黃衛(wèi)平|文

本文介紹了某公司在針對低電壓所帶來的問題，采取的電流強(qiáng)化與系列槽擴(kuò)容的實(shí)例，為低電壓生產(chǎn)效益的最大化提供了一個(gè)參考。

電解鋁生產(chǎn)屬于高能耗產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)一噸鋁約需要14000kW·h的電能，電價(jià)成本在整個(gè)鋁電解的成本中約占40%。其中在電解鋁生產(chǎn)過程控制中原鋁直流電耗是衡量企業(yè)電解鋁技術(shù)水平與評(píng)判電解槽運(yùn)行狀態(tài)好壞的最直接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，原鋁直流電耗在生產(chǎn)中用式（1）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

式中：W-原鋁液直流電耗，kW·h/kg-Al;

V-平均電壓，V；

從式（1）可看出電解鋁電耗與平均電壓與電流效率有關(guān)系，在實(shí)際生產(chǎn)中降低電耗可以從調(diào)整這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)入手，即提高電流效率與降低平均電壓。從國內(nèi)外對比情況看，由于生產(chǎn)管理模式不一，所以采取的措施也不相同，國外由于相對電力成本較低，所以一般采取高效率的生產(chǎn)模式，雖然直觀反映的電耗并不是最低，但是綜合經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

挪威海德魯鋁廠的420kA電解槽指標(biāo)，可以說其經(jīng)濟(jì)性居世界首位。其電流效率達(dá)95%，由于受電解原料氧化鋁與陽極質(zhì)量的影響，這對于國內(nèi)電解槽來說是很難達(dá)到的。但是針對平均電壓，國內(nèi)目前較低的系列平均運(yùn)行電壓保持在3.9V左右，直流電耗可降至12600kW·h左右，且低電壓還有繼續(xù)下降的空間，實(shí)現(xiàn)12000kW·h左右的直流電耗完全是可能的，同樣也能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。

低電壓技術(shù)應(yīng)用

青海某公司從2009年自主研究開發(fā)了《低電壓控制鋁電解槽節(jié)能生產(chǎn)技術(shù)》，分別從電解槽保溫技術(shù)的研究與應(yīng)用、高導(dǎo)電和高溶解性能電解質(zhì)體系的研究分析、氧化鋁濃度低窄區(qū)域控制、電解槽生產(chǎn)工藝技術(shù)參數(shù)優(yōu)化配置研究、降低各部位電壓降以及電解槽低電壓啟動(dòng)技術(shù)的研究等方面探索了一整套低電壓生產(chǎn)控制技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果。低電壓技術(shù)實(shí)施后原鋁直流電耗降低顯著，但同時(shí)電流效率也呈降低的趨勢，因此，在低電壓實(shí)施過程中研究電壓、電耗、電流效率之間的平衡關(guān)系就顯得尤為重要。圖1給出了三者間的關(guān)系，應(yīng)該說在A點(diǎn)附近三者間的匹配較為理想。

圖1 電耗、電流效率與電壓間的關(guān)系

低電壓能量平衡

1.低電壓能量平衡分析

電解槽能量平衡是指單位時(shí)間內(nèi)電解槽中能量的收支相等。換言之，同一時(shí)間內(nèi)，輸入到電解槽的能量只要等于電解槽支出的能量，電解槽的能量才能維持一種平衡狀態(tài)，電解槽的狀態(tài)才能維持穩(wěn)定。在實(shí)施低電壓技術(shù)后，由于電壓下降后，熱收入減少，勢必會(huì)打破原來的能量平衡，在實(shí)際生產(chǎn)中有兩種辦法可以建立起新的能量平衡，一是降低鋁水平，二是強(qiáng)化電流。降低鋁水平必然引起電解槽穩(wěn)定度下降，會(huì)影響電壓的進(jìn)一步降低。電解強(qiáng)化是增加了電解槽能量的供給，一方面可以維持電解槽新的能量平衡，另一方面可以彌補(bǔ)由于低電造成電流效率降低所造成的產(chǎn)量損失。因此在實(shí)踐中低電壓往往與電流相結(jié)合，圖2為某公司電解槽降電壓配合強(qiáng)化電流過程趨勢。

圖2 某公司電解槽降電壓配合強(qiáng)化電流過程趨勢

2.電流強(qiáng)化實(shí)例

某公司電解三系列原設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為200kA，槽平均電壓為4.18V，原鋁液直流電耗為13400kW·h/t。在低電壓生產(chǎn)過程中，為了建立新的能量平衡，配合進(jìn)行了電流強(qiáng)化。根據(jù)能量平衡的概念，可以得出如下的關(guān)系式：

根據(jù)式（2）強(qiáng)化前后極化電壓及其他條件不變的情況下，當(dāng)電壓由4.16V降至3.9V后需要強(qiáng)化的電流為：

在實(shí)際強(qiáng)化過程中依據(jù)對電解槽的熱場、磁場、電場、流動(dòng)場的測試分析與模擬結(jié)果，作為強(qiáng)化電流試驗(yàn)的理論指導(dǎo)。結(jié)合公司的陽極質(zhì)量現(xiàn)狀，將電流強(qiáng)化至215kA。電流強(qiáng)化后根據(jù)槽運(yùn)行狀況對鋁水平、分子比、加料間隔、保溫料、陽極周期等進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)過強(qiáng)化前后指標(biāo)的對比，強(qiáng)化后單槽出鋁量由原來1498kg/d提高至1610kg/d，很好地彌補(bǔ)了低電壓的不足。

低電壓運(yùn)行條件下系列電壓平衡

1.系列電壓平衡分析

某公司電解三系列每個(gè)車間原設(shè)計(jì)安裝134臺(tái)SY200預(yù)焙陽極電解槽(設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度200kA，平均電壓4.18V)，全系列共設(shè)有268臺(tái)電解槽，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為14萬噸/年，于2002年陸續(xù)投產(chǎn)。整流所配置有4臺(tái)整流變,實(shí)際輸出電壓為1120V。隨著生產(chǎn)的不斷調(diào)整,槽電壓不斷下降，且生產(chǎn)過程中，效應(yīng)電壓及效應(yīng)持續(xù)時(shí)間也有不同程度的降低，按槽電壓4.0V，預(yù)留電壓40V計(jì)算，三系列富余電壓約110V，具有進(jìn)一步挖潛提產(chǎn)的空間。

2.系列增產(chǎn)實(shí)例

某公司電解三系列額定電壓1220kV，實(shí)際運(yùn)行電壓為1070V，電壓富余為150V，如預(yù)留電壓按40V計(jì)算,則三系列富余電壓約110V。如果按平均電壓4.0V計(jì)算，可以增加電解槽臺(tái)數(shù)為28臺(tái)?，F(xiàn)有電解車間軸線到馬路邊緣間距為45.8米，且距現(xiàn)有車間40.3米有一根排水管道，埋深為3.2米。在不破壞擋墻及排水管道的基礎(chǔ)上，且考慮排水管道的維護(hù)，確定長度。電解三系列每個(gè)車間擬加長端頭安裝的兩臺(tái)ECL多功能天車,車寬為12.6米,考慮滿足多功能天車對端頭槽的各種操作需要,綜合考慮上述因素,確定電解車間加長39.2米。綜合考慮富余電壓及空余場地等各方面因素，確定電解三系列改造項(xiàng)目每個(gè)廠房增設(shè)7臺(tái)節(jié)能型SY200預(yù)焙陽極電解槽，系列增加14臺(tái)電解槽，以電流210kA，電流效率93%計(jì)算，系列年產(chǎn)8035.7t鋁液。該項(xiàng)目從2012年開始實(shí)施，2013年順利投產(chǎn)，電解槽同樣采用低電壓生產(chǎn)技術(shù)，在降低原鋁電耗的同時(shí)，提高了整個(gè)系列的產(chǎn)量，表1為增產(chǎn)后各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比。

表1 增產(chǎn)后各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

明確思路 穩(wěn)定槽況

低電壓運(yùn)行時(shí)，由于其他工藝技術(shù)條件的變化，要求現(xiàn)場的操作管理要更精細(xì)，這就要求有更加明確的低電壓工藝管理的思路，有研究人員結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際總結(jié)出的“一個(gè)中心，兩項(xiàng)措施，三個(gè)長效機(jī)制”管理方法具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，即以爐膛的規(guī)定穩(wěn)定為中收，以微調(diào)電壓和出鋁節(jié)奏變化為措施，堅(jiān)持保溫料、爐底、技術(shù)條件三個(gè)方面的長期嚴(yán)格管理。同時(shí)細(xì)化操作質(zhì)量，加強(qiáng)“三項(xiàng)”操作，努力實(shí)現(xiàn)“長時(shí)間的電壓穩(wěn)定，合理的技術(shù)條件，規(guī)整的爐膛”，低電壓運(yùn)行才能發(fā)揮出更大的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)論

由于國內(nèi)鋁電解用氧化鋁、炭陽極受質(zhì)量的制約，低電壓技術(shù)路線是一條降低鋁電解能耗的有效途徑。低電壓較低的直流電耗帶來的綜合效益是可觀的。低電壓技術(shù)雖然實(shí)施過程中電流效率有所下降，但是通過強(qiáng)化電流與系列增產(chǎn)增加槽日產(chǎn)鋁量與系列產(chǎn)鋁量，能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化。