馬 乾,高 峰,陶 鏵,鄭 多

(青海百河鋁業(yè)有限公司,青海 湟中 810100)

電解鋁行業(yè)是典型的高耗能產(chǎn)業(yè),也是高碳排放產(chǎn)業(yè),并且其高碳排放特性從屬于其高耗能特性[1]。2021年8月26日,國家發(fā)展改革委等四部委下發(fā)《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價政策的通知》(發(fā)改價格〔2021〕1239號)[2],以完善階梯電價分檔和加價標(biāo)準(zhǔn),推動電解鋁行業(yè)朝低碳、綠色、節(jié)能的方向發(fā)展。據(jù)文獻(xiàn)[3]報道,傳統(tǒng)鋁電解槽的能量利用率只有45%左右,經(jīng)過多年優(yōu)化目前電解槽能量利用率已達(dá)到50%左右,但仍有較大的提升空間?？梢?提高電解槽能量利用率和降低電耗是目前電解鋁行業(yè)試驗和探索的重點(diǎn)工作。

在鋁電解生產(chǎn)過程中,降低槽電壓和提高電流效率是節(jié)能降耗的主要途徑,其中內(nèi)襯優(yōu)化是最主要的措施之一,內(nèi)襯優(yōu)化又主要圍繞如何最大程度降低陰極壓降和水平電流,為降低槽電壓和提高電流效率創(chuàng)造條件。

某公司現(xiàn)有電解鋁產(chǎn)能70萬噸,包括1條240 kA系列和2條330 kA系列。原有電解槽使用30%石墨質(zhì)陰極炭塊,炭塊組裝為傳統(tǒng)的炭糊扎固方式,陰極鋼棒采用雙鋼棒技術(shù)。隨著國家對電解鋁能耗限額標(biāo)準(zhǔn)不斷提高[4],原有技術(shù)已不能滿足日趨嚴(yán)格的低能耗要求,進(jìn)一步優(yōu)化鋁電解槽內(nèi)襯是降低電耗的重要途徑。

1 技術(shù)原理與優(yōu)化方案

內(nèi)襯優(yōu)化主要考慮優(yōu)化陰極組結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及其材料性能,以降低陰極壓降,提高電解槽能量利用率,保證電解槽穩(wěn)定運(yùn)行,主要技術(shù)原理與優(yōu)化方案如下:

1.1 陰極炭塊組優(yōu)化

陰極炭塊材質(zhì)優(yōu)化:采用導(dǎo)電性能更高的50%石墨質(zhì)炭塊,其電阻率比30%石墨質(zhì)炭塊低15%左右[5]。雖然行業(yè)內(nèi)目前已普遍開展更低能耗的石墨化陰極電解槽試驗及推廣[6-9],該公司結(jié)合自身實際情況,選擇50%石墨質(zhì)炭塊,也取得了較好的節(jié)能效果。

陰極炭塊與鋼棒的組裝方式優(yōu)化:傳統(tǒng)的炭糊扎固陰極組在電解槽啟動后陰極壓降上升明顯,主要原因是在電毛細(xì)作用下,電解質(zhì)向陰極炭塊中滲透,在鋼-炭界面上電解質(zhì)與金屬鈉反應(yīng)生成氟化鈉和鋁,鋁和鋼棒反應(yīng)生成鋁鐵合金,而氟化鈉的沉積、鋁鐵合金的生成,會導(dǎo)致鋼炭之間形成圈帶狀結(jié)構(gòu),圈帶狀結(jié)構(gòu)中的氟化鈉結(jié)晶在鋼棒的外表面形成一層電絕緣層,必然阻礙電流從界面通過,導(dǎo)致陰極電壓和電耗升高。采用生鐵澆鑄陰極組裝形式可以有效蓋上上述情況,已經(jīng)成為國內(nèi)外電解鋁行業(yè)普遍采用的技術(shù)。陰極炭塊鋼棒槽形式優(yōu)化:采用鋼棒槽曲面開槽(見圖1),既可以防止組裝后鋼棒脫落,又可以增大炭塊與生鐵的接觸面積,從而降低其接觸壓降。

圖1 陰極炭塊鋼棒槽形式優(yōu)化前后對比

陰極鋼棒優(yōu)化:采用電阻率更低的高導(dǎo)電率鋼棒[10],并適當(dāng)增大鋼棒截面,從而降低鋼棒壓降。

1.2 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)設(shè)置、材料選擇以及筑爐質(zhì)量對電解槽熱平衡有顯著影響,良好的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)配置對提高電解槽能量利用率和穩(wěn)定性有重要意義。

槽底:槽底選擇耐熱沖擊和機(jī)械性能穩(wěn)定的新型保溫材料并適當(dāng)增加厚度,在保溫材料上部新增物理防滲鋼板及防滲磚,減少干式防滲料厚度,以獲得良好的底部等溫線分布,避免槽底板溫度過高和槽底滲漏。

窗口區(qū):鋼棒窗口區(qū)域采用耐熱沖擊、耐電解質(zhì)及蒸汽腐蝕的新型保溫材料,以獲得良好的側(cè)部等溫線分布和爐膛形狀。

側(cè)部:側(cè)部炭塊與槽殼之間增加一層10 mm硅酸鈣保溫板,以增強(qiáng)側(cè)部保溫性能。

筑爐:將高強(qiáng)澆注料養(yǎng)生時間由原來的48小時延長至72小時,確保高強(qiáng)澆注料充分凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度;將糊料扎固時空壓機(jī)風(fēng)壓由原來的0.65～0.70 MPa增加至0.70～0.75 MPa,以增加糊料的扎固密度。

2 技術(shù)應(yīng)用情況及效果

2.1 技術(shù)條件差異化管理

某公司240 kA系列和330 kA系列設(shè)計、建設(shè)時間相差較大,陰極母線結(jié)構(gòu)和磁場設(shè)計水平存在一定差異,為使優(yōu)化槽平穩(wěn)高效運(yùn)行,對兩種槽型優(yōu)化槽的設(shè)定電壓、分子比、槽溫、鋁水平、電解質(zhì)水平等主要工藝技術(shù)參數(shù)實施差異化管理,各系列根據(jù)實際情況選擇不同技術(shù)條件的上線或下線控制工藝參數(shù),主要工藝技術(shù)條件差異化管理保持范圍見表1。240 kA系列的設(shè)定電壓和鋁水平按上線保持,分子比按下線保持;330 kA系列的設(shè)定電壓和鋁水平按下線保持,分子比按上線保持。

表1 優(yōu)化槽主要工藝技術(shù)條件差異化管理保持范圍

2.2 優(yōu)化槽工藝曲線

以330 kA電解系列為例進(jìn)行分析,圖2為330 kA系列一臺典型優(yōu)化槽的運(yùn)行電流、陽極行程、電壓、加工間隔和下料時間等主要工藝曲線圖,可見優(yōu)化槽的電流、陽極行程和電壓曲線比較平穩(wěn),不存在忽高忽低的大幅波動,說明優(yōu)化槽運(yùn)行良好。

圖2 330 kA系列典型優(yōu)化槽工藝曲線圖

2.3 主要運(yùn)行參數(shù)分析

圖3～圖5為30臺優(yōu)化槽與優(yōu)化前普通槽啟動后10個月(42周)的工作電壓、鋁水平、爐底壓降等主要運(yùn)行參數(shù)的對比情況?？梢钥闯?電解槽啟動初期,優(yōu)化槽與普通槽各項指標(biāo)均存在一定波動,進(jìn)入正常期后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 工作電壓對比圖

圖4 鋁水平對比圖

圖5 爐底壓降對比圖

正常期優(yōu)化槽工作電壓平均值為3.957 V,比普通槽3.976 V低19 mV;優(yōu)化槽平均鋁水平為22.2 cm,比普通槽26.9 cm低4.7 cm;優(yōu)化槽平均爐底壓降為244 mV,比普通槽318 mV低74 mV。這些差異表明,優(yōu)化槽能在低電壓、低鋁水平下保持穩(wěn)定運(yùn)行,具備更低能耗運(yùn)行的基本條件。

2.4 技術(shù)應(yīng)用效果

圖6、圖7為30臺優(yōu)化槽與優(yōu)化前普通槽啟動后10個月(42周)的電流效率和直流電耗對比情況,表2為主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)平均值對比情況?？梢?經(jīng)過半年正常期運(yùn)行情況對比分析,優(yōu)化槽各方面指標(biāo)性能均由于普通槽,取得了顯著的節(jié)能效果。

表2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)平均值

圖6 電流效率對比圖

正常期優(yōu)化槽電流效率平均值為92.53%,比普通槽91.76%提高了0.77%;優(yōu)化槽直流電耗平均值為12 743 kWh/t-Al,比普通槽12 895 kWh/t-Al降低了152 kWh/t-Al,節(jié)能效果顯著。

按上述節(jié)能效果估算,某公司70萬噸電解鋁產(chǎn)能全面推廣該技術(shù)后,可實現(xiàn)節(jié)電10.64 萬MWh/a。按照電價0.43元/kWh、電網(wǎng)溫室氣體排放因子0.581 t-CO2/MWh計算,每年可節(jié)省電費(fèi)4 575萬元,減排溫室氣體6.2萬噸,經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益顯著。

3 結(jié) 語

本文通過對某公司原有鋁電解槽陰極內(nèi)襯技術(shù)方案分析,提出優(yōu)化陰極炭塊及鋼棒材質(zhì),改用生鐵澆鑄陰極組裝形式,優(yōu)化電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及筑爐工藝,根據(jù)磁場水平等實際現(xiàn)狀實施技術(shù)條件差異化管理等多方面優(yōu)化措施,取得了可觀的節(jié)能效果(152 kWh/t-Al),為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益,并對溫室氣體減排作出一定貢獻(xiàn),對行業(yè)內(nèi)同類電解槽技術(shù)優(yōu)化升級具有借鑒意義。