啟明星鋁業鋁電解槽節能技術應用實踐

（四川啟明星鋁業有限責任公司，四川眉山 620041）

我國電解鋁產量自2002年起連續十四年全球第一，2018年我國電解鋁產量為3580萬噸[1]。隨著電解鋁產量的提升，其消耗的電能也大大的增加。據相關部門統計，在我國有色金屬加工行業中電解鋁工業所消耗的電能達到了整個行業耗電總量的67.2%，約占我國電力總消耗量的4.93%[2]。由于電解鋁生產過程中電力的消耗費用逐年提高，使得電力費用在電解鋁生產過程中的成本比例達到了40%以上，而國外電解鋁的生產成本中電力成本只占25%左右，無法與國外企業形成有效的競爭，從而導致電解鋁廠產生的經濟效益低下。因此，有效的控制電解鋁生產過程中的電力成本，加強節能降耗技術的應用，是提高我國電解鋁廠市場競爭力，提高我國電解鋁廠經濟效益的有效措施。

1 鋁電解節能途徑分析

以下是每噸鋁直流電耗公式：

從公式（1）中可以看出，通過降低電解槽平均電壓，或者提高電解槽電流效率，能有效降低噸鋁直流能耗。

根據噸鋁直流能耗公式（1）可知，當電解槽平均電壓處于穩定不變的狀況時，每提高電解槽電流效率1%，就可使噸鋁直流能耗有效的降低140千瓦時。但是電解槽電流效率與電解槽陰極鋁液的面積、鋁在電解質溶液中的擴散度、電解質的濃度、鋁液的流速、電解質溶液的流速、電解槽中陰陽兩極之間的距離以及鋁在電解質溶液中的濃度等因素有關[2]。

通過噸鋁直流能耗公式（1）可知，降低電解槽平均電壓，也可有效的降低噸鋁直流能耗，因此，有效的降低電解槽平均電壓也成為了我國電解鋁廠降低噸鋁直流能耗的重要途徑。

圖1 槽電壓及其電壓和電能分配

本文選取目前最具有代表性的現代電解鋁工業電解槽平常槽電壓組成示意圖[5]。從圖1中可知，影響電解槽平均電壓的根本因素是在電解槽示意圖中占比達到38%的電解質電壓降。因此，要想有效的降低電解槽平均電壓，首先就要降低電解質電壓降，而電解質電壓降的大小又受到電解槽兩極之間的距離所影響。

但是當極距降低到某一程度時，會使得電解槽電流效率出現大幅的下降，如圖2所示[4]。

圖2 電流效率與極距的關系

2 降低槽電壓關鍵節能技術的應用

2.1 不停電狀態下電解槽母線改造技術

目前，在電解槽強磁場與大電流的環境下進行早期母線配置的改造，屬于世界性難題。針對這一技術問題，四川啟明星鋁業公司通過大量的研究與實驗從而發明出了一種在電解槽不斷電的狀態下對其母線配置進行改造的方法。

從圖3中可以清晰的看出，電解槽母線改造對鋁液波動影響變化十分明顯，在其改造前對于鋁液的影響波動的最大值為44Gauss，而改造其最大值則為25Gauss，直接下降了43%。另外，改造后電解槽母線壓降降低35mV，電解槽停槽壓降降低65mV。

2.2 凸型陰極結構電解槽技術

在進行實驗室模擬實驗室發現：傳統的電解槽其鋁液的波動幅度最高可達5.9mm，在使用陰極異型凸臺后，其鋁液的波動幅度的最大值為4.8mm，較之為使用異型凸臺的電解槽鋁液波動幅度減低了18.6%[6]。同時由于鋁液波動幅度的減小，電解槽兩極之間的極距也能得到有效的減小。

圖3 電解槽母線改造前后其鋁液層磁場變化柱形圖（單位：Gauss）

圖4 母線改造前后電解槽母線壓降、停槽壓降變化情況(單位：mv)

當對電解槽陰極的結構進行優化后，在其鋁液的水平出現下降后，其流速也下降了15%左右。因此，凸型陰極槽的應用，可以有效降低電解槽內鋁液波動幅度以及流動速度，從而為降低電解槽平均電提供了有利的條件。

2.3 全保溫型電解槽內襯結構技術

在低電壓狀態下對鋁電解槽進行熱電數學模型解析，同時對不同結構與不同工藝的鋁電解槽的熱場進行系統的計算與分析，從而對其外殼形狀、殼外溫度以及在其表面形成的熱流場有著清晰的認識，進而得出電解槽在低電壓狀態下，傳統的底部保溫、側部散熱的設計，無法有效地對其進行保溫。只有不斷優化和加強其底部保溫，同時也需將其側部設計由散熱轉變為保溫，從而形成全方位的全保溫設計理念，提升電解槽的保溫性能。

從圖5中可以看出，在進行保溫改造前，電解槽各區域的平均溫度到達了183℃。但是通過加強保溫后，各區域的穩定明顯下降了40℃，這樣說明電解槽在進行電解槽保溫加強后，其散熱溫度明顯降低。

圖5 電解槽保溫前后槽殼表面溫度變化情況對比（單位：℃）

2.4 預焙陽極深度開槽技術

通過對電解槽周圍電解質流場進行科學的計算，將其中多余的陽極氣體進行排放，然后在進行電解槽陽極的深度開槽，從而促進陽極碳塊氣膜電阻壓降的降低。

圖6 不同陽極碳塊壓降對比（單位：mV）

通過預焙陽極深度開槽技術，使其開槽深度達到300mm，占整個陽極電解槽高度的50%，比之未進行開槽的陽極電解槽其陽極碳塊的壓降明顯的下降了62mV。因此，陽極深度開槽技術，可以有效的降低電解槽陽極電壓。

3 保障低電壓下電解槽取得較高電流效率的關鍵節能技術的創新應用

在低電壓實際生產中，隨著電壓降低，能量輸入減少，電解槽過熱度減小，電解槽在高鋁水和低過熱度條件下加劇了爐底沉積的形成，以及側部出現伸腿過長等冷態化現象，嚴重的影響電解槽的運行狀態。

因此，在電解槽低電壓工藝的實施應在其內部低鋁水的情況下進行。四川啟明星鋁業在2006年開發成功的能量與物料雙平衡鋁電解槽計算機控制技術，已不適合鋁電解槽的低電壓生產運行需要，必須進行參數優化。要確保電解槽穩定高效健康運行，必須建立適宜的工藝技術規范，雙平衡控制技術才能建立合適的計算機控制規范。如前所述電流效率不僅是控制的結果，也是制定其他技術規范的基礎。不同電流效率需要不同的工藝技術參數的組合見表1，為克服低電壓低過熱度的影響，對電解槽進行保溫措施以減少熱損失，以及生產中工藝技術的及時調整，從而有效的對其在運行的過程中電壓與熱損失的穩定狀態進行判定。

表1 工藝技術規范示意表

4 節能的總體效果

4.1 降電壓效果

通過對上訴關鍵技術進行研究分析，可知當電解槽電流效率的損失低于3%時，對其進行整體的將電壓節能技術可以將電解槽平均電壓有效的從4.22V降至3.87V，其陰陽兩極的距離也由5cm以上降至4.2cm～4.5cm。同時電解質壓降也降低至250mV，其他部位的壓降也有著明顯的下降。通過對能量和物料雙平衡控制技術的創新應用，使得試驗槽的電流效率能夠長期穩定在92%以上。

4.2 節能效果

表2 節能技術應用前后節能效果對比

5 結論

通過上述電解槽四場優化節能技術的開發應用，將試驗電解槽槽電壓由4.22伏降低到3.87伏，電流效率保持在92%以上，由此實現噸鋁能耗降低約730kW·h/t-Al。