（中國鋁業(yè)股份有限公司青海分公司，青海 西寧 810108）

1 熱平衡診斷

熱平衡診斷主要是以電解槽體系電壓為能量收入，以電解反應能耗、電解槽各部分散熱損失為能量支出，分解得出電解槽的散熱結構[1-3]。同時，參考電解槽各部分的壓降分布、溫度分布和槽膛內形等測試結果，以此來評價電解槽的熱平衡狀況[4-8]。

1.1 熱平衡測試

某企業(yè)200kA系列的電流強度為215kA，部分電解槽大修后采用節(jié)能技術，設定電壓約3.85V，系列的電解質體系以及測試槽的主要工藝技術參數(shù)見表1和表2。

表1 200kA電解系列的電解質體系

由于氧化鋁原料的原因，電解質體系中的整體鋰鉀鹽含量達到7%，再加上采用衍射法化驗電解質成分，造成分子比化驗值虛高。

表2 測試槽的工藝參數(shù)匯總表

由表2可知，節(jié)能槽的熔體區(qū)槽殼和陰極鋼棒的平均溫度基本正常，但5777#和6604#槽底板平均溫度為179℃和142℃，遠高于設計值70℃，易導致槽底部散熱偏大、爐底偏冷的現(xiàn)象，應該給予足夠重視。

其中，5777#的爐幫厚僅4.8cm，再加上槽底板平均溫度高達179℃，爐膛易出現(xiàn)畸形，應密切關注該電解槽，在每次換極時及時跟蹤測量爐膛內形，看是否存在爐幫薄而伸腿肥大的趨勢。

在覆蓋料厚度相同的情況下，三臺節(jié)能槽的排煙量從-16%～-5%，均低于工區(qū)平均值，這與節(jié)能槽的低槽電壓設置有直接關系；但排煙量偏差較大，可能會造成系列電解槽上部散熱差異性較大，給熱平衡的統(tǒng)一管理帶來一定困難。

1.2 熱平衡復核

建立200kA節(jié)能槽熱平衡模型，根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，進行熱平衡復核計算。節(jié)能槽的溫度分布和爐膛內形見圖1和圖2，模擬值與測試值對比見表3。

圖1 200kA節(jié)能槽截面溫度分布

圖2 200kA節(jié)能槽爐膛內形

表3 200kA節(jié)能槽熱平衡計算表

極間壓降V 2.920 2.933陰極壓降V 0.336 0.335電解溫度℃ 922 925爐幫厚度cm 9.0 10.2伸腿長度cm 11.6 12.7側壁溫度℃ 266 233

計算得到200kA節(jié)能槽電壓3.853V，其中極距4.6cm，陰極壓降0.335V，電解質溫度為925℃，槽殼熔體區(qū)平均溫度為233℃。

爐幫最薄厚度為10.2cm，伸腿長度12.7cm。與測試結果對比可知，熱平衡模擬所得陰極壓降、電解溫度、側壁溫度和爐幫厚度與測試值吻合，證明熱平衡計算結果正確可靠。

1.3 熱平衡診斷分析

根據(jù)測試和模擬結果，建立電解槽的散熱結構，并由此來診斷熱平衡狀況。200kA節(jié)能槽的散熱結構分布見表4和圖3。

表4 200kA節(jié)能槽散熱結構表

三臺節(jié)能槽的上下散熱比例大致為60:40，其中煙氣帶走熱約占總散熱量的32%。5759#槽底散熱量為5.1%，在正常范圍內。

但5777#和6604#電解槽的槽底散熱量過大，分別占到整體散熱量的11.1%和15.1%，遠遠超過了正常水平，需要引起特別關注。

圖3 節(jié)能槽散熱結構分布

2 工藝優(yōu)化措施

三臺200kA節(jié)能槽平均電壓3.853V，平均出鋁效率92.1%，噸鋁直耗12467kWh；上下散熱比例約為60:40，煙氣帶走熱約占32%；爐幫厚度約9.0cm，伸腿長約11.6cm，電解槽運行穩(wěn)定，爐幫稍薄，伸腿略長。但從散熱結構來看，大修后僅兩年多的5777#和6604#電解槽的槽底板溫度偏高，槽底部散熱量偏大，若不及時處理則會影響后期的技術指標和槽壽命。

圖4 爐底保溫現(xiàn)場圖

針對上述節(jié)能槽底部散熱偏大的問題，首先排查全系列的槽底板溫度，對超過120℃的電解槽采取了底部保溫的優(yōu)化措施。

其次優(yōu)化電解槽爐膛內型，調整氟鹽加入量，調整分子比和過熱度，使電解槽有利于爐幫生長，從而達到增厚爐幫的目的。

最后在操作上進行改進，特別是覆蓋料要規(guī)范，達到操作要求標準；換極時盡量縮短時間，減少電解槽散熱；槽蓋板整齊嚴實，保證良好的保溫效果。

3 優(yōu)化效果

通過前面的分析，找出了200kA系列節(jié)能型鋁電解槽熱平衡方面存在的問題，并有針對性地制定了改進措施，具體的優(yōu)化效果見表5。優(yōu)化前和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)都是三臺200kA節(jié)能槽平均值。

表5 200kA節(jié)能槽優(yōu)化效果

由表5可以看出，優(yōu)化后槽電壓基本不變，爐幫厚度增加了5.5cm，伸腿減少了3.2cm，散熱電壓降低了17mV，特別是爐底散熱降低了35mV，電流效率提高了0.8%，噸鋁直流電耗降低了114kWh，取得了良好的優(yōu)化效果。

4 結語

本文對某企業(yè)200kA系列節(jié)能型鋁電解槽從電解質成分、運行參數(shù)、爐膛內型、散熱分布等方面詳細分析和診斷了熱平衡狀態(tài)，指出了熱平衡方面存在的問題，根據(jù)問題制定了針對性的改進措施，優(yōu)化后槽電壓基本不變，爐幫厚度增加了5.5cm，伸腿減少了3.2cm，散熱電壓降低了17mV，特別是爐底散熱降低了35mV，電流效率提高了0.8%，噸鋁直流電耗降低了114kWh，取得了良好的優(yōu)化效果。本研究可以為鋁電解槽熱平衡分析診斷和節(jié)能降耗提供借鑒和參考。