大型铝电解槽节能措施分析.pdf
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1、2023年6月下 世界有色金属 225大型铝电解槽节能措施分析程然(贵阳铝镁设计研究院,贵州 贵阳 5 5 0 0 0 1)摘 要:针对大型铝电解槽在生产运行过程中暴露出的综合电耗高、生产成本高、资源消耗大、污染排放量大等问题,通过整合现有电解槽改造技术经验,提出加强生产过程控制、改进阳极部件焊接工艺、调节设备运行参数、实行极距补偿等技术措施,有效降低铝电解槽的槽平均电压、提高电流效率。关键词:铝电解槽;节能降耗;平均电压;电流效率;智能控制中图分类号:T F 8 2 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 2-5 0 6 5(2 0 2 3)1 2-0 2 2 5-3Analysis of
2、 energy-saving measures for large aluminum electrolysis cellsCHENGRan(G u i y a n g A l u mi n u m Ma g n e s i u m D e s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e,G u i y a n g 5 5 0 0 0 1,C h i n a)Abstract:I n v i e w o f t h e l a r g e a l u mi n u m e l e c t r o l y t i c c e l l e x p o s
3、 e d i n t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f h i g h p o w e r c o n s u mp t i o n,h i g h p r o d u c t i o n c o s t,r e s o u r c e c o n s u mp t i o n,p o l l u t i o n e mi s s i o n s,t h r o u g h t h e i n t e g r a t i o n o f e x i s t i n g e l e c t r o l y t i c c e l l t r a
4、n s f o r ma t i o n t e c h n o l o g y e x p e r i e n c e,p u t f o r w a r d t o s t r e n g t h e n t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s c o n t r o l,i mp r o v e t h e a n o d e p a r t s w e l d i n g p r o c e s s,a d j u s t e q u i p me n t o p e r a t i n g p a r a me t e r s,p o l e
5、d i s t a n c e c o mp e n s a t i o n t e c h n i c a l me a s u r e s,e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e a v e r a g e v o l t a g e,i mp r o v e t h e c u r r e n t e f f i c i e n c y.Keywords:a l u mi n u m e l e c t r o l y t i c c e l l;e n e r g y s a v i n g a n d c o n s u mp t i o n
6、r e d u c t i o n;a v e r a g e v o l t a g e;c u r r e n t e f f i c i e n c y;i n t e l l i g e n t c o n t r o l收稿日期:2 0 2 3-0 4作者简介:程然,男,生于1 9 6 7 年,汉族,贵州仁怀人,本科,高级工程师,研究方向:铝冶炼。在国内铝行业产量需求持续扩大、原铝价格不断下跌形势下,一定程度上压缩铝行业的利润空间。近年来铝行业从业者持续致力于研发铝电解槽改造技术,有技术人员引入异形电极降低电解槽运行的工作电压,但受制于不同生产企业、不同规格槽实际情况的影响,诸如电磁
7、干扰、技术条件等均会影响电压下降数值。有研究人员提出一种铝电解槽阻流新技术,通过将阻挡块置于槽内铝液中抑制液体流速与界面变形,借此提高电流效率,但仍需及时调整阻挡块在槽内位置,增加人工干预成本。基于上述问题,亟需研究一种适用于铝电解生产过程中的具体节能措施,为节约资源成本、降低电能消耗提供现实借鉴意义。1 问题描述现阶段铝电解产业规模逐步扩大,截至2022年6月电解铝产量达2647.2万t,累计增速为2.1%;原铝材料市场均价为17000元/t,跌幅约为29.17%1。国内多数铝业公司均已实现大型铝电解槽(160500kA)的投入运行,以某电解铝生产企业为例,在该企业500kA铝电解槽运行过程
8、中暴露出电耗偏高、电流效率低等问题,导致企业每年支出高额电耗费用,且电解铝生产工艺的技术经济指标水平较低。基于此,拟对该企业500kA铝电解槽进行改造设计,实现节能降耗目标。2 铝电解槽运行过程中的电能消耗与节能方案设计2.1 铝电解过程中的节能降耗设计针对铝电解槽运行过程中的能源消耗因素进行分析,已知电解槽平均电压为V,电流效率为,则铝电解槽运行过程中的吨铝直流电耗W(单位:kWh/t-Al)计算公式为:根据上述公式中的变量关系可知,通过采取降低电解槽平均电压V或提高电流效率两项措施,能够有效降低铝电解过程中的直流电耗2。已知铝电解槽运行中槽平均电压由电解质电压降、过电压、阴极电压降、阳极电
9、压降、Al2O3分解电压与母线压降、阳极效应分摊电压组成,结合铝电解槽实际运行能耗,拟围绕电解质、阳极、阴极三个方面设计降低铝电解槽电压措施,并参考电流效率目标值采取电流效率优化措施。2.2 铝电解槽电压下降2.2.1 电解质电压降已知电解质的比电阻为,平均电流密度为D,阴极、阳极间的距离为L,则该企业电解质电压降的计算公式为:通过调节比电阻的阻值降低电解质电压降,主要采取以下三种方法:调节电解质组分,控制分子比在合适的范围。降低阳极气膜电压降,采用开槽阳极加快阳极气泡排放速度。保持电解质生产过程洁净度达标,勤打捞炭渣,降低电解质的比电阻。综合运用上述措施,可使电解质的电压降下降。2.2.2
10、阳极电压降电解槽阳极电压降包括铝导杆压降,爆炸块压降,钢爪压降,磷生铁压降和炭块压降,在该企业原铝电解槽运行过程中测得阳极电压降约为395mV,槽运行工作电压约为3980mV,阳极电压降占比约为9.93%。为有效降低阳极电压降,可引入一种新型节能阳极导杆替换原铝导杆,将原本添加在铝液中的镁元素质量浓度提高至0.5%以上,并额外添加铁元素,有效增强铝导杆的硬度、抗拉强度与导电性能。同时,将铝铁爆炸焊块的熔接面扩大至98%以上,取2块爆炸块分别焊接在铝导杆两侧,在爆炸块与钢爪横梁之前搭接一块16mm厚钢板,同时,优化磷生铁成分,增强浇筑效果。针世界有色金属2023年6月下226对上述改造方案的应用
11、效果进行测试,测得铝导杆本体压降无明显变化,导杆与母线的接触压降同比减少5.4mV,综合压降值下降38mV,使得电解槽阳极平均压降降至357mV。2.2.3 阴极电压降铝电解槽的阴极压降主要取决于炉底压降,该企业500kA铝电解槽的平均工作电压为3.98V,电流效率期望值为94%,单台每日效应次数为0.05次,炉底压降值为330mV。但在铝电解槽实际生产运行过程中收集3个月内炉底压降运行数据可知,炉底压降平均值为353.3mA,相应将增加电解槽运行的直流电耗。为节约铝电解槽生产过程中的电能消耗,可采取以下三项技术措施:优化生产过程工艺,保证连续、均匀下料,在更换阳极环节及时钩动炉底、捞出碳渣,
12、减少炉底沉淀产生的压降。改善阴极炭块捣固工艺,预热阴极炭块,在燕尾槽内增设导电材料,将槽内钢棒固定后沿侧方均匀铺设松散糊料,由两名作业人员配合沿垂直方向对糊料缝隙处进行同步捣鼓处理,并在捣固过程中及时旋转捣固枪角度,直至糊料缝高度与炭块表面保持平齐,借此有效提升阴极炭块电导率,降低阴极电压降。调节阴极导电钢棒性能参数,合理设置钢棒的热膨胀系数,在200、400、600、800和1000五种工艺温度环境下,将钢棒的热膨胀系数分别设置为10、16、14、-0.25和10,借此保证炭块的等效应力不超过钢棒的抗压强度最大值,改善炭块、钢板界面的接触性能,提高接触电阻阻值与电流效率,从而有效降低炉内电压
13、降。2.3 铝电解槽电流效率提升2.3.1 降低电流损失已知该企业铝电解槽在实际运行中的电流效率低于期望值,在电解铝生产环节仍存在电流损失,导致电流效率实际值保持在90%左右。将Al、Na两种材料的二次反应损失分别设为IAl、INa,电子导电性为I1,因电解槽内产生杂质造成的损失为i杂,两极间瞬时短路为I短,因铝或钠渗入槽内衬中产生的电流损失为i漏,由此建立铝电解槽运行电流损失的计算公式:结合上式中各变量关系,其中Al二次反应损失为造成电流损失的主要因素,由于反应过程中Al将从铝液界面转移至电解质本体中,待Al充分溶解后经由二次反应重新转移至阳极界面,使得溶解于电解质中的Al发生氧化反应、生成
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