240 kA 系列化鋁電解槽深度節(jié)能改造和電流強化實踐

侯金龍 ,歐朝宇 ,閆 飛 ,劉雅鋒 ,胡紅武

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110000;2.廣西百色廣投銀海鋁業(yè)有限責(zé)任公司,廣西 百色 533000)

0 前言

中國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)使得高耗能的電解鋁行業(yè)“能耗雙控”壓力愈發(fā)增大[1～3],尤其是國家發(fā)展改革委印發(fā)了《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價政策的通知》(發(fā)改價格[2021]1239 號)后,高能耗高電價會影響到部分電解鋁企業(yè)的生存,整個電解鋁行業(yè)迫切需要加快技術(shù)升級、節(jié)能降碳。

為踐行國家產(chǎn)業(yè)政策,推動鋁電解行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展,國內(nèi)鋁冶煉工作者近年來加速鋁電解節(jié)能技術(shù)研發(fā),圍繞電解槽磁流體穩(wěn)定性提升、物理壓降降低、良好熱平衡維持和生產(chǎn)工藝管控升級幾大目標(biāo),通過以鋁電解槽多物理場模擬仿真為主體的理論研究,結(jié)合工業(yè)化試驗、系列化應(yīng)用及現(xiàn)場測試驗證,深挖鋁電解槽生產(chǎn)各功能區(qū)和全流程節(jié)能降耗潛力。

基于以上背景,本技術(shù)團隊根據(jù)某鋁廠已停產(chǎn)240 A 電解系列的實際改造需求,通過針對性的技術(shù)開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了高穩(wěn)定性磁場升級技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線技術(shù)、新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)、“健康長壽命”內(nèi)襯熱平衡技術(shù)、節(jié)能環(huán)保型上部結(jié)構(gòu)技術(shù)、電流強化技術(shù)、精細(xì)化燃?xì)獗簾龁蛹夹g(shù)和低鋁水、低電壓精準(zhǔn)生產(chǎn)工藝管理技術(shù)在240 kA 改造電解系列上的集成應(yīng)用。采用該技術(shù)體系改造并重新投運后的240 kA 系列電解槽節(jié)能效果顯著,運行電流強化至260 kA,年原鋁產(chǎn)能增加近14 000 t,獲得了良好的經(jīng)濟效益。

1 改造前電解系列運行情況

在技術(shù)升級前,該240 kA 電解系列已運行超過15 年,主要存在以下問題。

1)電解槽磁流體穩(wěn)定性較差,無法滿足電解槽在較低極距空間下穩(wěn)定生產(chǎn)運行的需求;陽極電流密度偏低,僅為0.733 A/cm2,能量利用率和單位勞動生產(chǎn)率較低;

2)電解槽陰極炭塊采用30%石墨質(zhì)材質(zhì),平均陰極壓降超過325 mV,母線壓降超過245 mV,爐膛情況較差,角部偏涼,槽底板溫度偏高。

3)電解槽上部結(jié)構(gòu)采用下煙道集氣形式,煙道內(nèi)積灰嚴(yán)重,集氣阻力大,集氣效率偏低,凈化系統(tǒng)能耗較高。

4)電解槽平均運行電壓偏高(4.029 V),電流效率偏低(僅為90% 左右),鋁液直流電耗高達13 343 kW·h/t-Al。在國內(nèi)處于高能耗水平,距離國家“階梯電價”政策能耗分檔標(biāo)準(zhǔn)差距較大,技術(shù)指標(biāo)落后嚴(yán)重。

2 項目技改升級方案

基于對該系列電解槽停產(chǎn)前技術(shù)水平和性能的評估后確定,電解槽槽周母線、內(nèi)襯、上部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計換新;陽極提升機構(gòu)、陽極母線、槽殼和其他配套公輔設(shè)施全部利舊,以最大程度的節(jié)省投資;同時升級改造后,電解系列運行電流由240 kA 強化至260 kA,以實現(xiàn)增產(chǎn)提效。

2.1 槽周母線優(yōu)化設(shè)計

原有240 kA 電解槽母線采用傳統(tǒng)區(qū)塊化大面進電配置形式。近15 年的生產(chǎn)運行情況表明,原有母線配置的磁場情況無法滿足電解槽在低極距、低電壓和更高電流密度下穩(wěn)定生產(chǎn)運行的需求。電解槽較易出現(xiàn)電壓波動,且這種波動很容易在上、下游槽間傳導(dǎo),電解槽抗干擾能力較差。因此,有必要通過技術(shù)升級,優(yōu)化磁場分布和電平衡,提高電解槽磁流體穩(wěn)定性。

2.1.1 高穩(wěn)定性磁場升級技術(shù)

依托本技術(shù)團隊最新母線磁場仿真設(shè)計平臺,建立240 kA 電解槽母線的電磁場仿真模型(如圖1所示),進行電解槽磁場優(yōu)化設(shè)計。

圖1 240 kA 電解槽母線電磁場仿真模型

通過對各區(qū)域母線路徑、截面、標(biāo)高和連接形式等進行優(yōu)化設(shè)計,提升母線系統(tǒng)的磁場穩(wěn)定和電場平衡性,為磁流體穩(wěn)定性提升和電流強化創(chuàng)造條件,同時兼顧考慮安全、經(jīng)濟、施工以及材料的選擇。優(yōu)化設(shè)計前后240 kA 電解槽母線磁場模擬計算結(jié)果對比如圖2 所示。

圖2 原設(shè)計電解槽母線垂直磁場分布云圖

圖3 優(yōu)化設(shè)計后電解槽母線垂直磁場分布云圖

模擬計算結(jié)果表明,優(yōu)化設(shè)計后,電解槽垂直方向的磁場分布明顯改善:第1、2、3、4 象限絕對值平均值分別由原始設(shè)計的12.573 Gs、6.430 Gs、5.051 Gs、11.583 Gs 優(yōu)化為3.315 Gs、2.208 Gs、2.014 Gs、3.128 Gs。此外,優(yōu)化后的磁場分布更為均勻,變化梯度更小。電解槽熔體區(qū)范圍內(nèi)垂直磁場大于20 Gs 的區(qū)域大幅減少,垂直磁場最大值出現(xiàn)在電解槽的角部,并由23.816 Gs 降至13.214 Gs,優(yōu)化后的磁場可顯著提高電解槽的運行穩(wěn)定性。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線技術(shù)

采用本技術(shù)團隊首創(chuàng)的網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線技術(shù),對槽周母線進行全面的優(yōu)化設(shè)計。在改造后的母線結(jié)構(gòu)中建立一個新的等勢網(wǎng)絡(luò),使陰極母線、陽極母線、平衡母線和立柱母線構(gòu)成一個完整的母線回路,降低電解槽非穩(wěn)定狀態(tài)下(包括停槽、陽極效應(yīng)、換極、出鋁等)陰、陽極電流分布不均衡性在電解系列中的傳導(dǎo),從而降低非穩(wěn)態(tài)槽及其上、下游槽的電流分布波動及磁場波動,進一步提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性和抗干擾能力,降低持續(xù)效應(yīng)時間和效應(yīng)系數(shù)。與此同時,有效抑制由于鋁液/電解質(zhì)界面變形產(chǎn)生的水平電流,進而大幅度提高電解槽磁流體穩(wěn)定性,為極距降低創(chuàng)造條件[4]。

2.2 陰極炭塊組優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 降低水平電流和陰極壓降

改造前,原240 kA 電解槽采用30%石墨質(zhì)陰極結(jié)合扎糊組裝形式,水平電流設(shè)計值較大,且隨著槽齡的增大,陰極吸鈉膨脹情況嚴(yán)重,陰極壓降已由設(shè)計之初的295 mV 左右增長至325 mV 以上。實踐證明,降低鋁液中水平電流是提高鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性的有效手段之一,可有效釋放鋁電解槽極距空間[5],實現(xiàn)節(jié)能降耗。與此同時,降低鋁電解槽物理壓降,也是業(yè)界公認(rèn)的降耗增效主要途徑[6]。

本技術(shù)團隊開發(fā)了先進的熱-電耦合模型來計算電解槽陰極壓降和鋁液中的水平電流,將降低鋁液中水平電流的設(shè)計理念融入到陰極組結(jié)構(gòu)設(shè)計之中,通過改變陰極鋼棒與陰極炭塊的連接方式及組裝形式,優(yōu)化陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)電解槽鋁液中水平電流與陰極壓降雙重大幅降低。一方面,采用電阻率和鈉膨脹系數(shù)更低、理化性能更均勻的石墨化陰極材質(zhì),有效降低陰極炭塊的原始物理壓降和因生產(chǎn)吸鈉等因素導(dǎo)致的陰極膨脹和壓降升高。另一方面,采用電阻率更低的生鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)炭糊連接鋼棒和陰極炭塊,并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和澆鑄工藝優(yōu)化,降低不同材料間接觸壓降[7]。

計算結(jié)果如圖4 所示,改造前采用30%石墨質(zhì)陰極炭塊和扎糊組裝的240 kA 電解槽鋁液中水平電流模擬設(shè)計值約為8 104 A/m2,陰極壓降約為295 mV。在采用石墨化陰極炭塊并結(jié)合新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化后,電解槽鋁液中水平電流模擬設(shè)計值降低至4 753 A/m2,陰極壓降降低至185 mV。技術(shù)升級改造后,即使電解槽運行電流強化至260 kA,鋁液中水平電流和陰極壓降仍可維持較低值,分別為4 869 A/m2和199 mV,電解槽的磁流體穩(wěn)定性得到大幅提升,極距空間有效釋放。

圖4 改造前后電解槽鋁液水平電流和陰極壓降(CVD)對比

2.2.2 長壽命、抗?jié)B透陰極組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

技術(shù)團隊還對陰極組結(jié)構(gòu)的電-熱-應(yīng)力多維耦合模型開展仿真研究,優(yōu)化陰極炭塊燕尾型鋼棒槽結(jié)構(gòu),有效消除澆鑄組裝過程中局部熱應(yīng)力集中,抵抗高溫鐵水熱沖擊。陰極組電-熱-應(yīng)力模型以及澆鑄組裝后的陰極組如圖5 所示。

圖5 陰極組電-熱-應(yīng)力仿真模型以及澆鑄組裝后的陰極組

為了增加陰極組抗?jié)B透性,在陰極炭塊下部新增防滲層設(shè)計,位于傳統(tǒng)防滲層以上,阻止電解質(zhì)向下滲漏。該設(shè)計既保證電解槽具有極高的磁流體穩(wěn)定性和極低的陰極壓降,又為電解槽陰極組和內(nèi)襯的長壽命提供保障。

2.3 內(nèi)襯熱平衡優(yōu)化設(shè)計

改造前的240 kA 電解槽采用傳統(tǒng)散熱型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著槽齡的增大,電解槽的區(qū)域與整體熱平衡情況普遍較差,工作電壓偏高,平均陰極壓降超過325 mV,非電解反應(yīng)區(qū)物理壓降和熱損失偏高;內(nèi)襯爐膛情況較差,電解槽底板溫度偏高。

上述母線優(yōu)化技術(shù)和新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用,為降低電解槽運行極距和電壓提供了基礎(chǔ),但電解槽能否長期在低極距、低電壓和更高電流密度下高效穩(wěn)定運行,還與內(nèi)襯熱平衡的匹配密切相關(guān)[8-9]。本項目優(yōu)化設(shè)計后的電解槽陰極壓降值較低,再疊加低極距運行,陰極區(qū)域產(chǎn)熱量相對較少;另一方面,由于全石墨化陰極炭塊導(dǎo)熱系數(shù)更大,導(dǎo)致陰極區(qū)域散熱量又相對較大。在此情況下,配套的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計必須盡量減少陰極區(qū)域底部和側(cè)部的散熱,以保障電解槽在低極距、低電壓和更高電流密度下的良好熱平衡,為延長電解槽內(nèi)襯健康壽命創(chuàng)造條件。

技術(shù)團隊利用精準(zhǔn)的熱平衡仿真模擬計算模型,通過全面升級內(nèi)襯底部、側(cè)部和角部等各功能區(qū)材料、結(jié)構(gòu)形式和砌筑工藝,并選擇具有良好保溫性能、耐熱沖擊、機械性能穩(wěn)定、耐電解質(zhì)及鈉蒸汽腐蝕的新型保溫材料和防滲材料,優(yōu)化內(nèi)襯熱平衡,以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀。

本項目優(yōu)化設(shè)計并強化電流后的電解槽內(nèi)襯熱平衡模擬溫度分布云圖和爐幫情況見圖6。模擬結(jié)果顯示:運行電流強化至260 kA 后,電解槽在3.945 V 左右的目標(biāo)電壓下,通過合適的工藝條件調(diào)節(jié),可以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀。

圖6 優(yōu)化設(shè)計并強化電流后電解槽溫度分布云圖和爐幫形狀

表1 列出了改造后電解槽電壓分布和熱損失情況。仿真模擬結(jié)果顯示,優(yōu)化設(shè)計后,非電解反應(yīng)區(qū)物理壓降和熱損失得到有效控制,電解槽平均電壓可大幅降低,從4.029 V 降低至3.945 V,且電壓分布和能量平衡情況良好。

表1 優(yōu)化設(shè)計后電解槽電壓分布和熱損失情況

2.4 節(jié)能環(huán)保型上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

本項目為節(jié)省改造成本,綜合評估后確定,最大化利舊原有陽極提升機構(gòu)、陽極大母線、門型立柱和大梁主體結(jié)構(gòu);但上部結(jié)構(gòu)集氣系統(tǒng)由下煙道集氣結(jié)構(gòu)升級為上煙道集氣結(jié)構(gòu),以降低排煙阻力和提高集氣效率。

技術(shù)團隊通過仿真軟件對新設(shè)計的上煙道集氣結(jié)構(gòu)進行建模和計算,優(yōu)化上煙道各個集氣罩相對位置,使電解槽長度方向集氣更加均勻。借助仿真模擬手段對煙氣壓力和流場分布進行循環(huán)優(yōu)化,新設(shè)計的上煙道集氣系統(tǒng)負(fù)壓為191 Pa,遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)下煙道形式的320 Pa 左右,大幅度降低了集氣煙道壓力損失和系統(tǒng)風(fēng)量,從而有效降低凈化系統(tǒng)電耗。此外,將煙道中煙氣流速控制在13～15 m/s,匯總煙管出口煙氣流速控制在17～18 m/s,避免含塵煙氣的沉積。

優(yōu)化設(shè)計后的集氣系統(tǒng)煙氣壓力和流場分布仿真計算結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 優(yōu)化后上部集氣系統(tǒng)負(fù)壓分布

圖8 優(yōu)化后上部集氣系統(tǒng)流動場分布

2.5 精細(xì)化燃?xì)獗簾龁蛹夹g(shù)

該系列電解槽采用雙陽極配置,改造前一直采用焦粒焙燒啟動方式,焙燒過程中電流分布難以均勻控制,且耗電量偏高。

結(jié)合改造后全石墨化陰極電阻率低、發(fā)熱少散熱快的特點,且考慮到小容量槽型焙燒過程中槽底上拱量相對較小,將焦?fàn)t焙燒啟動方式調(diào)整為可均勻控溫、更加節(jié)省電能和降低成本的精細(xì)化燃?xì)獗簾簾龁臃绞健２扇∪缦麓胧﹥?yōu)化焙燒過程溫度控制,防止升溫過快或局部過熱導(dǎo)致碳素材料內(nèi)部熱應(yīng)力集中,產(chǎn)生過多孔隙、裂縫或損傷。

1)采用階段式升溫制度;

2)200～300 ℃是電解槽附著水的主要排除階段,適當(dāng)放緩升溫速率,給予充分的緩慢排水時間;

3)600～700 ℃是碳素材料集中焦化的時期,同樣適當(dāng)放緩升溫速率,保證充分焦化。

4)焙燒總時間從72 h 延長至96 h,適當(dāng)壓縮目標(biāo)溫度950 ℃高溫段的保溫時間至3 h 以內(nèi)。

2.6 低鋁水、低電壓精準(zhǔn)生產(chǎn)工藝管理技術(shù)

結(jié)合改造后石墨化陰極電解槽電熱平衡的設(shè)計要求和現(xiàn)場實際,技術(shù)團隊和生產(chǎn)管理團隊共同商定并嚴(yán)格執(zhí)行精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化管理方案,打破國內(nèi)系列化電解槽普遍采用高鋁水生產(chǎn)現(xiàn)狀,將實際生產(chǎn)運行管理與電解槽設(shè)計理念有機結(jié)合,率先開發(fā)出低鋁水、低電壓精準(zhǔn)生產(chǎn)工藝管理技術(shù)。進入正常生產(chǎn)穩(wěn)定期后,改造前后電解槽的主要生產(chǎn)運行工藝條件對比如表2 所示。

表2 改造前后電解槽正常生產(chǎn)穩(wěn)定期工藝條件窗口對比

3 技術(shù)應(yīng)用效果

改造升級后的260 kA 電解槽已于2022 年8 月陸續(xù)投運,截止到目前,電解槽已穩(wěn)定運行超過200天,考察期(近2 個月)內(nèi)電解槽主要工藝技術(shù)指標(biāo)平均值與改造前的對比情況如表3 所示。

表3 改造前后電解槽主要工藝技術(shù)指標(biāo)平均值對比

考察期內(nèi),電解槽平均陰極壓降198 mV,完成電流效率94.35%,完成鋁液直流電耗12 463 kW·h/t-Al。改造后的系列電解槽表現(xiàn)出了明顯的節(jié)能優(yōu)勢,平均鋁液直流電耗與升級前相比降低了近880 kW·h/t-Al,電解槽運行電流由240 kA 強化至260 kA,陽極電流密度由0.733 A/cm2提高至0.794 A/cm2,年原鋁產(chǎn)能增加近14 000 t,獲得了經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

借助采用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計的高穩(wěn)定性磁場升級技術(shù)、新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)和“健康長壽命”內(nèi)襯熱平衡技術(shù),可有效提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性,并實現(xiàn)鋁液水平電流和陰極壓降雙重大幅降低,為電解槽在低極距、低電壓和更高電流密度下穩(wěn)定運行創(chuàng)造條件。

在不改變現(xiàn)存電解鋁廠主體布局的情況下,對該240 kA 系列電解槽的母線、內(nèi)襯和上部結(jié)構(gòu)實施針對性的改造升級,改造后的系列電解槽平均鋁液直流電耗與改造前相比降低了近880 kW·h/t-Al,且運行電流由240 kA 強化至260 kA,陽極電流密度由0.733 A/cm2提高至0.794 A/cm2,年原鋁產(chǎn)能增加近14 000 t,節(jié)能增產(chǎn)效果顯著。該技改項目的實踐,對其他現(xiàn)存電解鋁廠的技術(shù)升級、節(jié)能增效具有一定的參考意義。