FHEST技术在300 kA铝电解槽节能降耗生产实践中的应用.pdf

FHEST 技术在 300 kA 铝电解槽节能降耗生产实践中的应用赵桔（山西兆丰铝电电解铝分公司，山西阳泉045200）摘要：近年来，国家发展改革委连续出台政策，对电解铝行业按铝液综合交流电耗高低实行阶梯电价，强化能源总量和能耗强度“双控”管理，电耗已成为影响铝电解可持续发展的关键因素之一。主要介绍了 300 kA 电解槽使用新型稳流保温铝电解槽节能技术的具体情况，通过阴极稳流优化、电压平衡优化、热平衡优化设计和优化工艺参数，配套筑炉规范和后期管理规范，并进行现场服务指导等一系列措施，达到了节能降耗的目的。关键词：电解铝；电解槽；槽电压；管理思路；低电压中图分类号：TF821文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0175-031铝电解槽节能降耗的意义在“双控”、“双碳”战略大背景下，国家提出要健全碳达峰、碳中和标准，明确电解铝单位产品能耗限额要求，对我国如期实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。现行的电解铝生产存在着高耗能的特性，现代铝的生产方式主要采用氧化铝冰晶石融盐电解法，电能消耗量巨大。电解铝对资源的需求量比较高，在电解铝行业产能严重过剩、高昂电价成本的背景下，提高电流效率、降低槽电压，是降低能耗的行之有效的方法。而在一定的电流强度下，铝电解槽要获得维持正常电解过程所需要的能量，必须使电解槽具有一定的工作电压。当电解槽在较低电压下运行时，必定会产生电解槽能量收入减少的问题。而电解槽能量收入的减少，必然会影响正常的电解过程，使电解槽进入冷行程。因此，需要优化生产工艺，降低槽电压，降低生产成本。2使用 FHEST 技术前直流电耗及工艺参数保持情况山西兆丰铝电电解铝分公司的电解槽槽龄大致分为两大类，一类是 1 200 d 以内电解槽，另一类是2 400 d 以上电解槽。使用新型稳流保温电解槽节能技术（简称“FHEST 技术”）前，直流电耗及工艺参数保持情况如表 1 所示。1 200 d 电解槽平均吨铝直流电耗为 13 150 kW h左右，工艺参数保持情况大致如下：设定电压为3.9904.000 V，铝水平为 2931 cm，电解质水平为1719 cm，电解温度为 940948，分子比为2.452.52，电流效率为 90.891.3。2 400 d 以上电解槽平均吨铝直流电耗为 13 300kW h 左右，工艺参数保持情况大致如下：设定电压为4.0004.020 V，铝水平为 3133 cm，电解质水平为1719 cm，电解温度为 945952，分子比为2.482.55，电流效率为 9090.8。3FHEST 技术的引进及其先进性新型稳流保温铝电解槽是由中铝郑州有色金属研究院研发推广的一项电解槽节能技术。利用电解槽大修时，通过阴极稳流优化、电压平衡优化、热平衡优化设计和优化工艺参数，配套筑炉规范和后期管理规范，并进行现场服务指导等一系列措施，达到了节能降耗的目的，其技术路线及创新点如图 1 所示。FHEST 技术具有以下优点：1）为低电压条件下铝电解槽高效平稳运行奠定了基础。2）建立阴极碳块、铝液、钢棒及组装同步优化组合的稳流模式，清除了阴极中电流集中和热应用集中，炉底压降、钢棒头温度、钢窗口温度和炉底钢板温度随时间变化，并相对稳定。3）合理优化阴极碳块和铝液的电流分布，使阴极碳块和铝液中的电流分布更加均匀，出铝端垂直电流收稿日期：2023-03-01作者简介：赵桔（1995），男，山西阳泉人，本科，毕业于太原工业学院材料成型及控制工程专业，助理工程师，主要从事电解铝冶炼工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.067表 1使用 FHEST 技术前直流电耗及工艺参数保持槽龄设定电压/V铝水平/cm电解质水平/cm电解温度/分子比电流效率/直流电耗/（kW h）1 200 d以下3.9904.000293117199409482.452.5290.891.313 00013 1502 400 d以上4.0004.020313317199459522.482.559090.813 15013 300图 1FHEST 技术路线及创新点阴极稳流优化技术配套新技术槽后期管理规范现场技术服务指导系统节能综合解决方案优化匹配工艺参数配套新技术槽筑炉规范电解槽新型稳流保温节能技术热平衡优化设计技术电压平衡优化技术技术应用山西冶金E-mail:第 46 卷密度降低了 32.7，中缝位置阴极碳块垂直电流密度电流增加 2.9。4）创新了电解槽能量平衡设计理念，研究了电解质初晶温度等温线在内衬材料中的位置、材料选择及区域能量匹配，保护了炉内衬保温材料，减少了电解槽底部散热。5）底块组装全部采用稳流高导钢棒，提高了钢棒电导率，阴极钢棒焊接采用全截面窄缝自动熔焊技术。4使用 FHEST 技术后直流电耗及工艺参数保持情况采用 FHEST 技术后，电解槽设定电压基本保持在 3.8603.880 V 之间，稳流槽平均吨铝直流电耗基本在 12 65012 800 kW h 之间。铝电解过程需要平稳和安定，在平稳基础上才能实现高效生产。因此，要对引起病槽趋势的因素进行微调，确保电解槽平稳运行，工艺参数匹配优化如表 2 所示。电解槽采用稳流高导钢棒等工艺，为电解槽在低极距条件下稳定运行奠定了基础。现有的 29 台新型稳流槽设定电压平均保持在 3.877 V，其中 5 台槽尝试性将电压降至 3.870 V，2 台槽已降至 3.860 V 进行尝试运行，其他槽暂且保持 3.880 V。槽电压是整个电解槽生产中输入能量的主要来源，是维持和调整电解槽热平衡体系重要的因素之一1。电解槽能量平衡的主要管理是电压管理的实质。通过对设定电压变更实现槽电压变更，实质是通过极距的增减来变更电解质压降，在合理的电解质组成下，缩小极距可以有效降低电解质压降，低极距的节能潜力最大。同时，工作电压的高低也反映了极距的高低。在实践中，不能盲目降低极距，盲目操作会引起电解槽不稳定，造成铝液的波动，甚至发生局部短路，会严重降低电流效率。在电解槽正常生产期，要控制稳定的槽电压（槽工作电压），过高或过低的电压，都会影响电解槽的运行。保持合理的两水平高度对电解槽的稳定运行和获得良好的生产指标有着重要意义。电解槽热平衡受到铝水高度的影响，影响结果会反映在炉底洁净情况和炉膛形成的形状上。铝水平过高，会造成炉底偏冷、电解质萎缩，特别是 FHEST 稳流槽，低电压对应的铝水平保持标准较低，过高的铝水平无法保持所要求的电解质高度，从而降低溶解氧化铝的能力，使炉底沉淀会增多，伸腿长大。铝水平过低，会造成电压波动，槽电解槽温度升高，容易形成热槽，熔化炉膛。实践证明，铝水偏高比偏低危害性更大。铝水偏低时间较长，影响的是效率，若想提高，减少一两次出铝即可。若铝水长时期较高，则会出现炉底沉淀和结壳，处理起来比较困难。对电解质来说，合适的电解质水平能够溶解足够的氧化铝，电解过程主要是在电解质中进行，还有利于炉帮的形成。在铝电解生产过程中，分子比的高低对槽膛的形成会有较大的影响，从而对槽温的平衡控制带来困难。通过近一年的运行，确定将 FHEST 稳流槽分子比保持在 2.352.45。一方面，可控制偏低的槽温，有利于提高电流效率。理论上，槽温每降低 10，电流效率可提高 1。另一方面，可保证电解质流动性，促进氧化铝的溶解。实践生产发现，虽然低分子比的生产存在一定的不足，但只要在降低分子比过程中做好各项技术条件匹配，严格把控氟化铝的添加量，通过相应的生产技术措施进行匹配，是可以弥补的。分子比调整一般按照“慢降快升”的原则，下降幅度过大，会造成槽况波动，影响电解槽的稳定。电解质温度是电解生产的重要参数之一，保证电解槽稳定运行的情况下，电流效率是通过维持尽可能低的电解温度获得的。理论上，槽温每降低 10。电流效率可提高 1。降分子比过程中，各项技术条件匹配优化通过电解质温度来体现。电解槽保持较低的电解质温度，有利于电流效率的提升。按照低电压的工艺管理，电解质温度保持在 935945。氧化铝是电解生产过程必不可少的一部分，对于氧化铝浓度定性的分析是必要的。阳极效应的发生是由于槽内较低的氧化铝浓度，当达到阳极效应的临界浓度时，发生效应。如果氧化铝添加量大于消耗量，电解质中的氧化铝浓度便会上升，当接近电解质中氧化铝的饱合溶解度时，氧化铝便会从电解质中析出，进而引起电解质温度降低，在炉底产生大量的沉淀。因此，控制电解质中的氧化铝浓度，是维持物料平衡重点2。将氧化铝质量分数控制在 1.52.5，有利于保持炉底压降，FHEST 稳流槽炉底压降基本保持在240270 MV。电解槽管理的中心是效应管理。电解槽的物料平衡和热平衡管理是效应管理的前提。在阳极效应发生时，短时间内会有大量电能进入到电解槽中，不仅使电解质温度增加，炉帮熔化，严重破坏炉膛形状，而且会造成阳极停止工作，电解槽不产铝，降低电流效率，表 2使用 FHEST 技术后直流电耗及工艺参数保持设定电压/V铝水平/cm电解质水平/cm电解温度/分子比电流效率/直流电耗/（kW h）3.8603.88024261820 9359452.352.4590.891.212 65012 800176窑窑2023 年第 9 期并增加氟化盐消耗和能耗。因此，阳极效应的发生对电解槽生产的破坏远远大于带来的利处。为此，山西兆丰铝电电解铝分公司加强槽维人员的相关业务能力培训，通过推行规范化、精致化操作要求，提升了员工在现场应对处置阳极效应的能力以及对阳极效应趋势的判断能力。同时，合理匹配技术条件，通过使用 FHEST 技术，有效降低了阳极效应系数，达到0.06 次/（槽 d）。电解槽交付使用后，操作质量高就能保证电解槽长期稳定运行，而且电流效率高、电耗指标低。一旦出现病槽，吨铝消耗可能增加几百甚至上千千瓦时的电能。因此，操作管理上做好以下工作：1）要保证换极操作质量。阳极设置精度高，阳极不压槽，要保证大块捞尽，避免换极后电压摆导致电压上抬。2）坚持阳极和效应结束后捞炭渣，利用换极过程清理炉底沉淀，降低阴极压降。3）在电解生产中随着槽电压的降低，内部输送热量也会逐渐降低，需要做好保温工作，减少电解槽热量损失，尽可能缩短换极、盖料时间，加强整形收边工作。选用保温材料将电解槽壳 4 个角的观察洞全面封堵，防止角部伸腿长大。同时，要做好散热带外露加强散热，促进炉帮形成等。5结论节能降耗是电解铝行业发展的方向，我们要转变传统的电解槽生产方式，通过优化匹配各项技术条件，提升操作质量，确保电解槽稳定运行，进而提高电流效率，降低电耗，达到较好的节能效果，实现降低生产成本的目标。参考文献1王刚，刘民章，李贤.240 kA 铝电解槽低电压运行的途径探讨J.有色冶金节能，2015，31（2）：22-24.2李清.大型预焙槽炼铝生产工艺与操作实践M.长沙：中南大学出版社，2005.（编辑：郭萍茹）Application of FHEST Technology in Energy Saving and Consumption Reduction of 300 kAAluminum Electrolytic Cell in Production PracticeZhao Ju（Shanxi Zhaofeng Aluminum Electrolytic Aluminum Branch,Yangquan Shanxi 045200,China）Abstract:In recent years,the National Development and Reform Commission has continuously issued policies to implement tiered electricityprices for the electrolytic aluminum industry based on the comprehensive exchange of aluminum liquid electricity consumption,andstrengthen the dual control management of energy total and energy consumption intensity.Electricity consumption has become one of thekey factors affecting the sustainable development of aluminum electrolysis.This article mainly introduces the specific situation of using a newtype of stable current insulation aluminum electrolysis cell energy-saving technology in a 300 kA electrolysis cell.Through cathode stablecurrent optimization,voltage balance optimization,heat balance optimization design and process parameters optimization,supporting furnaceconstruction and later management standards,and on-site service guidance,a series of measures have been taken to achieve the goal ofenergy conservation and consumption reduction.Key words:electrolytic aluminum;electrolytic cell;slot voltage;management ideas;low voltage参考文献1催新亮.KEPSERVER 在高炉数据采集中的应用J.山西电子技术，2017（2）：15-18.2周忠光.基于 OPC 通信的小型上位机 HMI 程序开发J.有色冶金设计与研究，2016（3）：67-69.3奕德爵.基于 OPC 的 WINCC 与和利时 PLC 的通信应用J.山东工业技术，2018（23）：97-98.（编辑：武倩倩）Practice of Diversified HMI System Integration in Lime KilnsMa Lihui,Wu Liyun（Sanming Sangang Mine Development Co.,Ltd.,Sanming Fujian 365000,China）Abstract:This paper introduces the status quo of lime kiln double-chamber kiln,gas kiln and corresponding dust removal control HMIsystem,which adopts Siemens,Schneider and DCS systems.Under the condition that the existing network and PLC hardware remainunchanged,the new HMI system is reconstructed on WINCC7.5.2,and the OPC technology and KEPserver software are used to realize thedata exchange,the integration of different HMI systems is realized,and the data governance of point variables is carried out to realize theproduction process data into the iron front edge system.Key words:Siemens;Schneider;DCS;HMI;OPC;KEPserver（上接第 140 页）赵桔：FHEST 技术在 300 kA 铝电解槽节能降耗生产实践中的应用177窑窑