铝电解槽阴极内衬优化

马 乾,高 峰,陶 铧,郑 多

(青海百河铝业有限公司,青海 湟中 810100)

电解铝行业是典型的高耗能产业,也是高碳排放产业,并且其高碳排放特性从属于其高耗能特性[1]。2021年8月26日,国家发展改革委等四部委下发《关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知》(发改价格〔2021〕1239号)[2],以完善阶梯电价分档和加价标准,推动电解铝行业朝低碳、绿色、节能的方向发展。据文献[3]报道,传统铝电解槽的能量利用率只有45%左右,经过多年优化目前电解槽能量利用率已达到50%左右,但仍有较大的提升空间。可见,提高电解槽能量利用率和降低电耗是目前电解铝行业试验和探索的重点工作。

在铝电解生产过程中,降低槽电压和提高电流效率是节能降耗的主要途径,其中内衬优化是最主要的措施之一,内衬优化又主要围绕如何最大程度降低阴极压降和水平电流,为降低槽电压和提高电流效率创造条件。

某公司现有电解铝产能70万吨,包括1条240 kA系列和2条330 kA系列。原有电解槽使用30%石墨质阴极炭块,炭块组装为传统的炭糊扎固方式,阴极钢棒采用双钢棒技术。随着国家对电解铝能耗限额标准不断提高[4],原有技术已不能满足日趋严格的低能耗要求,进一步优化铝电解槽内衬是降低电耗的重要途径。

1 技术原理与优化方案

内衬优化主要考虑优化阴极组结构、内衬结构及其材料性能,以降低阴极压降,提高电解槽能量利用率,保证电解槽稳定运行,主要技术原理与优化方案如下:

1.1 阴极炭块组优化

阴极炭块材质优化:采用导电性能更高的50%石墨质炭块,其电阻率比30%石墨质炭块低15%左右[5]。虽然行业内目前已普遍开展更低能耗的石墨化阴极电解槽试验及推广[6-9],该公司结合自身实际情况,选择50%石墨质炭块,也取得了较好的节能效果。

阴极炭块与钢棒的组装方式优化:传统的炭糊扎固阴极组在电解槽启动后阴极压降上升明显,主要原因是在电毛细作用下,电解质向阴极炭块中渗透,在钢-炭界面上电解质与金属钠反应生成氟化钠和铝,铝和钢棒反应生成铝铁合金,而氟化钠的沉积、铝铁合金的生成,会导致钢炭之间形成圈带状结构,圈带状结构中的氟化钠结晶在钢棒的外表面形成一层电绝缘层,必然阻碍电流从界面通过,导致阴极电压和电耗升高。采用生铁浇铸阴极组装形式可以有效盖上上述情况,已经成为国内外电解铝行业普遍采用的技术。阴极炭块钢棒槽形式优化:采用钢棒槽曲面开槽(见图1),既可以防止组装后钢棒脱落,又可以增大炭块与生铁的接触面积,从而降低其接触压降。

图1 阴极炭块钢棒槽形式优化前后对比

阴极钢棒优化:采用电阻率更低的高导电率钢棒[10],并适当增大钢棒截面,从而降低钢棒压降。

1.2 内衬结构优化

内衬的结构设置、材料选择以及筑炉质量对电解槽热平衡有显著影响,良好的内衬结构配置对提高电解槽能量利用率和稳定性有重要意义。

槽底:槽底选择耐热冲击和机械性能稳定的新型保温材料并适当增加厚度,在保温材料上部新增物理防渗钢板及防渗砖,减少干式防渗料厚度,以获得良好的底部等温线分布,避免槽底板温度过高和槽底渗漏。

窗口区:钢棒窗口区域采用耐热冲击、耐电解质及蒸汽腐蚀的新型保温材料,以获得良好的侧部等温线分布和炉膛形状。

侧部:侧部炭块与槽壳之间增加一层10 mm硅酸钙保温板,以增强侧部保温性能。

筑炉:将高强浇注料养生时间由原来的48小时延长至72小时,确保高强浇注料充分凝固并达到一定强度;将糊料扎固时空压机风压由原来的0.65～0.70 MPa增加至0.70～0.75 MPa,以增加糊料的扎固密度。

2 技术应用情况及效果

2.1 技术条件差异化管理

某公司240 kA系列和330 kA系列设计、建设时间相差较大,阴极母线结构和磁场设计水平存在一定差异,为使优化槽平稳高效运行,对两种槽型优化槽的设定电压、分子比、槽温、铝水平、电解质水平等主要工艺技术参数实施差异化管理,各系列根据实际情况选择不同技术条件的上线或下线控制工艺参数,主要工艺技术条件差异化管理保持范围见表1。240 kA系列的设定电压和铝水平按上线保持,分子比按下线保持;330 kA系列的设定电压和铝水平按下线保持,分子比按上线保持。

表1 优化槽主要工艺技术条件差异化管理保持范围

2.2 优化槽工艺曲线

以330 kA电解系列为例进行分析,图2为330 kA系列一台典型优化槽的运行电流、阳极行程、电压、加工间隔和下料时间等主要工艺曲线图,可见优化槽的电流、阳极行程和电压曲线比较平稳,不存在忽高忽低的大幅波动,说明优化槽运行良好。

图2 330 kA系列典型优化槽工艺曲线图

2.3 主要运行参数分析

图3～图5为30台优化槽与优化前普通槽启动后10个月(42周)的工作电压、铝水平、炉底压降等主要运行参数的对比情况。可以看出,电解槽启动初期,优化槽与普通槽各项指标均存在一定波动,进入正常期后逐渐趋于稳定。

图3 工作电压对比图

图4 铝水平对比图

图5 炉底压降对比图

正常期优化槽工作电压平均值为3.957 V,比普通槽3.976 V低19 mV;优化槽平均铝水平为22.2 cm,比普通槽26.9 cm低4.7 cm;优化槽平均炉底压降为244 mV,比普通槽318 mV低74 mV。这些差异表明,优化槽能在低电压、低铝水平下保持稳定运行,具备更低能耗运行的基本条件。

2.4 技术应用效果

图6、图7为30台优化槽与优化前普通槽启动后10个月(42周)的电流效率和直流电耗对比情况,表2为主要技术经济指标平均值对比情况。可见,经过半年正常期运行情况对比分析,优化槽各方面指标性能均由于普通槽,取得了显著的节能效果。

表2 主要技术经济指标平均值

图6 电流效率对比图

正常期优化槽电流效率平均值为92.53%,比普通槽91.76%提高了0.77%;优化槽直流电耗平均值为12 743 kWh/t-Al,比普通槽12 895 kWh/t-Al降低了152 kWh/t-Al,节能效果显著。

按上述节能效果估算,某公司70万吨电解铝产能全面推广该技术后,可实现节电10.64 万MWh/a。按照电价0.43元/kWh、电网温室气体排放因子0.581 t-CO2/MWh计算,每年可节省电费4 575万元,减排温室气体6.2万吨,经济效益、环保效益显著。

3 结 语

本文通过对某公司原有铝电解槽阴极内衬技术方案分析,提出优化阴极炭块及钢棒材质,改用生铁浇铸阴极组装形式,优化电解槽内衬结构及筑炉工艺,根据磁场水平等实际现状实施技术条件差异化管理等多方面优化措施,取得了可观的节能效果(152 kWh/t-Al),为企业创造了较大的经济效益,并对温室气体减排作出一定贡献,对行业内同类电解槽技术优化升级具有借鉴意义。