邵明海

（山西華澤鋁電有限公司,山西 河津 043304）

鋁電解生產(chǎn)降低電能消耗的途徑

邵明海

（山西華澤鋁電有限公司,山西 河津 043304）

從鋁電解生產(chǎn)的能量消耗入手,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際重點(diǎn)論述了影響鋁電解生產(chǎn)能量消耗的幾大因素.通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐,探索出鋁電解實(shí)際生產(chǎn)中節(jié)能降耗的有效途徑.

我公司電解廠自 2005年投產(chǎn)以來(lái)一直注重電解槽的節(jié)能降耗工作,積極探索降低 300 kA大型預(yù)焙槽電能消耗的途徑,取得了一些經(jīng)驗(yàn).表 1展示了我公司電解廠 2009年每個(gè)月部分平均指標(biāo)的完成情況.

表 1 電解廠 2009年 1月～10月的部分生產(chǎn)指標(biāo)

1 鋁電解生產(chǎn)的電能消耗

了解清楚鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中電能的消耗對(duì)于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中尋找有效的節(jié)能降耗途徑是必須的.在采用預(yù)焙碳陽(yáng)極的電解過(guò)程中,將原料（氧化鋁和碳素體）從常溫升溫到反應(yīng)溫度 （以950℃計(jì)算）及反應(yīng)過(guò)程所需的能量,理論上 1 kg鋁只需能量 6.32 kW·h（陽(yáng)極氣體為 100%的CO2;陰極電流效率為 100%;不包括電解槽熱損失和導(dǎo)線能量損失;氧化鋁及碳均是純物質(zhì)）.

在實(shí)際電解過(guò)程中,電解槽與周圍介質(zhì)有一定溫度差,槽內(nèi)熱量會(huì)不可避免地向周圍散失,電流效率也不可能達(dá)到 100%,物料也不是純物質(zhì),所以實(shí)際需要的能量會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)理論計(jì)算值.

鋁電解過(guò)程的實(shí)際電耗率,可通過(guò)一定時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的鋁量與實(shí)際消耗的能量求得.對(duì)于電流強(qiáng)度為 I/A,電解時(shí)間為 t/h,平均電壓為 U/V的電解槽,所消耗的總能量為

在該時(shí)間內(nèi),產(chǎn)鋁量為

那么,其單位產(chǎn)量的電耗率W實(shí)為

上式即為生產(chǎn)中計(jì)算實(shí)際電耗率的公式.在鋁電解生產(chǎn)企業(yè)中,往往計(jì)算噸鋁直流電耗,即

式中:U—平均電壓,V;η—平均電流效率,%.

2 降低電能消耗途徑的理論推導(dǎo)

圖 1反映了槽電壓、電流效率與電耗的關(guān)系.由該圖及上述W實(shí)（實(shí)際電耗）的計(jì)算公式可以看出,鋁電解生產(chǎn)中實(shí)際電耗率與電解槽平均電壓成正比,與電流效率成反比,與電流大小無(wú)關(guān),所以降低槽平均電壓和提高電流效率是降低電能消耗兩個(gè)關(guān)鍵所在.

2.1 降低槽平均電壓

2.1.1 槽平均電壓的組成

電解槽的平均電壓可由下式表示.

式中:U陽(yáng)—陽(yáng)極電壓降;U質(zhì)—電解質(zhì)電壓降;

圖 1 槽電壓、電流效率與電耗的關(guān)系

U極化—極化電壓;U陰—陰極電壓降;U效—陽(yáng)極效應(yīng)分?jǐn)傠妷?U母線—母線電壓降 （包括陽(yáng)極、陰極、立柱、槽間母線）;U線路—線路損耗 .

從電解槽能量平衡的角度看,平均電壓可分兩部分.第一部分是能量平衡計(jì)算體系以內(nèi)的電壓降 ,即工作電壓,包括 U極化、U陽(yáng)、U陰、U質(zhì)、U效;第二部分則指黑電壓,包括 U母線和 U線路.在第一部分中,收入的能量除了供給反應(yīng)過(guò)程所需的理論能量外,其余則未用于生成電解鋁的化學(xué)反應(yīng)而散失掉了.反應(yīng)過(guò)程所需的理論能量是必不可少的.母線所耗的能量純屬空耗,越少越好.要使電解槽達(dá)到減少散熱損失和減少母線所耗能量的目的,就必須從電解槽的設(shè)計(jì)、安裝、操作管理入手,采取有效措施降低電解槽的平均電壓.

2.1.2 采用先進(jìn)的槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高砌爐質(zhì)量

設(shè)計(jì)合理的保溫結(jié)構(gòu),減少電解槽熱損失.要減少電解槽的散熱,必須加強(qiáng)其保溫,才能保證電解過(guò)程連續(xù)進(jìn)行的溫度條件.對(duì)于不同類型的電解槽,各部分的保溫要求雖然有所不同,但所有的電解槽底部都要求較好的保溫,減少爐底散熱損失.因此,設(shè)計(jì)中應(yīng)該選擇傳熱系數(shù)低的保溫材料作為底部?jī)?nèi)襯.300 kA大型預(yù)焙電解槽屬于中間下料的大型預(yù)焙槽,邊部不加工,爐膛靠電解質(zhì)自身凝固而形成,側(cè)部保溫太好對(duì)爐膛形成十分不利.所以要求側(cè)部應(yīng)有適度的散熱.華澤公司大型中間下料預(yù)焙槽,邊部采用了抗腐蝕性好,傳熱性能好的半石墨質(zhì)碳?jí)K和絕緣良好的碳化硅層里外組成的側(cè)碳,從而保證了形成規(guī)整、穩(wěn)固的槽膛內(nèi)型.另外,在筑爐砌爐過(guò)程中必須高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求地進(jìn)行每一項(xiàng)筑爐作業(yè),盡力提高安裝質(zhì)量.實(shí)踐證明,筑爐質(zhì)量是電解槽日后高效平穩(wěn)生產(chǎn),降低噸鋁直流電耗的關(guān)鍵因素.

2.1.3 降低陰極電壓降

在實(shí)際生產(chǎn)中要降低陰極電壓降,必需從陰極材料的選擇、電解槽的筑砌、電解槽的日常管理等方面著手,要求做到:

①選用導(dǎo)電性能良好的陰極碳?jí)K,降低陰極電壓降.

②選用半石墨化或石墨化的陰極碳?jí)K,可以有效地降低陰極電壓降.

③在正常生產(chǎn)中,穩(wěn)定適宜的技術(shù)條件是保持爐底壓降最低.保持爐底干凈,使其不產(chǎn)生沉淀或結(jié)殼以降低爐底壓降.

④在電解槽技術(shù)條件的管理上要仔細(xì)管理,通過(guò)嚴(yán)格的操作和技術(shù)條件管理,用預(yù)先控制的方法,盡力避免技術(shù)條件的波動(dòng),避免爐底沉淀和結(jié)殼的產(chǎn)生,從而有效地保證干凈的爐底.同時(shí)通過(guò)對(duì)側(cè)部保溫料的調(diào)整,規(guī)整電解槽爐膛,增加垂直電流,降低爐底壓降.

2.1.4 降低陽(yáng)極電壓降

①選擇先進(jìn)的陽(yáng)極制作工藝,生產(chǎn)比電阻較小的陽(yáng)極碳?jí)K,選取較小的陽(yáng)極電流密度.使用結(jié)構(gòu)合理的陽(yáng)極鋼爪,降低陽(yáng)極電壓降.

②選擇適中陽(yáng)極高度,盡可能減少碳?jí)K電壓降.目前預(yù)焙陽(yáng)極的比電阻一般在 50～60×10-4Ω·cm,陽(yáng)極電流密度在 0.7～0.8A/cm2,陽(yáng)極塊高度宜在 500～600mm.

③陽(yáng)極卡具壓降也是日常管理的重要工作.母線轉(zhuǎn)接后,及時(shí)進(jìn)行處理,平時(shí)也要定期進(jìn)行處理.

④對(duì)陽(yáng)極導(dǎo)桿進(jìn)行清洗拋光處理,在換陽(yáng)極時(shí)勤擦母線灰,可大大降低卡具壓降,從而降低陽(yáng)極電壓降.

⑤加足陽(yáng)極保溫料,防止陽(yáng)極氧化,降低鋼 -炭接觸壓降.

2.1.5 降低母線壓降

①選擇經(jīng)濟(jì)的母線電流密度,合理的配置母線形式,降低母線電壓降.

②提高電解槽和母線安裝質(zhì)量,降低連接處的電壓降.

③保證母線及槽體間連接母線周圍行路通暢,通風(fēng)散熱好,以減小母線電阻熱來(lái)降低線路壓降.

④定期清理母線周圍的雜物和鐵屑,確保絕緣良好,降低對(duì)地壓降.杜絕直流系統(tǒng)接地,避免槽子周圍吸附鐵屑雜物,防止人為手動(dòng)干擾槽控機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備,造成電壓等異常而導(dǎo)致高電壓,白白增加電耗.

2.1.6 降低電解質(zhì)壓降

電解質(zhì)的電壓降會(huì)隨著極距的變化而劇烈的變化,因此在不影響電流效率的情況下,保持合適的極距是降低電解質(zhì)壓降的關(guān)鍵.

圖 2 電流效率和極距關(guān)系圖

由圖 2的電流效率和極距的關(guān)系曲線可以看出極距在超過(guò) 35～40 mm后對(duì)提高電流效率的幫助微乎其微,白費(fèi)電耗.

表 2 各工段調(diào)整極距前電解槽的平均極距

結(jié)合我們現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)極距 （見(jiàn)表 2中的數(shù)據(jù)）大部分電解槽的極距均在 50mm,通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn),大膽地將極距調(diào)整為 45mm,大大降低了電解質(zhì)壓降.另外,我們還加強(qiáng)了電解質(zhì)的日常管理工作,包括:

①保持適宜的電解質(zhì)水平高度,降低電解質(zhì)比電阻,使用適當(dāng)?shù)奶砑觿?減少碳渣量.

②堅(jiān)持換陽(yáng)極和效應(yīng)熄滅后撈碳渣作業(yè),降低電解質(zhì)電阻,減小電解質(zhì)電壓降.

③消除太多、太厚炭渣對(duì)氧化鋁物料熔入電解的“阻礙”,保證電解質(zhì)內(nèi)有效的氧化鋁濃度,避免“假缺料”現(xiàn)象使電解質(zhì)電阻增高.

④避免過(guò)量炭渣返溶解于電解質(zhì)中,使電解質(zhì)電阻增加.

⑤確保計(jì)算機(jī)采集到電解槽的真實(shí)槽電阻,為控制、預(yù)報(bào)陽(yáng)極效應(yīng)提供可控性條件,從而有效降低電解質(zhì)壓降.

2.1.7 降低陽(yáng)極效應(yīng)分?jǐn)傠妷?/p>

有關(guān)研究資料顯示,陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)電解槽正常生產(chǎn)的影響害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于利,但目前的電解鋁生產(chǎn)技術(shù)又不能完全避免陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生.所以,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)努力提高技術(shù)操作水平,盡量低地控制效應(yīng)系數(shù),縮短陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)間,以降低電解槽的能量消耗,提高電能利用率.

陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生一是與電解質(zhì)中氧化鋁濃度的過(guò)分偏低有關(guān),即“濃度效應(yīng)”;二是和電解質(zhì)溫度太低,電解槽熱收入不足,造成氧化鋁的溶解度下降有關(guān),即“低溫效應(yīng)”.針對(duì)以上兩種情況,采取了以下措施:

①在計(jì)算機(jī)控制上,設(shè)定拉長(zhǎng)陽(yáng)極效應(yīng)等待間隔和縮短效應(yīng)持續(xù)時(shí)間.

②在效應(yīng)系數(shù)的管理上,加強(qiáng)責(zé)任心,減少下料系統(tǒng)故障,嚴(yán)格考核,優(yōu)化技術(shù)條件配置,降低效應(yīng)系數(shù).

③改變對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)的管理思路,只要槽況正常,盡量不來(lái)效應(yīng).要克服“長(zhǎng)時(shí)間不來(lái)效應(yīng)會(huì)造成槽況不好的”觀點(diǎn).

④在效應(yīng)管理上制定適宜的獎(jiǎng)懲辦法,把效應(yīng)管理工作作為一項(xiàng)重要的常規(guī)管理工作來(lái)抓.

⑤加強(qiáng)槽上部打殼下料系統(tǒng)故障的點(diǎn)檢維修力度,確保下料口暢通,始終正常的下料可以有效防止陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生.

⑥提高職工的責(zé)任意識(shí)和操作技能水平,嚴(yán)格按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)保持好各項(xiàng)技術(shù)條件,保證電解槽有規(guī)整的爐膛,潔凈的爐底,穩(wěn)定的電解質(zhì)成分,合適的電解質(zhì)溫度.

⑦采用正確的熄滅效應(yīng)方法 （二圈法）,及時(shí)熄滅陽(yáng)極效應(yīng),縮短陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)間.

⑧電解工實(shí)行專槽負(fù)責(zé)制,效應(yīng)系數(shù)的考核與各工區(qū)、橫班進(jìn)行掛勾,以有效降低效應(yīng)系數(shù).

2.1.8 加強(qiáng)技術(shù)條件的日常管理

降低平均電壓,技術(shù)條件的日常管理也是十分重要的一個(gè)方面.首先,從日常基礎(chǔ)管理開(kāi)始,重視對(duì)槽子狀態(tài)的預(yù)分析,做到未雨綢繆,先發(fā)制槽,防患于未然.其次,精心操作,嚴(yán)格把住各項(xiàng)操作質(zhì)量,嚴(yán)格執(zhí)行出鋁作業(yè)、換極作業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)制度.

2.2 提高電流效率

2.2.1 做好電解槽焙燒啟動(dòng)工作

我公司在 2005年投產(chǎn)時(shí),就極其重視電解槽的焙燒啟動(dòng)工作,因?yàn)闊o(wú)數(shù)的生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明了電解槽焙燒啟動(dòng)工作做好了,就會(huì)給電解槽生產(chǎn)打下一個(gè)良好的基礎(chǔ),使電解槽能夠達(dá)到理想的能量 -物料 -電壓三個(gè)平衡狀態(tài).還有,在焙燒啟動(dòng)的后期管理中嚴(yán)格工藝制度,重點(diǎn)抓了使電解槽建立穩(wěn)固、規(guī)整理想的爐膛工作,只要電解槽有了這一天然屏障,其生產(chǎn)就有了很大的穩(wěn)定范圍和穩(wěn)定度.可以大大提高電流效率,實(shí)現(xiàn)電解槽優(yōu)質(zhì)、平穩(wěn)、高效、低耗的生產(chǎn).

2.2.2 降低電解溫度

電流效率下降的主要原因是鋁液的二次反應(yīng)損失,也就是電解得到的鋁又溶解于電解質(zhì)中,由此轉(zhuǎn)到陽(yáng)極附近與 CO2氣泡接觸后被 CO2氧化成 A l2O3,即:A l+CO2→A l2O3+CO↑.造成鋁損失的關(guān)鍵因素是鋁的溶解度和擴(kuò)散速度.而影響鋁的溶解度和擴(kuò)散速度的關(guān)鍵因素是電解溫度,電解質(zhì)溫度越高,鋁的溶解量越多,同時(shí)電解質(zhì)的流動(dòng)性也越好,從而擴(kuò)散速度加快,鋁損失增加.因此,在電解槽生產(chǎn)平穩(wěn)的前提下,盡可能的降低槽溫以實(shí)現(xiàn)提高電流效率的目的.降低電解槽溫度主要有兩個(gè)方法,一是降低電解質(zhì)的初晶溫度,二是降低電解質(zhì)的過(guò)熱度.通過(guò)努力我們成功地將電解質(zhì)溫度控制在了 945～955℃范圍內(nèi),過(guò)熱度控制在了 10～20℃的范圍內(nèi),并在電流效率方面取得了良好的效果.

2.2.3 提高操作質(zhì)量

提高操作質(zhì)量,加強(qiáng)管理,保證電解槽的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于提高電解槽的電流效率是必須的.操作上應(yīng)抓好下列作業(yè)質(zhì)量:

①換極質(zhì)量陽(yáng)極設(shè)置精度要高,陽(yáng)極下不壓塊,使工作電壓穩(wěn)定,無(wú)因針振而有提高槽電壓現(xiàn)象.

②提高新陽(yáng)極 16 h電流分布合格率,確保電解槽電流分布均勻.

③加足極上保溫料,減少上表面散熱.

④效應(yīng)熄滅及時(shí),不出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)和異常電壓.

⑤出鋁精度要高,不出現(xiàn)波及電解槽熱平衡的干撓因素.

2.2.4 保持規(guī)整的爐膛內(nèi)型

在電解槽的正常生產(chǎn)中,保持規(guī)整的爐膛內(nèi)型可使電解槽運(yùn)行更平穩(wěn),有益于提高電流效率.好的爐膛內(nèi)型:

①可使電流磁場(chǎng)分布更加均勻.

②可以防止電流走側(cè)部,減少水平電流.

③鋁水波動(dòng)小,工作電壓較平穩(wěn) （減少二次反應(yīng)）.

④防止陽(yáng)極病態(tài)出現(xiàn),如長(zhǎng)包、長(zhǎng)牙、掉角、掉塊等.

⑤可以減少電壓針振、擺動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生.

2.2.5 確保電解槽技術(shù)條件的平穩(wěn)

和降低電解槽平均電壓一樣,確保電解槽技術(shù)條件的平穩(wěn)及合理搭配是提高電流效率的關(guān)鍵.電解生產(chǎn)是各項(xiàng)技術(shù)條件綜合作用的結(jié)果,各項(xiàng)技術(shù)條件之間存在著相輔相承的關(guān)系,某一項(xiàng)技術(shù)條件發(fā)生變化,其他技術(shù)條件也會(huì)隨之改變,并且影響電解槽的正常生產(chǎn),嚴(yán)重時(shí)引發(fā)病槽.發(fā)生病槽后電流效率急劇下降,電耗急劇增加.所以,確保技術(shù)條件的平穩(wěn)性,保證電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn),可最大限度地提高電流效率,進(jìn)而降低噸鋁直流電耗.

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程,保持穩(wěn)定技術(shù)參數(shù),不斷優(yōu)化鋁電解生產(chǎn)工藝條件,進(jìn)行合理科學(xué)搭配,是保證電解槽平穩(wěn)生產(chǎn)的前提條件,也是降低電能消耗的基本保障.

（2）加強(qiáng)管理,努力提高操作質(zhì)量,實(shí)行精細(xì)化管理,科學(xué)降低槽平均電壓和有效提高電流效率是降低電能消耗的根本途徑.

A

1671-6620（2010）S1-0086-04