胡清韜，李昌林，王俊青，焦慶國(guó)，周彩群

（1.中國(guó)鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.國(guó)家鋁冶煉工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450041）

1 前言

鋁電解行業(yè)歷來(lái)被認(rèn)為是高耗能行業(yè)，生產(chǎn)1噸鋁消耗13000kWh以上，降低鋁電解能耗是國(guó)家﹑政府﹑行業(yè)和鋁電解技術(shù)人員共同關(guān)注的課題。2009年國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了有色金屬產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃，提出重點(diǎn)骨干電解鋁企業(yè)噸鋁直流電耗下降到12500千瓦時(shí)以下的目標(biāo)。2011年工業(yè)和信息化部發(fā)布的鋁工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃也將“十二五”末噸鋁直流電耗目標(biāo)確定為12500kWh以下。這給行業(yè)帶了空前的壓力，行業(yè)的鋁電解技術(shù)人員加快了鋁電解節(jié)能技術(shù)的研究。

中鋁鄭州研究院長(zhǎng)期致力于鋁工業(yè)重大關(guān)鍵共性技術(shù)的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了一系列具有重大影響的鋁工業(yè)核心技術(shù)。鄭州研究院鋁電解方向?qū)I(yè)技術(shù)人員基于前期的研究基礎(chǔ)﹑多年技術(shù)服務(wù)和對(duì)電解鋁工藝技術(shù)設(shè)備的深入理解，開(kāi)發(fā)了新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)，技術(shù)思路如圖1所示。該技術(shù)以高導(dǎo)電穩(wěn)流鋼棒為核心，優(yōu)化了電解槽的陰極結(jié)構(gòu)，大幅降低了水平電流，保證了電解槽可以在更低電壓下穩(wěn)定運(yùn)行。槽電壓的降低減少了電解槽的能量輸入，為了保持電解槽的能量平衡，對(duì)電解槽的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更加科學(xué)的設(shè)計(jì)，減少了電解槽的散熱?，F(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員對(duì)筑爐材料﹑筑爐質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，確保電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行[1,2]。

圖1 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)思路

新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)多家企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，獲得了良好的節(jié)能效果，電解槽的直流電耗降低500kWh/t-Al左右，部分企業(yè)的鋁液直流電耗降低至12500kWh/t-Al以下。電解槽能耗的降低必須有能量平衡的支撐，電解槽能量平衡優(yōu)化是本技術(shù)的核心內(nèi)容之一，本文主要介紹了該技術(shù)能量平衡優(yōu)化的思路﹑措施和在某企業(yè)應(yīng)用的具體效果。

2 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)能量平衡優(yōu)化

2.1 能量平衡優(yōu)化思路[3,4]

（1）確定電解槽高效運(yùn)行時(shí)的電解質(zhì)成分，測(cè)定電解質(zhì)初晶溫度；

（2）鋁電解內(nèi)襯材料的測(cè)試與優(yōu)選；

（3）根據(jù)測(cè)試所得內(nèi)襯材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行電解槽內(nèi)襯設(shè)計(jì)，槽內(nèi)襯中電解質(zhì)初晶等溫線的位置應(yīng)在陰極碳?jí)K底部，以減少電解質(zhì)的滲漏，使耐火材料﹑保溫材料避免受到電解質(zhì)的侵蝕。

（4）基于電解槽運(yùn)行參數(shù)的控制，確保側(cè)襯材料表面形成足夠厚度的保護(hù)性爐幫和伸腿，減少側(cè)部散熱又避免側(cè)部漏爐。適當(dāng)調(diào)整電解槽上部散熱，優(yōu)化電解槽能量平衡設(shè)計(jì)，電解槽總散熱損失不超過(guò)1.65V；

2.2 內(nèi)襯的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)某企業(yè)的實(shí)際情況確定電解槽高效運(yùn)行時(shí)的電解質(zhì)成分，測(cè)定其電解質(zhì)的初晶溫度為922℃。根據(jù)電解槽設(shè)計(jì)要求選擇筑爐材料，對(duì)筑爐材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，確保筑爐材料達(dá)到要求。

原設(shè)計(jì)底部?jī)?nèi)襯材料自上而下依次是：450mm厚30%石墨陰極；180mm厚干式防滲料；132mm厚輕質(zhì)保溫磚；60mm厚硅酸鈣板；10mm厚玻璃纖維板。底部各層內(nèi)襯上表面溫度仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 原設(shè)計(jì)底部各層內(nèi)襯上表面溫度計(jì)算結(jié)果

原設(shè)計(jì)防滲料上表面溫度910.2℃，與電解質(zhì)初晶溫度922℃相差較大，電解槽的保溫有提升潛力。新技術(shù)將底部陰極碳?jí)K改為50%電煅無(wú)煙煤+50%石墨質(zhì)陰極碳?jí)K，底部保溫層內(nèi)原兩層輕質(zhì)保溫磚不變，防滲料厚度170mm，最下層為60mm硅酸鈣板改為80mm，取消原設(shè)計(jì)10mm厚陶瓷纖維板。能量平衡優(yōu)化后底部各層內(nèi)襯上表面溫度仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化后底部各層內(nèi)襯上表面溫度計(jì)算結(jié)果

能量平衡優(yōu)化后922℃初晶等溫線相對(duì)原設(shè)計(jì)下移，位于陰極碳?jí)K底部，保溫效果增強(qiáng)，同時(shí)依然可以有效減少電解質(zhì)的滲漏。

2.3 電解槽上部能量平衡優(yōu)化

電解槽上部能量主要通過(guò)煙氣和覆蓋料傳導(dǎo)出去，為了保證電解槽凈化系統(tǒng)的效果，保持原有凈化系統(tǒng)煙氣流量不變，新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)采用優(yōu)化覆蓋料粒度的方法降低電解槽上部散熱[5,6]，覆蓋料的粒度由技術(shù)應(yīng)用前的平均20mm降低至10mm以下，為減低上部散熱提供了重要的支撐。

3 新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)能量平衡應(yīng)用效果

為了科學(xué)測(cè)算電解槽的能量平衡變化，采用日本進(jìn)口的HFM-215N型熱流計(jì)參照中華人民共和國(guó)有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS/T 480-2005測(cè)量了電解槽表面溫度和散熱[7]，并根據(jù)相應(yīng)的方法計(jì)算電解槽區(qū)域散熱。

3.1 槽殼溫度降低

槽殼表面溫度是電解槽運(yùn)行狀況的間接體現(xiàn)，本部分通過(guò)對(duì)新型穩(wěn)流保溫槽和對(duì)比槽的電解槽鋼窗口溫度和爐底溫度的測(cè)試，來(lái)定性比較兩種槽型的側(cè)下部保溫性能優(yōu)劣。

從表3可以看出，新型穩(wěn)流保溫槽A面鋼窗口平均溫度210℃，B面鋼窗口平均溫度216℃，鋼窗口平均溫度213℃；對(duì)比槽A面鋼窗口平均溫度258℃，B面鋼窗口平均溫度253℃，鋼窗口溫度255℃。新型穩(wěn)流保溫槽鋼窗口平均溫度較對(duì)比槽低42℃。

表3 新型穩(wěn)流保溫槽和對(duì)比槽鋼窗口溫度(℃)

由表4可知，對(duì)比槽槽底板平均溫度103℃，溫度極差32℃，標(biāo)準(zhǔn)差8.5℃；對(duì)比槽爐底板溫度高于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明對(duì)比槽內(nèi)襯材料的熱工性能有一定的改變，影響了保溫效果。新技術(shù)槽槽底板平均溫度68℃，較對(duì)比槽槽降低35℃，溫度極差17℃，標(biāo)準(zhǔn)差3.7℃。新技術(shù)槽爐底熱工狀況良好，溫度較為均勻，說(shuō)明熱場(chǎng)內(nèi)襯設(shè)計(jì)合理。

表4 新型穩(wěn)流保溫槽和對(duì)比槽爐底溫度(℃)

表5 新型穩(wěn)流保溫槽和對(duì)比槽能量平衡

3.2 電解槽散熱降低

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法[7]對(duì)電解槽能量平衡進(jìn)行了測(cè)試和計(jì)算，將電解槽散熱區(qū)域分為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，陽(yáng)極區(qū)分為槽罩和上部結(jié)構(gòu)；陰極區(qū)分為陰極區(qū)側(cè)部和陰極區(qū)底部。結(jié)果表明，新型穩(wěn)流保溫槽總散熱折合電壓1.644V，槽罩散熱0.313V﹑占總散熱比例19.04%，上部結(jié)構(gòu)散熱0.624V﹑占總散熱比例37.96%，陽(yáng)極區(qū)散熱0.937V﹑占總散熱比例57.00%；陰極區(qū)側(cè)部散熱0.593V，占總散熱比例36.07%，陰極區(qū)底部散熱0.114V，占總散熱比例6.93%，陰極區(qū)散熱0.707V﹑占總散熱比例43.00%。對(duì)比槽總散熱折合電壓1.793V，槽罩散熱0.370V﹑占總散熱比例20.64%，上部結(jié)構(gòu)散熱0.643V﹑占總散熱比例35.86%，陽(yáng)極區(qū)散熱1.013V﹑占總散熱比例56.50%；陰極區(qū)側(cè)部散熱0.617V，占總散熱比例34.41%，陰極區(qū)底部散熱0.163V，占總散熱比例9.09%，陰極區(qū)散熱0.780V﹑占總散熱比例43.50%。新型穩(wěn)流保溫槽和對(duì)比槽整體散熱分布基本合理，新型穩(wěn)流保溫槽總散熱較普通槽降低149mV，其中陽(yáng)極區(qū)散熱減小0.076V，陰極區(qū)散熱減小0.073V。新型穩(wěn)流保溫槽較對(duì)比槽散熱降低一方面因?yàn)槟芰科胶鈨?yōu)化，陰極區(qū)側(cè)部散熱降低24mV，陰極區(qū)底部散熱降低49mV；同時(shí)由于工藝參數(shù)的調(diào)整陽(yáng)極區(qū)散熱也有較大幅度的降低，槽罩散熱降低57mV，上部結(jié)構(gòu)散熱降低19mV。

測(cè)試結(jié)果表明，新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)能量平衡優(yōu)化后，槽殼表面大幅降低，溫度分布均勻；散熱降低149mV，各區(qū)域散熱分布合理，優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié)論

新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)根據(jù)某企業(yè)的實(shí)際情況確定電解槽高效運(yùn)行時(shí)的電解質(zhì)成分，測(cè)定了電解質(zhì)的初晶溫度。根據(jù)電解槽設(shè)計(jì)要求選擇筑爐材料，對(duì)筑爐材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，確保筑爐材料達(dá)到要求。通過(guò)仿真對(duì)內(nèi)襯結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于工藝制度調(diào)整優(yōu)化了電解槽散熱分布。新型穩(wěn)流保溫鋁電解槽節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后，電解槽鋼窗口平均溫度較對(duì)比槽降低42℃，爐底板平均溫度較對(duì)比槽降低35℃。電解槽總散熱較對(duì)比槽降低149mV，其中陽(yáng)極區(qū)散熱減小0.076V，陰極區(qū)散熱減小0.073V。新型穩(wěn)流保溫槽較對(duì)比槽散熱降低一方面因?yàn)槟芰科胶鈨?yōu)化陰極區(qū)散熱顯著降低，另一方面由于工藝參數(shù)的調(diào)整陽(yáng)極區(qū)散熱也有較大幅度的降低。