侯金龍,劉雅鋒,胡紅武,李廣彬

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽110001)

隨著中國“雙碳"戰(zhàn)略的逐步實施,電解鋁行業(yè)“能耗雙控”壓力愈發(fā)增大[1],尤其是“階梯電價”政策實施后,電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的能耗將直接與電價掛鉤,高能耗高電價勢必將影響到部分電解鋁企業(yè)的生存,整個中國電解鋁行業(yè)亟需加快技術(shù)升級、節(jié)能降碳。

開展綠色低碳深度節(jié)能鋁電解技術(shù)研究與開發(fā),降低電解鋁生產(chǎn)能源消耗,尤其是降低存量電解系列能源消耗,是踐行國家節(jié)能降碳政策、提升我國電解鋁工業(yè)國際競爭力的必由之路,也是電解鋁企業(yè)降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

在此背景下,SAMI根據(jù)某鋁廠已停產(chǎn)500 kA電解系列的實際改造需求,通過一系列針對性的技術(shù)開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了高穩(wěn)定性磁場原位升級技術(shù)、NSBT技術(shù)、NCCT技術(shù)、“健康長壽命”內(nèi)襯結(jié)構(gòu)技術(shù)和節(jié)能型上部結(jié)構(gòu)技術(shù)在500 kA改造電解系列上的集成應(yīng)用。該技術(shù)體系可簡稱為綠色低碳深度節(jié)能鋁電解技術(shù)體系,升級改造后的500 kA電解系列重新投運后運行穩(wěn)定,取得了良好的工藝技術(shù)指標,節(jié)能增效效果顯著。

1 電解系列改造前運行情況

停產(chǎn)改造前,該500 kA電解系列已運行超過8年,運行過程中存在的突出問題如下:

(1)電解槽磁流體穩(wěn)定性抗干擾能力不足,無法滿足電解槽在較低極距空間下穩(wěn)定生產(chǎn)運行的需求。

(2)采用30%石墨質(zhì)陰極炭塊和扎糊組裝陰極組形式,平均陰極壓降超過320 mV,爐膛情況較差,槽底板溫度偏高。

(3)電解槽上部結(jié)構(gòu)采用下煙道集氣形式。隨著槽齡的增長,煙道內(nèi)積灰嚴重,集氣阻力大,凈化系統(tǒng)能耗偏高;集氣效率偏低,電解槽煙氣外溢情況嚴重。

(4)復(fù)雜電解質(zhì)體系下,電解槽運行平均電壓較高,超過3.96 V,電流效率長期處于90%左右且有逐年下降趨勢,鋁液直流電耗高達13 063 kWh/t-Al,在國內(nèi)處于高能耗水平,距離國家“階梯電價”政策2023年和2025年的能耗分檔標準差距較大,技術(shù)指標落后嚴重。

2 項目改造技術(shù)方案

本次技改升級以節(jié)能增效為主要目標,同時最大程度的節(jié)省投資。綜合評估后確定,本技改項目采用SAMI綠色低碳深度節(jié)能鋁電解技術(shù)體系,對電解槽內(nèi)襯、上部結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計換新;對原有母線系統(tǒng)最大化利舊,只針對槽周母線進行局部路徑調(diào)整和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)升級;槽殼和其他配套公輔設(shè)施全部利舊。

2.1 母線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

原有500 kA電解槽母線采用傳統(tǒng)區(qū)塊化大面進電自補償配置形式。近8年的生產(chǎn)運行效果表明,原有母線配置的磁場情況無法滿足電解槽在較低極距空間下穩(wěn)定生產(chǎn)運行的需求。電解槽較易出現(xiàn)電壓和電流波動,且這種波動很容易在上下游槽間傳導(dǎo),電解槽抗干擾能力和糾偏能力不足。因此,有必要利用新型母線技術(shù)進一步優(yōu)化磁場分布和電平衡,提高電解槽磁流體穩(wěn)定性。

2.1.1 高穩(wěn)定性磁場原位升級技術(shù)

依托SAMI最新母線磁場仿真設(shè)計平臺,建立500 kA電解槽母線的電磁場仿真模型,進行電解槽磁場優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計前后500 kA電解槽母線磁場計算結(jié)果對比如圖1所示。

圖1 500kA電解槽母線優(yōu)化設(shè)計前后磁感應(yīng)強度各象限絕對值平均值對比

結(jié)果表明,優(yōu)化后,Z方向的磁場分布相比于原電解槽可明顯改善:第1、2、3、4象限絕對值平均值由原始設(shè)計的3.974、5.714、5.808、5.195 Gs優(yōu)化為3.606、3.691、4.138、4.768 Gs。此外,優(yōu)化后的磁場分布更為均勻,變化梯度更小,電解系列全槽熔體區(qū)垂直磁場大于20 Gs的區(qū)域大幅減少,優(yōu)化后的磁場可顯著提高電解槽的運行穩(wěn)定性。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線技術(shù)(NSBT)技術(shù)

結(jié)合SAMI首創(chuàng)的NSBT技術(shù),在母線結(jié)構(gòu)中建立一個新的等電位網(wǎng)絡(luò),使陰極母線與陽極母線、平衡母線和立柱母線構(gòu)成一個完整的回路。此種母線配置能矯正鋁液層帶來的電流分布偏差,降低本體電解槽非穩(wěn)定狀態(tài)下(包括停槽、陽極效應(yīng)、出鋁、換極、異常擺動等)陰、陽極電流分布不均衡性,有效降低上下游槽的相互干擾,同時大幅提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性、可操作性和抗干擾能力。

該技術(shù)還可有效抑制由鋁液/電解質(zhì)界面變形的擾動所產(chǎn)生的水平電流,進而大幅度提高電解槽磁流體穩(wěn)定性[2]。圖2和圖3瞬態(tài)磁流體穩(wěn)定性仿真模擬結(jié)果顯示,采用該技術(shù)優(yōu)化設(shè)計后,在保持同樣的磁流體穩(wěn)定特性條件下,電解槽的最小穩(wěn)定極距可降低0.4 cm。

圖2 改造前電解槽母線瞬態(tài)磁流體穩(wěn)定性模擬結(jié)果

圖3 改造后電解槽母線瞬態(tài)磁流體穩(wěn)定性模擬結(jié)果

2.2 新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)(NCCT技術(shù))陰極組優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 水平電流和陰極壓降優(yōu)化設(shè)計

改造前,原500 kA電解槽采用雙鋼棒技術(shù)結(jié)合30%石墨質(zhì)陰極扎糊組裝形式,水平電流的設(shè)計值雖然不高,但隨著槽齡的增大,陰極吸鈉膨脹情況嚴重,陰極壓降已由設(shè)計之初的285 mV左右增長至320 mV以上。實踐證明,降低鋁液中水平電流是提高鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性的有效手段之一,可有效釋放鋁電解槽極距[3],實現(xiàn)節(jié)能目標。與此同時,降低鋁電解槽物理壓降,也是業(yè)界公認的降耗增效主要途徑[4]。

SAMI建立了先進的熱電耦合模型,對該鋁廠500 kA電解槽采用NCCT技術(shù)后的鋁液中水平電流和陰極壓降進行計算和循環(huán)優(yōu)化,通過改變陰極鋼棒與陰極炭塊的連接方式及組裝形式,優(yōu)化陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)電解槽鋁液中水平電流與陰極壓降雙重大幅降低。一方面,采用電阻率和鈉膨脹系數(shù)更低、理化性能更均勻的石墨化陰極材質(zhì),有效降低陰極炭塊的原始物理壓降和因生產(chǎn)吸鈉等因素導(dǎo)致的陰極膨脹和壓降升高。另一方面,在采用比傳統(tǒng)搗固炭糊電阻率低一個數(shù)量級的生鐵連接鋼棒和陰極炭塊的同時,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和澆鑄工藝優(yōu)化,降低不同材料間的接觸壓降[5]。

圖4模擬計算結(jié)果顯示,改造前采用30%石墨質(zhì)陰極炭塊和炭糊扎固組裝的500 kA電解槽因采用了可降低水平電流的雙鋼棒技術(shù),設(shè)計水平電流為3 928 A/m2,陰極壓降為285 mV。采用石墨化陰極炭塊并結(jié)合NCCT技術(shù)優(yōu)化設(shè)計后,電解槽陰極壓降可大幅降低至196 mV,且鋁液中水平電流仍可控制在4 122 A/m2的較低值。改造后,電解槽的磁流體穩(wěn)定性和極距空間得到顯著提升。

圖4 改造前后的500kA電解槽鋁液水平電流和陰極壓降對比

2.2.2 長壽命、抗?jié)B透陰極組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

SAMI還對陰極組結(jié)構(gòu)開展電-熱-應(yīng)力多維耦合模型仿真研究,優(yōu)化陰極炭塊燕尾槽結(jié)構(gòu),有效消除澆鑄組裝過程中局部熱應(yīng)力集中的問題,抵抗高溫鐵水熱沖擊。陰極組電-熱-應(yīng)力模型以及澆鑄組裝后的陰極炭塊組如圖5所示。

陰極是阻擋電解質(zhì)滲透的第一道防線,而防滲層是關(guān)鍵防線。為了增加陰極組抗?jié)B透性,在陰極炭塊下部新增防滲層設(shè)計,位于傳統(tǒng)防滲層以上,阻止電解質(zhì)向下滲漏[6-7]。該設(shè)計既可保證電解槽具有極高的磁流體穩(wěn)定性和極低的陰極壓降,又可保證電解槽陰極組和內(nèi)襯的長壽命。

圖5 陰極組電-熱-應(yīng)力仿真模型以及澆鑄組裝后的陰極組

2.3 內(nèi)襯熱平衡優(yōu)化設(shè)計

原有500 kA電解槽采用傳統(tǒng)散熱型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)配置。隨著槽齡的增大,電解槽區(qū)域與整體熱平衡情況普遍較差,工作電壓較高,平均陰極壓降超過310 mV,非電解反應(yīng)區(qū)物理壓降和熱損失相對較高;爐膛情況較差,角部偏涼,槽底板溫度偏高。

上述母線優(yōu)化技術(shù)、石墨化陰極結(jié)合NCCT技術(shù)的應(yīng)用,為降低極距和工作電壓提供了基礎(chǔ),但電解槽能否長期在低極距、低電壓下高效穩(wěn)定運行,還與內(nèi)襯熱平衡的匹配密切相關(guān)[8]。本項目優(yōu)化設(shè)計后的陰極壓降值較低,再疊加低極距運行,陰極炭塊組區(qū)域產(chǎn)熱量相對較少;另一方面,由于全石墨化陰極炭塊導(dǎo)熱系數(shù)更大,形成陰極區(qū)域散熱較大的客觀條件。在此情況下,配套的內(nèi)襯設(shè)計必須盡量減少陰極區(qū)域側(cè)部和底部的散熱,以保障低極距、低電壓下的電解槽良好熱平衡,為延長電解槽內(nèi)襯“健康壽命”創(chuàng)造條件。

SAMI利用精準的熱平衡仿真模擬計算模型,通過系統(tǒng)性升級內(nèi)襯側(cè)部、角部和底部的各功能區(qū)結(jié)構(gòu)形式和施工工藝,并選擇具有良好保溫性能、耐熱沖擊、機械性能穩(wěn)定、耐電解質(zhì)及蒸汽腐蝕的新型保溫材料,優(yōu)化內(nèi)襯熱平衡,以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀。

針對本項目優(yōu)化設(shè)計后的電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及熱平衡模擬溫度分布云圖和爐幫形狀如圖6所示。模擬結(jié)果顯示:維持使用該電解系列改造前的復(fù)雜電解質(zhì)體系,運行電流為500 kA時,電解槽在3.845V左右的電壓下,通過合適的工藝條件調(diào)節(jié),可以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀。陰極被有效保護,且并未出現(xiàn)過長硬伸腿。

圖6 優(yōu)化設(shè)計后電解槽溫度分布云圖和爐幫形狀

表1列出了改造后電解槽電壓分布和能量支出情況。仿真模擬結(jié)果顯示,非電解反應(yīng)區(qū)物理壓降和熱損失得到有效控制,電解槽平均電壓可顯著降低,從改造前的3.962 V降低至3.845 V,且電壓分布和能量平衡情況良好。

2.4 節(jié)能、環(huán)保型上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

本項目為降低改造成本,經(jīng)評估后確定,保持較好的240臺原有上部結(jié)構(gòu)完全利舊,待后續(xù)再次大修時逐步進行節(jié)能改造;另外48臺上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計換新,并安裝于同一工區(qū)。新設(shè)計的上部結(jié)構(gòu)集氣系統(tǒng)由下煙道集氣升級為上煙道集氣形式,以降低排煙阻力和提高集氣效率。

SAMI利用最新的仿真軟件對新設(shè)計的上煙道集氣結(jié)構(gòu)進行建模和計算。優(yōu)化上煙道各個集氣罩相對位置以及各處匯總煙道截面變化,既要控制電解槽長度方向集氣效果相對均勻,又要保證集氣距離更遠的出鋁端爐膛具備良好負壓。圖7和圖8為改造后電解槽煙道模型及煙氣壓力和流場仿真計算的優(yōu)化結(jié)果。模擬計算結(jié)果表明,新設(shè)計的上煙道集氣系統(tǒng)負壓為151 Pa,遠小于傳統(tǒng)下煙道形式的310 Pa左右,大幅度降低了集氣煙道壓力損失和系統(tǒng)風量,從而有效降低凈化系統(tǒng)電耗,集氣效率顯著提升。同時將煙道中煙氣流速控制在13～15 m/s,匯總煙管出口煙氣流速控制在17～18 m/s,避免含塵煙氣的沉積問題。

表1 優(yōu)化設(shè)計后電解槽電壓分布和能量支出

圖7 改造后電解槽上煙道負壓分布

圖8 改造后電解槽上煙道流動場分布

3 技術(shù)應(yīng)用效果

改造后的500 kA電解系列已于2022年下半年重新投運,截止到本文投稿(2023年2月),所有電解槽已進入穩(wěn)定運行期,考察期(近3個月)內(nèi)電解系列主要工藝技術(shù)指標平均值與改造前的對比情況如表2所示。

考察期內(nèi),改造后的500 kA電解系列電解槽進入正常期后平均陰極壓降195 mV,電流效率大于92.5%,鋁液直流電耗小于12 400 kWh/t-Al,且隨著原材料的逐步優(yōu)化和生產(chǎn)工藝技術(shù)條件的進一步調(diào)整,鋁液直流電耗仍有進一步降低的空間。采用綠色低碳深度節(jié)能技術(shù)體系升級后的電解槽表現(xiàn)出了明顯的節(jié)能優(yōu)勢,平均鋁液直流電耗與改造前相比降低了660 kWh/t-Al以上。

表2 改造前后電解系列主要工藝技術(shù)指標平均值對比

4 結(jié) 語

(1)采用沈陽院高穩(wěn)定性磁場原位升級技術(shù)、NSBT技術(shù)和NCCT技術(shù),并有針對性的升級配套內(nèi)襯熱平衡設(shè)計,可有效提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性,大幅降低鋁液水平電流和陰極壓降,為電解槽在低極距、低電壓下穩(wěn)定運行,實現(xiàn)低能耗和長“健康壽命”創(chuàng)造條件。

(2)該500 kA電解系列采用SAMI綠色低碳深度節(jié)能鋁電解技術(shù)體系,在不改變現(xiàn)存電解鋁廠主體布局的情況下,針對性地對電解槽的內(nèi)襯、母線系統(tǒng)和輔助金屬結(jié)構(gòu)實施“訂制”型改造升級,實現(xiàn)了原鋁生產(chǎn)能耗大幅降低。項目的成功實施,也說明了該技術(shù)體系可以為電解鋁行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。