500_kA电解槽工艺深度节能技术研究与应用_高文义.pdf

Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY2020 年，我国电解铝产量 3 724.46 万 t，占2020 年全社会用电量 75 110 亿 kWh 的 6.7%。中国是全球最大的原铝生产国，已经连续数年电解铝产量占全球年总产量的一半以上。电解铝工业则是有色行业中的传统耗能大户，电解铝高耗能的现状与国家提出的绿色发展以及建设资源节约型、环境友好型社会等发展理念不吻合1。电解铝产能达峰成为碳达峰的关键行业之一。同时，近年来国家的供给侧改革已见成效，供给端产能增加有限，需求端汽车轻量化、清洁能源用铝需求增加，供需抽紧催生了高吨铝利润行情，机遇与挑战并存，电解铝企如何实现减碳排放，低耗生产成为了企业生存的关键。在国家发改委发布完善电解铝行业阶梯电价政策颁布后，各铝企在积极寻找进一步降低铝液能耗的技术和思路。1深度节能电解槽技术路线在国家“碳达峰”及阶梯电价的政策背景下，如何为电解铝企降低能耗，最优化资源利用成为了铝电解技术首要解决的问题；近年来，一直致力于铝电解槽深度节能技术的研究及应用，经过*收稿日期：2022-06-17作者简介：高文义（1973-），男，河南永城人，工程师，主要从事金属冶炼安全生产管理和技术研究工作。Feb.2023Vol.52.No.1（Sum 298）2023 年 2 月第 52 卷第 1 期（总第 298 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY500 kA 电解槽工艺深度节能技术研究与应用*高文义，张坤，王攀，练新强（云南神火铝业有限公司，云南 文山 663000）摘要：从 500 kA 电解槽的整体设计、内衬材料的选择、筑炉施工、焙烧启动的管理、电解槽控制技术及全生命周期的工艺管理等，详细介绍了 500 kA 电解槽深度节能技术包。在大修材料、生产用原材料质量保证的前提下，对节能阴极结构技术进行改造及 500 kA 系列电解槽整体升级，技术改造升级后电解槽运行电压3.93 V，电流效率93%，满足了 2025 年阶梯分档标准电价 13 300 kWh 的要求。关键词：电解铝；电解槽；深度节能；技术包中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）01-0120-06Study and Application on Deep Power Down Technologyof 500 kA Electrolytic Cell ProcessGAO Wen-yi,ZHANG Kun,WANG Pan,LIAN Xin-qiang(Yunnan Shenhuo Aluminum Co.,Ltd.,Wenshan,Yunnan 663000,China)ABSTRACT：The deep power down technology package of 500 kA electrolytic cell process is introduced in detailed from thefollowing aspects,the overall design of 500 kA electrolytic cell,the selection of lining materials,furnace building construction,management of roasting start-up,process management of control technology and life time of electrolytic cell and so on.The energy savingcathode structure technology was transformed,and the overall upgrading of 500 kA series electrolytic cell was carried out on the premiseof quality assurance of overhaul materials,raw materials for production,when the technology transformation and upgrading was finished,the operation voltage of electrolytic cell3.93 V,the current efficiency 93%,it can meet the requirements of tiered standard electricityrates of 13 300 kWh in 2025.KEY WORDS：electrolytic aluminum;electrolytic cell;deep power down technology;technology package130张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用多年来在国内外多个企业的研究试验，已形成了一套完整的电解槽节能降耗技术，该技术从电解槽的整体设计、内衬材料的选择、筑炉施工、焙烧启动的管理、电解槽控制技术及全生命周期的工艺管理入手，全方位、系统地对电解槽进行整体优化，对电解槽的设计、施工及生产运行各环节进行精准控制，形成了一套深度节能电解槽技术路线，见图 1 所示。深度节能电解技术包以电解槽“静态平衡”设计为基础，应用国际先进的电热仿真计算手段，并根据不同的阴极材质及组装技术特点进行差异化设计，针对全石墨化阴极组装技术的散热特点进行整体的等温线优化升级，有效提高了全槽的能量利用率，在电解槽的“动态”能量平衡方面，采用的“多参数”平衡控制系统，实现电解槽“静态”平衡与“动态”平衡的最佳匹配。同时，深度节能电解技术包对内衬材料的质量、筑炉施工、焙烧启动非正常期的控制及生产运行的工艺技术全过程精准控制管理，确保电解槽的各环节均满足要求，并搭配适合于全石墨化阴极2内衬技术的工艺技术条件，发挥出全石墨化阴极技术的节能优势，提供一条科学系统的节能降耗之路。预期技术经济指标：针对目前某企业 500 kA电解槽的特点，采用全石墨化阴极技术，并系统地搭配深度节能电解槽整体技术包，通过优化升级，电解槽正常运行的情况下达到的指标，如表 1所示。1.1深度节能电解槽内衬结构为了进一步实施低电压生产工艺，必须优化电解槽阴极内衬结构3。深度节能电解槽内衬结构以节能降耗为最终目标，通过国际先进的仿真计算平台及实践相结合，针对全石墨化阴极的电阻及散热特点，对电解槽静态平衡及等温线分布进行整体优化，以获得良好的炉膛类型及合理的等温度线分布，同时对阴极结构进行优化，采用新型低碳高导电钢棒降低阴极组压降的同时减少槽图 1电解槽深度节能技术包Fig.1Deep power down technology package of electrolytic cell序号项目技术指标备注2电流效率/%93.53直流电耗/（kWh/t Al）12 5001电压/V3.92表 1电解槽正常运行的情况下达到的指标Tab.1Indicators of normal operation of electrolytic cell高文义，等：500 kA 电解槽工艺深度节能技术研究与应用131Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY图 2等温线分布云图Fig.2Isotherm distribution diagram800 等温线900 等温线内水平电流，有效降低铝液波动，改善电解槽稳定性。1）等温线优化技术。合理的炉膛内型是电解槽稳定高效生产的关键，如何形成合理炉膛的同时提高电解槽的能量利用率则是电解槽内衬设计的核心。深度节能电解槽技术阴极选用了全石墨化阴极，其电导率及热导率均要高于传统阴极，全石墨化阴极理化指标如表 2 所示。从理化指标来看，全石墨化阴极在正常工作时电阻率是 30%阴极的 1/3，热导率是 30%阴极的（510）倍，采用了全石墨化阴极后，内衬结构若不相应调整，则会导致阴极表面的温度下降，炉底形成大量的伸腿及沉淀，难以达到有效降低电压的目的。因此，在内衬设计中充分考虑了全石墨化阴极的特点，根据各个区域的散热特点进行了分区域的保温，优化等温线分布，确保 800 等温线位于保温层上表面，及 900 等温线位于阴极下表面的安全位置，同时最大化地提高电解槽的能量利用率，实现电解槽节能降耗的目的，如图 2 所示；50%石墨化 100%石墨化32132411性能指标单位30%石墨化P41电阻率（20 ）Mm30导热率（30 ）MW/(mK)1219125P1014100导热率（1 000 ）MW/(mK)131450P1213401811电阻率（1 000 ）Mm22P302613表 2全石墨化阴极性能指标Tab.2Performance indicators of fully graphitized cathode2）侧部设计。电解槽的侧部散热占全槽散热的百分之三十左右，同时对电解槽炉帮的形成以及电解槽侧部的安全都至关重要。考虑到试验槽全石墨化阴极的散热特点，以及在 3.92 V 电压下侧部能形成一个合理的炉膛，在侧部适当加强保温，减少侧部热支出，并形成一个合理的炉膛内型，如图 3 所示；3）底部设计。采用了全石墨阴极及磷生铁浇筑技术后，底部的发热减小，散热增大，在底部及侧下部等位置不同的加强保温，利用减小底部伸腿及沉淀。底部由下往上结构如图 4 所示。深度/m0.90.80.70.60.50.40.30.20.10侧部块0.81.01.21.41.61.82.02.2宽度/m伸腿长：0.101 46 伸腿高：0.030 532 炉帮厚：0.138 44覆盖料阳极炭块电解质铝水结壳扎湖图 3炉膛内型模拟Fig.3Furnace hearth analog132张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用高强纳米隔热板硬硅钙石板高强保温砖钢板图 4电解槽底部结构Fig.4Bottom structure of electrolytic cell通过适当的底部保温，扼制伸腿的发育及炉底沉淀的形成，发挥全石墨化阴极的优势，炉底及全槽的等温线分布更加合理；4）全石墨化磷生铁阴极结构新型阴极结构，新式阴极钢棒等技术大幅度减少了水平电流，大大提高了电解槽的稳定性，为大型预焙槽的节能技术指标的实现提供了有力支持4。深度节能电解槽技术的阴极结构采用全石墨化阴极及磷生铁浇筑搭配低碳高导电钢棒整体使用，全石墨化阴极因较低的电阻及良好的抗热震性能5，降低阴极压降的同时提升了阴极的安全性；磷生铁浇筑技术可有效降低阴极的连接压降，在端头处做抑制水平电流处理可有效改善电解槽的磁流体稳定性。1.2阳极区域节能优化1）高导电节能钢爪。针对目前铝企使用的普通铸造钢爪压降偏高的问题，从钢爪的材料，熔炼，铸造工艺入手进行优化，采用新型低碳合金钢种，精密铸造工艺，对钢爪结构进行优化，并在阳极及钢爪的表面喷涂抗氧化涂层，防止钢爪氧化的同时增加阳极的换极周期，试验槽建议全槽采用高导电节能钢爪，可有效降低钢爪压降15 mV；2）减小电解槽上部散热损失。铝电解槽的能量平衡是电解槽平稳运行的关键所在，也是制约铝电解槽节能的关键所在。铝电解槽上部散热主要为槽罩散热和上部结构散热，从统计数据来看，电解槽上部散热约 1 V 占电解槽的上部散热占电解槽全部散热的 55%左右6，减小电解槽上部散热损失，提高电解槽的能量利用率，对电解槽的节能降耗至关重要。减少上部散热的主要途径为优化覆盖保温料并采用新型节能槽罩。1.3新型节能槽罩通过对 500 kA 级电解槽的能量平衡测试可知，采用普通槽罩的散热量在 250 mV 左右，占上部散热的 25%。试验槽需采用新型节能保温槽罩，新型保温槽罩采用了轻量化设