关于大型铝电解槽新型节能技术优化的探讨

周冰

关于大型铝电解槽新型节能技术优化的探讨

周冰

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

阐述了具有新型结构的铝电解槽节能技术，并以特定电解槽为模型进行了计算，分析了这些节能技术应用的可行性。

铝电解槽;异形阴极;双钢棒;双烟管;节能技术

0 引言

铝电解工业持续向电解槽大型化发展，大容量预焙铝电解槽由于其高效、节能、环保和自动化水平等优点成为国际铝工业发展的大趋势，在电解铝工业生产和工程建设中显示出不可比拟的优越性。

然而随着近些年来工业电价价格攀升，原铝供应过剩、库存增加、价格下跌，如何在确保大型电解槽生产稳定性的条件下，通过优化电解槽设计，来降低吨铝直流电耗，成为当今我国铝行业发展所直接面临的问题。

铝电解生产的直流电耗取决于槽电压和电流效率。在相同的电流效率下，槽电压每降低100 mV，节电约为300 kWh/t。从铝电解能耗分析和电压分布可知，降低槽电压可通过降低阳极压降、降低炉底电压、降低电解质压降等方面来实现。

该文以某350 kA电解槽为模型，使用ANSYS 12.0软件对一些具有新型结构的铝电解槽技术进行了仿真计算，并通过计算，分析了该技术应用的可行性。

1 新型结构的铝电解槽节能技术

1.1 异形阴极技术

异形阴极技术即“凹凸状阴极截面结构”电解槽技术，该技术的主要目的是，通过改变阴极截面形状，在阴极表面形成若干凸起成为铝液流动的挡墙，可阻滞、减缓铝液流动，降低铝液流速，以保证电解槽在低极距状态下稳定运行。

图1、图2为某350 kA电解槽在平底阴极条件下的铝液液面高度模拟图及铝液层流速分布图;图3、图4为该电解槽在采用异形阴极后的铝液液面高度模拟图及铝液层流速分布图。异形阴极炭块宽度660 cm，高度500 cm，侧部倒角100 cm×100 cm，采用HC3石墨质阴极。

图1 平底阴极铝液液面高度图Fig.1 Aluminum Liquid Height with Flat Cathode

图2 平底阴极铝液层流速分布图Fig.2 Velocity Distribution Sketch in Aluminum Liquid Level with Flat Cathode

图3 异形阴极铝液液面高度图Fig.3 Aluminum Liquid Height with Irregular Cathode

图4 异形阴极铝液层流速分布图Fig.4 Velocity Distribution Sketch of Aluminum Liquid Level with Irregular Cathode

由图1、图3对比可见，采用了异形阴极结构后，铝液波动幅度明显减轻，经计算，铝液液面波动的最大高差可由1.39 cm降低到0.97 cm;由图2和图4对比可见，铝液层最大流速可由16.87 cm/s降至12.61 cm/s，平均流速可由5.7 cm/s降至4.3 cm/s。可以预见，改进后的电解槽运行将更加平稳，同时给降低槽电压提供了操作的空间。

异形阴极的采用，对降低电解槽铝液波动及流速都有着明显的效果，为电解槽降低极距创造了有利条件。但是对某些异形阴极结构来说，如果是较深、较宽的沟槽，容易在沟槽内形成氧化铝沉淀，不利于生产的正常运行。所以对于特定的电解槽与磁、热环境，合理的异形阴极结构，使之既能有效地降低铝液波动及流速，又能保证电解槽的稳定运行，是异形阴极结构应用前景好坏的关键所在。

1.2 阴极双钢棒技术

熔体中的水平电流及水平电流引起的波动主要集中在铝液层中，最大的水平电流可达4 500～6 500 A/m2，铝液中的水平电流是影响铝电解槽正常生产的主要因素。水平电流与垂直磁场相互作用，产生电磁力，导致铝液的流动、波动和电解槽不稳定，水平电流过大，对电解槽的稳定性、技术经济指标都有很大的影响。另外，水平电流会使熔体流速加快，冲蚀炉帮，破坏炉膛，引发槽内衬破损，影响槽寿命。

某厂的测试表明，靠近阴极钢棒出口端25%的钢棒长度上汇集了75%的电流。传统的阴极单钢棒形式不但是形成水平电流的诱因之一，而且过分集中的电流还造成了阴极电压降的增加。

阴极双钢棒技术正是目前减少水平电流的重要途径，通过两段式阴极钢棒，调整整段钢棒的电阻分布，规整电流方向使之尽量按垂直向下的方向由铝液层进入阴极钢棒，从而达到减少铝液层中水平电流的目的。

图5 双钢棒铝液层水平电流(Jy)分布值Fig.5 Current(Jy)Distribution Value of Aluminum Liquid Level with Double Steel Club

通过图5，可以看到采用了双钢棒技术后，铝液层内水平电流分布明显减少。通过计算，主要影响铝液流动的Jy方向的水平电流密度可由优化前的－2 700 A/m2降低至－450 A/m2。水平电流的减小，为降低电解槽的生产电压打下良好基础。

1.3 槽上双烟道结合槽密闭技术

大型预焙铝电解槽的缺陷之一是能量利用率低，仅为48%左右，在散失的能量中，又有大于50%的能量从槽上部散失，因此减少槽上部热量散失、加强槽上部保温也是降压节能的途径之一。

减少槽上部散热，主要是通过减少不合理的烟气排放，即减少烟气排放带走的热损失来实现。双排烟管道系统实现了这一目的，实施方法为在主排烟管上设置可调节开度的阀门，负责电解槽正常运行(闭槽)时均匀稳定排烟;副排烟管上设置了一个可调角度的气动单板调节阀，副排烟管只负责电解槽开槽操作时的排烟。开槽排烟管支管阀只有在电解槽开槽时开启，加强电解槽开槽操作时的排烟效果。

双烟管系统避免了单烟管系统开槽时调节风量对相邻电解槽排烟的影响，保证了单台电解槽槽内各点抽气的均匀性、合理性及相对稳定的排烟环境，因此在进行烟道设计时候，摒除了开槽排烟的考虑后，用于正常生产的主排烟管可进行如下优化设计，如利用电解槽上部结构大梁内的净空适当增大烟道截面面积，优化排烟开孔间距、大小及卸灰口的大小，增加打壳下料点火焰处的抽风量等。双烟管系统不但提高了系统的集气效率和排烟可靠性，更有利于维护电解槽的热平衡。

图6为采取了双烟管结构的350 kA电解槽在闭槽状态下抽风量仿真示意图。

图6 电解槽闭槽状态抽风量仿真示意图Fig.6 Stimulation Sketch of Air Draft under the Closed Aluminum Electrolysis Cell

采用了双烟管的350 kA电解槽，每台槽的闭槽状态单槽排烟量可由原来的13 000 m3/h优化为11 000 m3/h，不但减少了电解槽自身的热散失，同时净化系统总排烟量减少，使主排烟风机的功率也大大减少。

2 结语

异形阴极和阴极双钢棒技术的应用，在降低铝液波动及流速、降低铝液层水平电流方面表现出色;槽上双烟道技术则能有效减少电解槽闭槽状态下的上部散热并减少了净化系统能耗。

该技术是实现大型铝电解槽低电压生产、节能降耗的可供参考的方法与途径，其他如添加能增加电解质电导率的添加剂、开槽阳极、高石墨质阴极、提升阳极炭块质量、精细化的生产操作等也都是实现低电压生产的办法，企业结合自身的实际情况，选择适合自己的技术方案来进行实施和推广，相信在电解铝生产节能降耗方面可以取得较为理想的成效。

［1］邱竹贤.预焙槽炼铝［M］.3版.北京:冶金工业出版社，2005.

［2］冯乃详.铝电解［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［3］刘业翔，李劼.现代铝电解［M］.北京:冶金工业出版社，2008.

［4］厉衡隆，顾松青.铝冶炼生产技术手册［M］.北京:冶金工业出版社，2011.

Discussion on New Energy Saving Technique Optimization for Large－Scale Aluminum Electrolysis Cell

ZHOU Bing
(Guiyang Aluminum Magnesium Design＆Research Institute Co.Ltd，Guiyang 550081，China)

Some energy saving techniques of aluminum electrolysis cell with new type structure were expounded，and calculation was carried out taking the specific cell as model and feasibility to application of these energy saving techniques were analyzed.

aluminium electrolysis cell;irregular cathode;double steel club;double flue;energy saving technique

TF821

A

1004－2660(2012)03－0034－03

2012－05－16.

周冰(1977－)，男，河南人，工程师.主要研究方向:电解铝.E－mail:1197711207@qq.com