NEUI600 铝电解成套装备技术开发及应用.pdf

2023年8月上 世界有色金属1NEUI600+铝电解成套装备技术开发及应用班允刚1，景伟2，刘剑飞2，刘靖1，王尚元1（1.东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 6；2.云南宏合新型材料有限公司，云南 红河 6 5 2 4 0 0）摘 要：与国际综合一流电解槽技术相比，我国大容量铝电解槽技术还存在着：阳极电流密度较低、槽寿命较短和劳动生产率较低等“三大差距”，也是我国大容量铝电解槽技术“大而不强”的关键性技术难题。东大院与宏桥集团强强联合，开发具有国际先进水平的NE UI 6 0 0+铝电解成套装备技术；该技术具有单槽容量最大、能耗最低、排放最低、占地最少等优点；项目能耗指标、自动化程度均领跑行业，致力打造中国绿色铝电解技术应用和低碳铝生产的行业标杆工程。关键词：铝电解槽；NE UI 6 0 0+；低碳铝；节能中图分类号：T F 8 1 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 5-0 0 0 4-3Development and application of complete equipment technology for NEUI600+aluminum electrolysisBANYun-gang1,JINGWei2,LIUJian-fei2,LIUJing1,WANGShang-yuan1(1.No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y E n g i n e e r i n g&Re s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,S h e n y a n g 1 1 0 1 6 6,C h i n a;2.Y u n n a n Ho n g h e Ne w Ma t e r i a l C o.,L t d.,Ho n g h e 6 5 2 4 0 0,C h i n a)Abstract:C o mp a r e d w i t h t h e i n t e r n a t i o n a l c o mp r e h e n s i v e f i r s t-c l a s s e l e c t r o l y t i c c e l l t e c h n o l o g y,t h e r e a r e s t i l l t h r e e ma j o r g a p s:l o w a n o d e c u r r e n t d e n s i t y,s h o r t c e l l l i f e a n d l o w l a b o r p r o d u c t i v i t y,w h i c h a r e a l s o t h e k e y t e c h n i c a l p r o b l e ms o f b i g b u t n o t s t r o n g .NE UI a n d Ho n g q i a o G r o u p j o i n t l y d e v e l o p t h e i n t e r n a t i o n a l a d v a n c e d l e v e l o f NE UI 6 0 0+a l u mi n u m e l e c t r o l y s i s c o mp l e t e e q u i p me n t t e c h n o l o g y;T h e t e c h n o l o g y h a s t h e a d v a n t a g e s o f ma x i mu m c a p a c i t y o f s i n g l e t a n k,l o w e s t e n e r g y c o n s u mp t i o n,l o w e s t e mi s s i o n a n d l e a s t l a n d a r e a.T h e e n e r g y c o n s u mp t i o n i n d e x a n d a u t o ma t i o n d e g r e e o f t h e p r o j e c t a r e l e a d i n g t h e i n d u s t r y.We a r e c o mmi t t e d t o c r e a t i n g a b e n c h ma r k i n g p r o j e c t o f g r e e n a l u mi n u m e l e c t r o l y s i s t e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n a n d l o w-c a r b o n a l u mi n u m p r o d u c t i o n i n C h i n a.Keywords:a l u mi n u m e l e c t r o l y t i c c e l l;NE UI 6 0 0+;L o w c a r b o n a l u mi n u m;E n e r g y s a v i n g收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：班允刚，男，生于1 9 7 9 年，辽宁营口人，博士，教授级高级工程师，研究方向：电解铝技术研发、工程设计及项目管理。现阶段，我国电解铝行业的产能、产量和铝电解槽容量大型化发展均达到了世界领先水平。但是与国际综合一流铝电解槽技术相比，我国大容量铝电解槽技术还存在着：阳极电流密度较低、槽寿命较短和劳动生产率较低等“三大差距”，是我国大容量铝电解槽技术“大而不强”的关键性技术难题。除此之外，与国外同行相比：我国电解铝行业在HSE（健康、安全、环保）等方面，依旧存在着不小的差距。对比国外先进技术，为解决我国大容量铝电解槽技术“大而不强”的关键性技术难题，促进铝电解行业高质量发展，铝电解行业的发展方向应重点围绕以下几个方面。（1）继续优化升级铝电解槽核心物理场。通过对铝电解槽磁流体稳定性和热平衡的持续优化，为铝电解槽在高阳极电流密度下平稳高效运行奠定坚实基础。（2）进一步提高槽寿命，力争槽寿命突破3000天，降低危险固废量及处理成本，最大程度降低对周边环境的影响，同时降低大修和折旧成本，提高设备运转率；这需要对铝电解槽内衬、槽壳结构热应力及化学应力开展深入研究，使产生的应力有效释放，减小变形，进而延长电解槽寿命。（3）进一步推动和促进电解铝企业开展清洁生产，降低电解有害污染物的排放量。深入研究铝电解大烟气量中全氟污染物、颗粒物、SO2等污染物协同治理工艺和电解烟气无组织排放治理工艺等，力争实现污染物强度在现有基础上减排80%的目标。东大院与宏桥集团强强联合，围绕上述方向，开发具有国际先进水平的NEUI600+铝电解成套装备技术，并将该技术应用于云南宏合项目。该项目是双方倾力打造的中国绿色铝电解技术应用和低碳铝生产行业标杆工程。1 工程设计指标NEUI600+铝电解成套装备技术定义为：“升级版的NEUI600kA铝电解槽核心技术+行业领先的生产系统综合节能技术”。图1云南宏合项目鸟瞰效果图NEUI600kA+电解铝生产线是我国自主研发的国际先进水平电解铝生产线，具有单槽容量最大、能耗最低、排放最低、占地最少等优点。该生产线电解槽容量为600kA；吨铝直流电耗可达12400kWh，同比全国平均水平吨铝节电500kWh以上；氟化物排放指标达到0.2mg/m3以下，粉尘排放指标达到5mg/m3以下，满足欧盟排放标准；SO2排放指标达到20mg/m3以下，远低于目前国家规定的世界有色金属2023年8月上2200mg/m3排放标准，同比特别排放限值（100mg/Nm3）降低80%以上，实现了超低排放，引领铝行业技术进步，各项技术经济指标均达到国际领先水平。2 NEUI600+铝电解成套装备技术NEUI600+铝电解成套装备技术的先进性主要体现在以下几个方面。2.1 铝电解槽及母线系统NEUI600kA电解铝生产线，是通过“产-学-研-用”平台采用“数值模拟+物理场测试大数据分析建模”铝电解槽容量大型化技术开发模式开发1，是2014年全球首条同规格生产线的升级版，其能耗指标、生产效率、自动化程度2均领跑行业，同比全国平均水平吨铝节电500kWh以上。2.1.1 节能型NEUI600kA铝电解槽技术在国家“碳中和、碳达峰”的发展战略下，重点围绕“节能降碳”，进一步优化了铝电解槽磁流体稳定性和电热平衡等物理场设计，取得了多项创新成果。（1）磁流体稳定性进一步突破。磁流体稳定性是铝电解槽的关键核心技术，通过对水平电流和磁场两个关键要素的持续优化，最大程度降低水平电流，降低磁场数值，优化磁场分布形态，进一步突破磁流体稳定性技术瓶颈。（2）持续降低阴极和阳极导体压降。阴极炭块组由阴极炭块、阴极钢棒和磷生铁等组成。单台电解槽有30组阴极炭块，组间缝为25mm，组间缝采用冷捣糊进行捣固，将各组阴极炭块连接成一个整体。为降低铝液中水平电流，进一步提高电解槽磁流体稳定性，阴极炭块和阴极钢棒之间在钢棒端头处设绝缘区。采用持续优化的石墨化阴极、高导电钢棒和磷生铁浇铸的阴极结构，阴极压降降低至200mV；采用的新式工厂组装阴极技术，阴极压降进一步降低至170mV以下。采用全截面焊接钢爪和铝-钢直焊技术，优化低电阻阳极技术3，阳极金属构件压降降低15mV，吨铝能耗降低45kWh。进一步优化炭碗结构，增加铁炭接触面积，降低铁炭接触压降。（3）降低母线系统压降。通过优化槽周围母线和车间母线断面尺寸，并采用阴极铝钢直焊技术，降低母线系统压降2530mV（折单槽），降幅达10%。（4）优化电解质体系，降低极间压降。优化电解质体系，适当提高锂盐含量（2%5%），增强电解质导电性能，降低极间压降，并降低电解温度。（5）优化阳极开槽，降低气膜压降。提高阳极炭块品质，进一步优化开槽方式，提高开槽深度，降低气膜压降。（6）优化燃气焙烧启动和后期管理工艺。优化燃气焙烧启动工艺，合理搭配生产工艺技术条件，提高工艺操作和生产管理的精细化水平。（7）热平衡匹配优化技术。通过保温结构的调整和内衬材料的升级，匹配优化节能槽热平衡设计，形成足够厚度炉帮和规整稳定炉膛，降低电解槽无功热损，提高能量利用率4。2.1.2 长寿命600kA铝电解槽技术通过采用工厂组装阴极技术，水平电流大幅度降低，阴极工作面电流分布均匀性提高约40%，因电流密度集中造成的电化学腐蚀速度相应降低。同时，阴极有效寿命高度增加约35%。阴极使用寿命延长2年。在内衬防渗保温材料方面，通过对关键材料的升级和提高理化指标要求，增强槽底防渗保温性能，减缓内衬保温性能的衰减速度约30%。同时进一步升级一体化焊接槽壳结构技术，整体增强槽壳强度和刚度，控制全寿命期内更小的槽壳变形量。2.1.3 母线系统应急安全保障技术为提高电解生产的安全性，电解车间设置标准化、模块化的应急短路母线装置。该装置在不同程度、不同类型的电解槽事故状况下，可快速安装应急短路母线装置，确保系列母线安全导电，电解系列正常运行，避免全系列停电，造成更大的经济损失。图2母线系统应急安全保障系统模型2.2 综合节能技术和余热利用除电解槽和母线系统之外，全面优化整流供电、压缩空气和净化贮运等辅助生产系统：（1）优化整流供电系统设计，满产时系统的整流效率98.2%。（2）采用智能打壳节气技术，智能判断下料口的状态，自动调整打壳深度和次数，与传统打壳系统相比，可降低打壳作业70%的压缩空气用量。（3）优化压缩空气系统设计，降低输气管道的压力损失，增加智能管理系统，减少压缩空气用量；空压机采用变频方式；压缩空气系统吨铝电耗70kWh/t-Al。（4）优化电解烟气干法净化系统设计，引风机采用变频技术，实现该部分吨铝电耗100kWh/t-Al。（5）优化阳极组装生产线和其他辅助生产系统设计，实现该部分吨铝电耗30kWh/t-Al。（6）采用电解烟气余热利用技术，提高电解生产能量利用率，满足厂区需求。综上，本项目有望实现铝液交流电耗12650kWh/t-Al，达到行业标杆水平（铝液交流电耗13000kWh/t-Al）。全厂综合交流电耗13050kWh/t-Al，满足阶梯电价政策2025年电耗分档标准（13300kWh/t-Al）要求。2023年8月上 世界有色金属32.3 污染物超低排放及固废处理2.3.1 电解烟气有组织排放处理技术铝电解槽排烟支管采用“双烟道负压平衡技术”，净化系统排烟管网采用“无阀门自变径增压技术”，集气效率可达99.5%以上5。电解烟气净化系统采用持续优化的两段“相向流”烟气干法净化技术，并采用自主专利的超大型全时段烟气湿法脱硫成套技术及装备（行业首创多塔脱硫，2用1备，全时段运行，检修期污染物无外排），对含硫烟气进行净化处理。图3超大型全时段烟气湿法脱硫成套技术及装备2.3.2 电解无组织排放处理技术在无组织排放处理方面，采用先进的残极冷却系统技术，最大限度减少阳极更换期间的污染物烟气无组织排放量。通过采取上述措施，电解烟气净化系统实现超净排放：氟化物0.2mg/Nm3、粉尘5mg/Nm3和SO220mg/Nm3。2.3.3 工业固废工业固体废物最大限度全资源回收建材化应用，危险废弃物全面无害化处置。2.3.4 脱硫废水脱硫废水系统的处理流程如下：脱硫废水废水缓冲箱反应箱一（添加石灰乳、絮凝剂）提升泵一级高效旋流澄清器二级高效旋流澄清器反应箱二（添加深度除氟剂）反应箱三（添加絮凝剂）澄清池清水箱外排。出水水质满足 燃煤电厂石灰石-石膏湿法脱硫废水水质控制指标 DL/T 997-2020要求。2.4 绿色能源，低碳生产图4屋顶太阳能光伏系统本项目将主要使用清洁水电，同时匹配一定比例的光电和风电，绿色能源占比保持行业领先，同采用火电相比，碳排放量降低90%。全厂设置屋顶太阳能光伏系统，采用太阳能路灯。1Yungang Ban,Jihong Mao,Yu Mao etc.“Developmentand Industrial Application of NEUI600 High EfficiencyAluminum Reduction Cell”,Light Metals 2018,TMS(Theminerals,metals&materialssociety)2018,705713.2邱竹贤.预焙槽炼铝M.第3版.北京：冶金工业出版社，2005年1月：136-137.3Jing Liu,Hui Dong,Yu Mao etc.“Study on Optimizationof Anode Structure for Aluminum Reduction Cell”,LightMetals 2018,TMS(The minerals,metals&materialssociety)2018,12751284.4Yungang Ban,Yu Mao,Jihong Mao etc.“Study onCathode Structure Optimization of Aluminum ReductionCell”,Light Metals 2014,TMS(The minerals,metals&materialssociety)2014,13331337.5王尚元，刘靖，艾自金.NEUI电解烟气净化综合治理技术J.世界有色金属,2019(11):192-194.本项目同时采用世界先进生产工艺减少污染物的排放，项目在优化能效管理和绿色能源结构的同时，采取生态保护措施，通过“风、光、水、储、林”协同布局及减碳、负碳项目投资，打造中国第一个“绿色低碳”电解铝项目。2.5 建设智慧工厂加强全厂底层数据的自动监测、计量和传输，选用智能化及自动化程度高的工艺设备。建设5G通讯网络，搭建全景智能视频监控系统，配置全厂数据中心，开发MES系统和智能信息化流程管理系统等，全面提升全厂智能化和管控一体化水平，实现多区域无人值守，建设全面感知的、广泛互联的、集中管理的和数据资源化的现代化智慧工厂。全自动的阳极组装车间，主站均为成套进口装备；铸造车间采用抬包自动倾翻平台和全自动打渣机器人，装备自动化程度高。图5全自动的阳极组装车间2.6 全厂总平面布置和物流系统优化项目总平面布置最大程度减少工业设施占地，采用超大容量铝电解槽和全厂集约化布置方式，最大限度节约基础建设投资、运营维护成本和仓储、物流等成本。3 总结云南宏合项目采用东大院与宏桥集团联合开发的NEUI600+铝电解成套装备技术。该技术达到国际先进水平，助力解决我国大容量铝电解槽技术“大而不强”的关键性技术难题。与此同时，项目的顺利实施也将成为加快我国铝工业实现碳达峰、碳中和进程的助推器；也是中国宏桥实现“双碳”战略目标，成为世界领先的低碳铝企业的重要抓手。