大型铝电解槽节能措施分析.pdf

2023年6月下 世界有色金属 225大型铝电解槽节能措施分析程然（贵阳铝镁设计研究院，贵州 贵阳 5 5 0 0 0 1）摘 要：针对大型铝电解槽在生产运行过程中暴露出的综合电耗高、生产成本高、资源消耗大、污染排放量大等问题，通过整合现有电解槽改造技术经验，提出加强生产过程控制、改进阳极部件焊接工艺、调节设备运行参数、实行极距补偿等技术措施，有效降低铝电解槽的槽平均电压、提高电流效率。关键词：铝电解槽；节能降耗；平均电压；电流效率；智能控制中图分类号：T F 8 2 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 2-0 2 2 5-3Analysis of energy-saving measures for large aluminum electrolysis cellsCHENGRan(G u i y a n g A l u mi n u m Ma g n e s i u m D e s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e,G u i y a n g 5 5 0 0 0 1,C h i n a)Abstract:I n v i e w o f t h e l a r g e a l u mi n u m e l e c t r o l y t i c c e l l e x p o s e d i n t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f h i g h p o w e r c o n s u mp t i o n,h i g h p r o d u c t i o n c o s t,r e s o u r c e c o n s u mp t i o n,p o l l u t i o n e mi s s i o n s,t h r o u g h t h e i n t e g r a t i o n o f e x i s t i n g e l e c t r o l y t i c c e l l t r a n s f o r ma t i o n t e c h n o l o g y e x p e r i e n c e,p u t f o r w a r d t o s t r e n g t h e n t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s c o n t r o l,i mp r o v e t h e a n o d e p a r t s w e l d i n g p r o c e s s,a d j u s t e q u i p me n t o p e r a t i n g p a r a me t e r s,p o l e d i s t a n c e c o mp e n s a t i o n t e c h n i c a l me a s u r e s,e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e a v e r a g e v o l t a g e,i mp r o v e t h e c u r r e n t e f f i c i e n c y.Keywords:a l u mi n u m e l e c t r o l y t i c c e l l;e n e r g y s a v i n g a n d c o n s u mp t i o n r e d u c t i o n;a v e r a g e v o l t a g e;c u r r e n t e f f i c i e n c y;i n t e l l i g e n t c o n t r o l收稿日期：2 0 2 3-0 4作者简介：程然，男，生于1 9 6 7 年，汉族，贵州仁怀人，本科，高级工程师，研究方向：铝冶炼。在国内铝行业产量需求持续扩大、原铝价格不断下跌形势下，一定程度上压缩铝行业的利润空间。近年来铝行业从业者持续致力于研发铝电解槽改造技术，有技术人员引入异形电极降低电解槽运行的工作电压，但受制于不同生产企业、不同规格槽实际情况的影响，诸如电磁干扰、技术条件等均会影响电压下降数值。有研究人员提出一种铝电解槽阻流新技术，通过将阻挡块置于槽内铝液中抑制液体流速与界面变形，借此提高电流效率，但仍需及时调整阻挡块在槽内位置，增加人工干预成本。基于上述问题，亟需研究一种适用于铝电解生产过程中的具体节能措施，为节约资源成本、降低电能消耗提供现实借鉴意义。1 问题描述现阶段铝电解产业规模逐步扩大，截至2022年6月电解铝产量达2647.2万t，累计增速为2.1%；原铝材料市场均价为17000元/t，跌幅约为29.17%1。国内多数铝业公司均已实现大型铝电解槽（160500kA）的投入运行，以某电解铝生产企业为例，在该企业500kA铝电解槽运行过程中暴露出电耗偏高、电流效率低等问题，导致企业每年支出高额电耗费用，且电解铝生产工艺的技术经济指标水平较低。基于此，拟对该企业500kA铝电解槽进行改造设计，实现节能降耗目标。2 铝电解槽运行过程中的电能消耗与节能方案设计2.1 铝电解过程中的节能降耗设计针对铝电解槽运行过程中的能源消耗因素进行分析，已知电解槽平均电压为V，电流效率为，则铝电解槽运行过程中的吨铝直流电耗W（单位：kWh/t-Al）计算公式为：根据上述公式中的变量关系可知，通过采取降低电解槽平均电压V或提高电流效率两项措施，能够有效降低铝电解过程中的直流电耗2。已知铝电解槽运行中槽平均电压由电解质电压降、过电压、阴极电压降、阳极电压降、Al2O3分解电压与母线压降、阳极效应分摊电压组成，结合铝电解槽实际运行能耗，拟围绕电解质、阳极、阴极三个方面设计降低铝电解槽电压措施，并参考电流效率目标值采取电流效率优化措施。2.2 铝电解槽电压下降2.2.1 电解质电压降已知电解质的比电阻为，平均电流密度为D，阴极、阳极间的距离为L，则该企业电解质电压降的计算公式为：通过调节比电阻的阻值降低电解质电压降，主要采取以下三种方法：调节电解质组分，控制分子比在合适的范围。降低阳极气膜电压降，采用开槽阳极加快阳极气泡排放速度。保持电解质生产过程洁净度达标，勤打捞炭渣，降低电解质的比电阻。综合运用上述措施，可使电解质的电压降下降。2.2.2 阳极电压降电解槽阳极电压降包括铝导杆压降，爆炸块压降，钢爪压降，磷生铁压降和炭块压降，在该企业原铝电解槽运行过程中测得阳极电压降约为395mV，槽运行工作电压约为3980mV，阳极电压降占比约为9.93%。为有效降低阳极电压降，可引入一种新型节能阳极导杆替换原铝导杆，将原本添加在铝液中的镁元素质量浓度提高至0.5%以上，并额外添加铁元素，有效增强铝导杆的硬度、抗拉强度与导电性能。同时，将铝铁爆炸焊块的熔接面扩大至98%以上，取2块爆炸块分别焊接在铝导杆两侧，在爆炸块与钢爪横梁之前搭接一块16mm厚钢板，同时，优化磷生铁成分，增强浇筑效果。针世界有色金属2023年6月下226对上述改造方案的应用效果进行测试，测得铝导杆本体压降无明显变化，导杆与母线的接触压降同比减少5.4mV，综合压降值下降38mV，使得电解槽阳极平均压降降至357mV。2.2.3 阴极电压降铝电解槽的阴极压降主要取决于炉底压降，该企业500kA铝电解槽的平均工作电压为3.98V，电流效率期望值为94%，单台每日效应次数为0.05次，炉底压降值为330mV。但在铝电解槽实际生产运行过程中收集3个月内炉底压降运行数据可知，炉底压降平均值为353.3mA，相应将增加电解槽运行的直流电耗。为节约铝电解槽生产过程中的电能消耗，可采取以下三项技术措施：优化生产过程工艺，保证连续、均匀下料，在更换阳极环节及时钩动炉底、捞出碳渣，减少炉底沉淀产生的压降。改善阴极炭块捣固工艺，预热阴极炭块，在燕尾槽内增设导电材料，将槽内钢棒固定后沿侧方均匀铺设松散糊料，由两名作业人员配合沿垂直方向对糊料缝隙处进行同步捣鼓处理，并在捣固过程中及时旋转捣固枪角度，直至糊料缝高度与炭块表面保持平齐，借此有效提升阴极炭块电导率，降低阴极电压降。调节阴极导电钢棒性能参数，合理设置钢棒的热膨胀系数，在200、400、600、800和1000五种工艺温度环境下，将钢棒的热膨胀系数分别设置为10、16、14、-0.25和10，借此保证炭块的等效应力不超过钢棒的抗压强度最大值，改善炭块、钢板界面的接触性能，提高接触电阻阻值与电流效率，从而有效降低炉内电压降。2.3 铝电解槽电流效率提升2.3.1 降低电流损失已知该企业铝电解槽在实际运行中的电流效率低于期望值，在电解铝生产环节仍存在电流损失，导致电流效率实际值保持在90%左右。将Al、Na两种材料的二次反应损失分别设为IAl、INa，电子导电性为I1，因电解槽内产生杂质造成的损失为i杂，两极间瞬时短路为I短，因铝或钠渗入槽内衬中产生的电流损失为i漏，由此建立铝电解槽运行电流损失的计算公式：结合上式中各变量关系，其中Al二次反应损失为造成电流损失的主要因素，由于反应过程中Al将从铝液界面转移至电解质本体中，待Al充分溶解后经由二次反应重新转移至阳极界面，使得溶解于电解质中的Al发生氧化反应、生成CO。为降低铝材的二次反应损失，可采取以下技术措施：保持合适的电解温度，控制过热度在8 12，抑制AL的二次反应，减少电流损失。采用开槽阳极，优化开槽方式，加快气泡排出，减少与阳极气泡的接触，降低二次反应发生概率，从而有效提升电流效率。2.3.2 调节氧化铝浓度针对铝电解槽运行过程中氧化铝浓度、槽电阻阻值、阴极和阳极间距进行变量关系分析，当氧化铝浓度较低时，槽电阻阻值大小与氧化铝浓度高低成反比；当氧化铝浓度偏高时，槽电阻与氧化铝浓度变化成正比。因此选用以下措施优化电解槽下料工艺：选择在氧化铝浓度1.5%3%区域下料，基于点式下料形式进行过量、欠量下料的交替使用，在下料过程中密切监测槽电阻、氧化铝浓度两项指标的变化速率，保障获取到槽内氧化铝浓度的准确值，缩小氧化铝浓度的波动幅度，并做好下料器壳头包的及时清理，防范槽内产生阳极效应。采取极距补偿措施，发现电解槽堵卡，低过热度后，及时调整极距，减少因极距低带来的不稳定影响电流效率。2.3.3 其他控制措施在技术指标控制上，应严格控制好过热度指标，通常过热度每提高8 10，电流效率将下降1%1.5%，因此在铝电解槽实际生产环节需关注过热度等指标，明确过热度与电流效率、槽平均电压等数值间的变化关系，确保有效提高电流效率。在工艺过程控制上，需重点加强电解槽启动环节的工艺控制，例如在装槽环节，预先选用风管吹扫阴极表面，清理炉膛内杂物，使阴极表面碳化铝充分氧化，减少通电后电解质中的含碳量；在启动环节，根据焙烧时间合理设置升温曲线，待通电后及时测量阳极的电流分布状态，采取手动升压方式对电流分布不均处进行加料降温处理，降低阳极电压降。2.4 铝电解槽新式节能结构技术2.4.1 新式节能阴极结构在铝电解槽生产过程中由于阴极、阳极截面不对等，导致流过铝液的电流包含垂直向下、水平两个方向的分量，且水平电流可能与磁场产生作用，致使铝液界面波动，使铝液流动速度增加，造成二次反应、炉帮遭到侵蚀等问题。为抑制铝液中的水平电流，引入了ANSYS软件平台，建立电解槽结构模型，采用一种新型电解槽阴极结构设计方案。电解槽由水平底板与若干侧板围成槽壳及空腔，在底板表面设有保温层，将截面呈波浪形的阴极炭块组设置在底部保温层上方。采用上述结构方案设计的铝电解槽，电平衡模拟实验结果测得铝电解槽中铝液水平电流最大值同比以往大为降低，阴极压降同比下降，可有效缩短极距，均化水平电流，减小铝液的界面波动，同时还可延长铝电解槽的使用寿命，具有显著节能效果。2.4.2 配套内衬结构设计首先改进阴极钢棒结构。以传统规格为65180mm的阴极钢棒截面为基准，对阴极钢棒结构进行加宽、加高处理，将其宽度变更为70mm、高度增至230mm，并采用分段式结构设计，用于解决热变形问题，通过增加导电棒的导电面积有效抑制水平电流、降低炉底压降。与此同时，基于对配套组装工艺及生产安全的考量，还需将阴极炭宽高度增加30mm，燕尾槽宽度与深度分别增加5mm和30mm，满足实际装配需求。其次，应用高石墨冷捣糊。在17 42温度条件下开展高石墨冷捣糊施工，减少糊料挥发量，避免与阴极炭块之间出现较大收缩缝，并且无需对阴极炭块、阴极导电棒作加热处理，减少现场作业量，在节约物料与电耗的同时符合清洁作业要求。最后，内保温结构优化设计。对电解槽下部位置的保温区，选取抗压强度高导热系数低的耐高温保温板替代传统的陶瓷纤维板+硅酸钙保温板的结构形式，对于电解槽阴极炭块底部到槽壳底部区域，下方分别铺设2层蛭石保温砖和一层渗隔热砖，其缝隙用氧化铝粉末进行填充、抹平，在阴极炭块和防渗砖之间用干式防渗料填充，用于增强电解槽底部的耐压强度与抗变形能力，优化保温性能。2023年6月下 世界有色金属 2273 引入智能控制技术提升节能降耗效果3.1 智能控制系统设计在优化生产工艺参数、引入技术优化措施对铝电解槽进行节能改造的基础上，应面向现代工业发展要求推动原有生产系统的智能化升级，整合模糊控制、专家系统等多种智能技术方案进行智能控制系统的开发设计。在智能系统开发设计上，坚持以节能降耗为目标，围绕以下两方面进行功能模块设计：一方面，引入模糊控制技术下的模糊规则推理模式，根据槽电阻斜率、累计值等指标进行电解槽下料过程的分段式控制，实现欠量、过量、正常三种状态间的灵活切换，维持槽内物料平衡状态；另一方面，采用智能控制技术进行阳极升降过程的自动控制，降低槽平均电压，提高电流效率。在智能控制系统功能模块设计上，拟围绕以下五个模块演示功能实现路径：（1）阳极效应预警模块，为预防因铝电解过程中产生阳极效应导致槽电压值升高、增大电能消耗量，基于模糊控制原理采集企业大型铝电解槽运行过程中的槽工作电压、电流、槽电阻等数值，经由滤波处理后计算斜率，并将滤波处理后的电阻与斜率等数值进行比较分析，当超出预警值后将发出告警提示信息。在参数计算上，以2min内滤波电阻的增量作为电阻斜率，将8min内滤波电阻增量之和作为电阻累计斜率，运用差分滤波器将2个采样时刻采集到的低通滤波电阻求取差值，完成斜率计算。在控制算法设计上，引入柔性等待机制进行阳极效应控制，在上一次阳极效应预警结束至正常处理阶段，结合氧化铝实际浓度测定结果设置阳极效应预警等待的时间间隔，例如当氧化铝浓度偏低、电阻斜率超出上敏感区70%以上时，系统自动停止下料，进入效应等待阶段，等待时间约为3h。在此基础上，根据确定的滤波电阻值进行电压爬升过程中各项参数变化情况的比较分析，当任意参数超出预设值时，说明可能存在阳极效应发生的趋势，此时触发预警功能按钮，由控制系统发出命令控制下料端执行下料操作，借此有效抑制阳极效应。（2）槽电阻针振摆动控制模块，由于槽电阻针振将显著增加电能消耗量，使电流效率、电解铝质量明显下滑，因此拟应用算法完成电阻针振强度的估算，依据30s时间间隔分别获取电阻阻值变化范围，结合低通滤波电阻获取电阻针振强度的平滑处理结果，当测得电阻针振强度超出设计值30mV时，即发出故障告警提示，由控制系统自动提高附加电压值，防范出现针振现象。（3）下料过程状态检测，在应用点式下料方案优化下料管理的基础上，为预防在生产过程中出现卡锤头、堵料等问题，选择引入传感器技术进行下料口状态检测，分别获取打壳锤头进入电解质前、后的电压信号，借助信号比较分析实现对下料口状态的判断。在系统状态检测流程设计上，主要利用传感器与监控摄像头获取下料口开孔、打壳锤头、电解质及阴极等部位的状态检测数据，当测得下料口处有物料堵塞现象时，适当增加打壳次数，倘若下料口仍未恢复正常开孔，或锤头出现卡滞现象时，则发出故障告警提示，通知专人进行现场检修。在功能模块结构设计上，基于以太网通讯协议将应用软件与测控设备进行连接，选择各大型电解槽工控机旁安装测控装置，使装置与打壳气缸连通，用于实现对下料口下料速度、开孔状态等信息的检测；将应用软件部署在机房内，设置语音报警、声光报警两种形式，支持TCP/IP等多种通信协议，由管理人员现场或远程登录终端查看各电解槽、各下料口的实际状态，借此有效实现对电解槽运行过程的在线监测，降低效应分摊电压值，进一步降低下料环节的电耗。（4）氧化铝浓度控制，在铝电解槽内安装液位、温度传感器等传感器，利用传感器采集电解液密度、温度等参数，经数字滤波、加权平均处理后建立密度、浓度关系曲线，基于预设温度值进行电解液密度补偿，获取电解液等效密度、氧化铝浓度等参数，并由槽控机在PLC单元控制下向电解槽内投放物料，实现对氧化铝浓度的精确控制。在此基础上，利用3D可视化技术进行氧化铝浓度的自动探测，与阳极效应预警模块联合实现对阳极效应的预处理，当判断阳极效应发生后，利用计算机程序控制电解槽自动熄灭，防范电解槽内产生过量沉淀物质，降低电解槽平均电压、维持电解生产的稳定运行。（5）二次启动槽控制，由于铝电解槽运行过程中可能受内外因素影响产生停槽现象，待完成故障修复后需执行二次启动操作。在二次启动初期，利用计算机程序执行电压的分阶段调整，例如在启动首日将电压设置为6.5V，第210d内将电压由5.5V逐步调节至4.25d，第1120d将电压保持在4.15V稳定值，第23个月将电压设置为4.05V，待4个月后使电压恢复4.1V，借此有效提高电解槽降电压的稳定性，避免电压下降过程中出现噪声值过大、电压异常波动等问题。同时，需对二次启动后电解槽温度进行严格控制，在前3个月内尽量避免向电解质中添加氟化铝，使其分子比稳定控制在合适的范围内，后续逐步提高电流效率，有效降低物料消耗量与吨铝电耗。3.2 应用效果分析在经济效益方面，将上述智能控制系统与节能改造技术方案应用于该企业铝电解槽改造环节，按整流效率0.98、全年运行时长365d计，应用上述方案可使电解系列降低电耗约150KWh/t-Al。在社会效益方面，应用以上技术方案无需额外投入大型设备，无新增人工费用，人工作业量明显减少，减少人工费用及重复建设投资，阳极效应大幅度降低，可减少温室气体排放量，具有显著环保价值。4 结论通过以降低槽平均电压、优化电流效率为主线编制对大型铝电解槽的节能改造措施，综合运用改良工艺材料、调节生产参数、加强生产过程控制等方法，有效降低吨铝电能消耗量。在此基础上，引入智能控制系统实现电解槽生产过程的动态控制，进一步减少人工作业强度及额外成本支出，实现经济效益与社会效益的双重提升。未来还需持续优化铝电解槽制造、加工及生产工艺，采用更先进技术更好地提升节能降耗效果，为同类电解铝生产企业提供良好示范经验。1田伟,李贤.高效节能技术在大型预焙阳极铝电解槽的应用J.有色冶金节能,2020,36(4):14-18.2李伟波,杨幸雨.大型铝电解槽槽壳结构变形与槽寿命关系及校正措施论述J.有色设备,2021,35(6):15-21.