雙碳背景下鋁電解綠色低碳技術體系構建

曹 曦,胡紅武,劉雅鋒,劉 偉,王 旋

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

電解鋁行業在目前雙碳戰略形勢下所面臨的碳排放壓力愈發增大,尤其是2021年8月26日國家發展和改革委員會印發了《關于完善電解鋁行業階梯電價政策的通知》(發改價格[2021]1239號)后[1],節能降碳成為當前電解鋁企業生存和發展的首要議題。

2020年我國電解鋁行業平均綜合交流電耗為每噸13 543 kWh[2]。按照上述政策要求,假定某電解鋁企業目前的能耗水平為全行業平均值13 543 kWh/t-Al,則其自2022年起各年度的電價加價及噸鋁液電力成本增量如下表所示,到2025年成本增加將達到1 761元/t,這將會顯著增加鋁廠的生產成本。

為有效的解決該問題,沈陽鋁鎂設計研究院有限公司(以下簡稱沈陽院)形成了一整套系統完備、科學規范的綠色低碳深度節能鋁電解技術體系,有助于緩解電解鋁生產企業的節能降碳壓力,同時提高電解生產的安全性和穩定性。

表1 電解鋁電價加價及電力成本增量估算

*注:電價加價計算如下:根據文件要求,自2023年起,分檔標準調整為每噸13 450 kWh(不含脫硫電耗)。按照全行業平均值13 543 kWh/t-Al計算,高于2023年分檔標準93 kWh/t-Al。則電力成本增量計算如下:(13 543-13 450)/20×0.01=0.05元/kWh(向上取整)。電力成本增量為0.05×13 543=677.15元。

1 沈陽院綠色深度節能鋁電解技術體系

沈陽院綠色低碳深度節能鋁電解技術體系包括電解槽設計技術、工程設計技術和數字化電解槽控制技術等板塊。該技術體系的總體思路是:以多物理場仿真研究為理論指導,以工業化試驗、現場測試為技術驗證手段,著手于磁流體穩定性提升、良好熱平衡維持和系統性節能降耗三個關鍵方向,并與生產操作管理緊密結合,開發了鋁電解槽工藝本質節能技術體系。

2 磁場和磁流體穩定性提升

2.1 磁場原位升級技術

早期設計的電解槽槽型(2008年以前)受限于當時的磁場設計水平,或者某些槽型磁場存在一定缺陷,導致這些槽型已經無法適應目前愈加嚴格的能耗要求。為了徹底的解決磁場問題,顯著提高電解槽的磁場設計水平及分布均勻性,沈陽院開發了針對存量市場的磁場原位升級技術,該技術在不影響系列電流、保留現有電解槽上部結構、槽殼、支墩、基礎及槽周空間的條件下,對磁場進行系統性的升級優化。

表2是沈陽院對國內某330 kA電解系列進行的磁場原位升級技術效果,從表中數據可以看到,磁場平均值降低了65%以上,2、3象限平均降低了73%以上,磁場大小及分布均勻性得到了大幅度提升。磁場的優化升級將顯著減小鋁液-電解質界面變形,從而大幅提高電解槽的磁流體穩定性[3]。

表2 某330kA電解槽磁場原位升級后垂直磁場對比 Gs

2.2 網絡化自均衡母線技術

大容量電解槽在運行時經常會出現以下問題:

1) 單臺槽發生陽極效應時,會影響上下游相鄰槽發生效應或波動;

2) 單臺槽發生異常擺動時,會影響上下游相鄰槽發生擺動;

3) 換極后,電解槽出現穩定性降低現象;

4) 單臺槽停槽期間,上下游電解槽出現穩定性降低現象。

當本槽出現不穩定狀況時,鋁液層中的電流分布出現很大偏差,而傳統母線結構不能有效矯正這種電流分布的不平衡,于是波動電流通過陰極母線傳遞到上下游槽誘發連帶效應。電流容量越大,這種相互干擾就越強。

為解決上述問題,網絡化自均衡母線技術應運而生。網絡化自均衡母線通過非區塊化配置方式能夠矯正陽極大母線、陽極組、鋁液層電流分布偏差,阻斷了非穩定狀態下(包括停槽期間、效應期間、異常擺動期間等)波動電流在電解系列中的傳導,大幅提高了電解槽的操作穩定性和抗干擾能力。

如表3和圖1所示,采用該技術之后陽極效應期間和異常擺動期間電流分布偏差降低了70%。同時圖2顯示了,采用了該技術之后上游槽A側電流偏差最大值從13.53%降低到9.23%,平均值從5.15%降低到2.01%;上游槽B側電流偏差最大值從14.12%降低到6.86%,平均值從4.73%降低到2.02%,也即是說短路狀態下上游槽中電平衡均衡性可提高約60%左右。

如圖3所示,該技術在電解槽的陰極母線上形成等勢體,抑制由于鋁液/電解質界面變形產生的水平電流,進而大幅度提高電解槽磁流體穩定性。瞬態磁流體穩定性模擬顯示采用該技術后,在保持同樣的磁流體穩定特性下,電解槽的極距可進一步降低。如圖3所示,瞬態磁流體穩定性模擬顯示采用該技術后,在保持同樣的磁流體穩定特性下,電解槽的極距可降低4 mm。

圖1 擺動期間電流分布偏差對比

表3 擺動期間電流分布偏差對比

圖2 停槽期間上游槽電流分布偏差對比

圖3 電解槽安全極距對比

3 內襯及熱平衡設計

3.1 石墨化陰極應用技術

石墨化陰極炭塊具有較低的電阻率,其室溫電阻率比30%石墨質炭塊低69%,比50%石墨質炭塊低63%。石墨化陰極炭塊電阻低,可以降低其物理壓降,實現節能降耗。同時,由于石墨化陰極炭塊具有較低的鈉膨脹率,可以更好地阻礙鈉通過炭塊進入鋼-炭接觸面,并與冰晶石反應形成增加鋼-炭接觸電阻的鋁鐵合金和氟化鈉。因此,石墨化陰極炭塊的陰極壓降隨生產時間的增長更平緩。

沈陽院在2015年的500 kA試驗槽上采用了石墨化陰極結合新式節能陰極結構技術的方案,為期2年半的持續跟蹤數據顯示,陰極壓降長期穩定在180～190 mV之間,電流效率相比對比槽也提高了0.88個百分點,石墨化陰極的節能效果凸顯。在某SY500電解系列中,電解槽全部采用石墨化陰極結合新式節能陰極結構技術,電流效率>94%,陰極壓降<200 mV。需要說明的是,該系列半數電解槽經過了二次啟動,電解槽技術指標良好。

3.2 復合嵌銅鋼棒技術

采用鋼棒插銅或者鋼棒嵌銅方式對電解槽陰極組結構進行優化,通過調整銅和鋼的結合形式及加銅質量,既能夠實現鋁液中水平電流的大幅度降低,也能夠實現較低的陰極壓降,既能提高電解槽磁流體穩定性,又能降低能耗。國外鋁業公司(如海德魯、美鋁、EGA等)已經開始使用這種技術措施,我國發展和應用這項技術時間較晚。沈陽院較早開展這項工作,在國內某500 kA電解槽試驗復合加銅鋼棒技術。2臺試驗槽于2015年10月通電啟動,運行指標平穩,陰極壓降保持在150～170 mV,直流電耗小于12 450 kWh/t-Al,槽壽命已超過3 000天。

圖4 嵌銅鋼棒技術陰極壓降對比

3.3 燃氣預熱陰極組裝技術

生鐵澆鑄陰極組裝技術節能效果同樣顯著[4],但必須采用專用的加熱裝備實現陰極炭塊組的預熱,如果炭塊和鋼棒預熱溫度不足或溫度分布不均勻,在澆鑄過程中產生的熱沖擊將使陰極炭塊產生大裂紋以至無法使用。同時澆鑄過程產生的微裂紋、內裂紋也可能在電解槽生產過程中惡化,進而造成電解槽早期破損。如圖5所示,不同材質炭塊鋼棒槽角部產生應力隨時間的變化曲線不盡相同,必須精確控制各個工藝技術條件。

沈陽院自主研發了先進的澆鑄工藝論和燃氣預熱裝置等裝備,通過系統性燃控系統試驗、加熱試驗、循環溫升溫控試驗、澆鑄試驗等,形成了一整套成熟的陰極組裝、生鐵澆鑄工藝及配套管控技術和裝備,生鐵澆鑄組裝成功率>99.9%,天然氣用量<50 m3/塊,比電加熱節省成本約～30%。

圖5 鋼棒槽角部產生應力隨時間的變化曲線

3.4 內襯結構及熱平衡優化

內襯熱平衡設計和結構優化是電解槽能夠節能、穩定運行的基本保障。沈陽院內襯的熱平衡設計首先與電解槽磁場設計和磁流體穩定性的目標窗口相匹配,在保證電解槽運行安全性的前提下,提供電解槽在較低極距條件下仍處于良好的熱平衡狀態,為“長健康壽命”高性能運行的奠定有力的技術條件。

針對陰極壓降低、石墨化陰極導熱快等特點,新的設計形式選擇具有良好的保溫性能、耐電解質及蒸汽腐蝕的保溫材料,在陰極電壓大幅度降低的情況下保證區域及整體的熱平衡,并且以合理的散熱分布和結構設計,以及合格材料保證電解槽長期穩定、安全運行,并最終以良好的爐膛內形反哺促進提高磁流體穩定性。

4 雙側精準集氣技術

為了更好地滿足節能、環保要求,沈陽院開發了雙側精準集氣技術。電解槽上部結構中采用兩側多點集氣煙道形式,每個火眼都有兩個專屬的集氣罩(分別位于每個錘頭兩側)直接負責煙氣收集,與以往垂直分區多段集氣形式相比,新的設計形式進一步降低煙道壓力損失49 Pa(以SY500電解槽為例,由189 Pa降低至140 Pa),不僅有利于更有效地煙氣收集,還可以在同等集氣效果的前提下,有效降低電解槽單槽排煙量及凈化系統實際能耗。

圖6 雙側精準集氣技術

5 高質量開槽陽極設計

陽極開槽在國際上也已經是常規技術應用,但因為國內陽極質量的原因,并未大規模應用。以往試驗研究表明,陽極開槽對降低電解槽壓降有著約50 mV的潛在效果,正適合低電壓、高效率的技術要求。沈陽院根據行業內開槽陽極技術的應用情況及效果,并通過優化陽極開槽的具體形式,如開槽方式、開槽深度、兩開槽間距等,確定具體開槽方案,進一步發揮該技術的節能潛力。如圖8所示,經過優化開槽方式后,采用氣體體積分數加權平均的方式,發現未開槽陽極底部的平均氣相率為11.1%,而開槽陽極底部的氣相率僅為2.3%,氣相率的大幅度降低對槽電壓的節能降耗能起到積極的作用[5]。

圖7 雙側精準集氣技術效果

圖8 距離陽極底面10mm截面流場分布

6 相匹配的生產工藝技術條件窗口

電解生產過程中需要進行陽極更換、出鋁、熄滅陽極效應和抬母線等操作,也需要對鋁水平、電解質水平、分子比、陽極電流分布和極距等工藝參數進行管控。電解生產操作及管理水平是決定電解槽能耗的關鍵一環,為此沈陽院針對每種槽型技術均提出了規范化的材料技術要求、金屬結構制作規程、內襯筑爐規程、焙燒啟動規程、非正常期管控技術條件和正常期工藝技術條件窗口,可借此通過操作水平和管理思路的優化調整,匹配電解槽工藝技術條件設計窗口,在較大程度上實現降低電耗的目的。

7 應用情況

沈陽院連續在180、200、240、330、350、400、500和600 kA多個槽型上應用了綠色深度節能技術體系進行節能降耗工作,某些現場應用效果如表4和表5所示,采用石墨化陰極的試驗槽直耗達到了12 300 kWh/t-Al以下,采用石墨化陰極結合嵌銅鋼棒的試驗槽達到了12 200 kWh/t-Al以下;采用

表4 綠色低碳技術體系試驗槽應用效果統計

表5 綠色低碳技術體系全系列應用效果統計

該技術全系列推廣后,系列電解槽直耗<12 500 kWh/t-Al,同時陰極壓降均在200 mV以下。應用企業在這些試驗槽的基礎上,也已經利用大修槽進行了技術推廣,緩解電解鋁生產企業的節能降碳壓力[6-9]。

8 結 論

電解鋁行業在面對日益嚴格的能耗和環保政策形式下,生產成本和企業生存面臨著較大的壓力。沈陽院綠色深度節能鋁電解技術體系從電解鋁工藝本質入手,顯著提升了電解槽性能,節約運行成本,提高電解生產的安全性和穩定性,并在國內多條電解系列中應用,直流電耗最低達到了12 200 kWh/t-Al以下,推廣后整系列達到12 500 kWh/t-Al以下。這不論是在提高企業核心競爭力,還是在節約能源、降低溫室氣體排放方面,經濟和社會效益都十分顯著。