術

2.1 新型鋁電解槽技術指標

環保方面，將氟化物排放指標由國家規定的1kg/t.Al下降到0.3kg/t.Al。粉塵凈化率為99.6%，無瀝青煙氣排放，新的動態氟平衡表取代原始氟平衡表。

節能方面，將交流電耗由國家規定的14000度/t.Al下降到11000度/t.Al左右。

設計方面，“三場”運行穩定，電流效率高達95%以上。最后，將提供一整套新型鋁電解槽設計方法和軟件。

現將新型鋁電解槽與現有電解槽參數進行對比，可看出新型鋁電解槽在節能、環保、智能化生產等方面的優勢。如表1所示。

表1 鋁冶煉新型電解槽與現有電解槽參數對比表

2.2 新型鋁電解槽核心技術

新型鋁電解槽技術是將自焙槽、預焙槽兩種電解槽的優點集成起來，摒棄兩種電解槽的缺點，成功研發出具有連續陽極、惰性陰極、無須人工操作、工藝簡捷、節能顯著、無污染氣體排放、全信息數字化生產等特點的鋁電解槽，我們稱它為“新型鋁電解槽”。該新型鋁電解槽的核心技術有：分隔法、顆粒陽極糊、全密閉陽極箱體、多功能導電母線、瀝青煙裂變器、氟化物增強吸附器、金屬陶瓷惰性陰極、熱管法回收余熱并調控槽溫、二氧化碳回收、氟動態平衡動態計算、梯度法熱量實時檢測、電解質實時檢測及數據驅動多元設計實驗室全信息AI管控等。

2.2.1 “分隔法”治理鋁電解廢氣

眾所周知，鋁電解生產時產生的廢氣含氟化物、粉塵、瀝青煙和硫化物[11]，多年來國內外處理方法有“干法”、“濕法”、“沸騰床法”、“電收塵”等[11-13]，但效果均不理想。因為廢氣的物理、化學性質各異，如氟化物為透明氣體、瀝青煙為粘性物、粉塵為固體物，難以用一種方法治理達標。該院從成因分析出發，根據污染物產源，將瀝青煙密閉于陽極箱內；另將氟化物、粉塵單獨集氣，分別凈化，這種方法即“分隔法”[14，15]，并在1999年由湖北省環保廳主持通過鑒定。同時發明“氟化物增強吸附器”、“瀝青煙裂變器”[2]，使得炭素廠也杜絕了瀝青煙排放。

“分隔法”治理廢氣裝置如圖1所示：

圖1 “分隔法”治理廢氣裝置

2.2.2 顆粒陽極糊

目前，國內現有鋁廠都是大型預焙槽，所謂預焙，就是把炭陽極在炭素廠預先焙燒成大塊陽極。為了實現鋁電解的“AI”生產，某研究院發明了顆粒糊陽極，將大塊預焙陽極改成了炭顆粒陽極糊[2，4]。如圖2、3所示：

圖2 預焙陽極塊

圖3 顆粒陽極糊

具體應用為：將顆粒陽極糊輸送到全密閉的陽極箱中，堆積與平鋪于箱體內上部，借電解余熱，將其下部“焙燒”成錐體而導電，且焙燒時間長。電解時，下端部浸沒在電解質中被氧化而消耗，顆粒陽極經上部密閉管道自動輸送補充，達到連續應用的目的[2，4]。如圖4。

圖4 氣送陽極顆粒糊

2.2.3 金屬陶瓷惰性陰極

130多年來，用炭作陰極，并不是最佳選擇，迫不得以只能將鋁液加厚與炭塊一起充當陰極。武漢市德成科技工程研究院用金屬陶瓷陰極研制成功，不僅克服了炭陰極缺陷，而且降低了陰極電阻值而節能，還可調整極距，減小電解質電壓而節能，使電化學正向反應條件十分充分，從而提高電流效率[5，15]。

2.2.4 余熱回收及槽溫控制技術

武漢市德成科技工程研究院發明了一種利用熱管回收鋁電解槽中熱量的裝置，如圖5：

圖5 利用熱管回收鋁電解槽中熱量的裝置

該裝置的運用，實現循環經濟，減少碳排放，保護生態環境。同時，將蒸汽流速控制起來，就可以直接控制槽內溫度。另外，該裝置利用余熱發電，具有重大的節能、節炭效果和意義。

2.2.5 差動式不停電開關技術

現有電解鋁廠在電解槽維修時，電解槽必須從系列電流中隔離出來，操作時全系列必須停電，這樣一停一開，既增加電耗又影響產量。于是發明了一種“差動式不停電開關”，又叫節電開關，是以自動轉換電流途徑為目的的裝置，為大修槽及事故處理隔離轉換電流，從而達到在不停電的情況下使電流轉向，這樣既不影響生產，又不耽誤大修或事故處理。

2.3 新型鋁電解槽節能成因

邱竹賢院士提出的節能三規律：減少熱損系數、提高電流效率、保持能量平衡[16]，是我院創新硬件、降低電阻值、降低電壓降的核心思想。

2.3.1 理論電耗

根據電阻值的降低，計算得到：槽電壓Vcao=3.332～3.7V。若電流效率為95.5%，整流效率取值98.5%，則新型鋁電解槽的理論電耗為：G=2980×3.5～3.7/（95%×98.5%）≈10555kwh～11000Kwh/t.Al。

2.3.2 降低陽極電阻值

預焙陽極塊在生產時平均導電高度為500mm，連續陽極導電高度200mm以下，是預焙陽極導電高度的2/5，電阻值也會減小到2/5，預焙陽極經典壓降為0.40伏，而連續陽極電壓降低到0.16伏。

圖6 預焙陽極導電高度（mm）

圖7 連續陽極導電高度

2.3.3 降低陰極電阻值

采用金屬陶瓷惰性陰極替換原有炭陰極，降低了陰極電阻而節電[5，15]，極大的改善了陰極電壓降。

表2 普通炭陰極與金屬陶瓷作為陰極的電壓降比較

根據金屬陶瓷惰性陰極與鋁液接觸有良好濕潤性優勢[2]，在陰極表面不必留集200mm厚鋁液，消除或減輕鋁液在槽中的波動，促進正向反應，提高電流效率、大幅減少槽電壓而節電。本文技術將對金屬陶瓷惰性陰極充分優化應用，爭取交流電耗下降到10000kwh/t·Al。

2.3.4 熱平衡調控

三場計算硬件配置完成后，熱穩定是關鍵，電解生產過程中，電解槽中各部位熱值會因各種因素波動，必須通過內控和外控來調整。內控是保證電解槽熱能適量產生，外控是熱能的散失調節，比如電解槽保、散溫調節，數學模型中均有設定。

2.4 為數字化產業形成奠定基礎

新型鋁電解槽的運用使得電解鋁產業實現全信息化管理，電解車間、炭素廠均無體力操作，解放車間工人，提高生產安全性。另外，進一步利用“能量梯度統計法數學模型”求能量平衡，進行實時檢測計算總量，不僅科學合理，而且能夠進行自動化鋁冶煉，為數字化產業的形成奠定了技術基礎。電解鋁產業由此轉變為高端AI制造業，推動綠色冶煉的同時，實現數字化、智能化生產。

新型鋁電解槽數字化生產管理系統設計原理如圖8所示：

圖8 新型連續陽極鋁電解槽系統設計軟件

3 新型鋁電解槽的應用

3.1 鋁電解槽連續陽極結構

1997～2001年，科研人員通過對陽極底平面幾何尺寸影響“三場”平衡的計算，設置硬件，從“王字型”陽極到“三陽極”到“多組合陽極”步步試驗，達到提高電流效率目的。又因陽極底平面大了，生產時產生的氣泡不易即時排出，導致效應多，影響電流效率而耗能[18]。于是我們將其多次縮小，最后2014年，按照預焙槽多陽極布置陽極方式成功，并移植預焙槽自動點式下料成功[2，19，20]。如圖9所示：