超低能耗绿色节能技术工业试验研究.pdf

年第 期轻金属 收稿日期：铝 冶 炼超低能耗绿色节能技术工业试验研究付 松，曹 曦，刘雅锋，胡红武，刘 伟，王 旋（沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 ）摘要：从 年至今，沈阳铝镁设计研究院有限公司（）陆续开展了一系列科学研究以及试验，主要是围绕铝电解技术向环境友好型、深度节能型的发展方向进行。通过采用降低阴极压降的同时提高电解槽磁流体稳定性的技术路线，开发了一种新式节能阴极结构技术（简称 技术）。沈阳院采用 以及 技术，在 个 电解系列中进行工业扩大化试验中应用。试验统计数据表明，技术的能耗为 ，技术的能耗为 。关键词：技术，技术，磁流体稳定性，阴极压降，扩大化工业试验中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，（），（），：；随着我国“”碳达峰和碳中和战略目标的实施，我国铝电解行业需要在发展环保和高效节能技术上做更深入的研究。电解铝行业所面临的“能耗双控”、“阶梯电价”政策压力愈发增大，电解铝行业如何实现碳达峰、碳中和？通过以电解槽为核心进行系统性技术升级，在达到节能降耗、减少碳排放目的之外，改变电解铝行业能源结构，使用清洁能源、再生能源，开发使用固碳技术，是电解铝行业实现碳中和的必由之路。众所周知，大型预焙阳极铝电解槽是一个集热场、电场、磁场、流动场和力场等多物理场为一体的复杂的系统，且这些物理场互相制约、互相影响，但必须达到一定的均衡，才能获得理想的经济技术指标。因此针对大型电解槽的成套技术开发以及多维度智能控制是未来铝电解工业的发展方向。相关理论针对 法生产的铝电解槽，提出电解槽中磁流体的运动方程如下。（）（）（）式中：为密度，单位 ；为重力加速度，单位 ；为压力，单位 ；为速度矢量，单位 ；为电流密度，单位 ；为磁通量密度，单位 ；为体积力，单位 。从以上方程可以认为熔体运动的主要驱动力就是电磁感应力 ，驱动电解槽磁流体运动的主要因素为磁场和水平电流。从式（）可知，在没有大幅度降低水平电流措施之前，传统的设计理论仅依靠单一地降低 数值提高电解槽稳定性，对超大型电解槽来说是不够的。从磁场和铝液中的电流出发，解决源头问题：即减少垂直方向的磁场或减少水平方向的电流。鉴于已建成铝厂的母线配置优化较难实施，因此减少水平方向的电流成为提高电解槽稳定性的关键。相关技术沈阳铝镁设计研究院有限公司（）自 付松 等：超低能耗绿色节能技术工业试验研究 年第 期年以来开展了一系列技术研究和实验 ，形成了一整套绿色低碳铝电解技术体系。其中，新式节能阴极结构技术（）是一种既可以提高 稳定性又能减少阴极压降的技术。该技术基于以下的两个理论基础：）通过大幅降低铝液中的水平电流，可以显著提高电解槽的 稳定性 。）通过特殊的生铁浇铸阴极结构设计，可以大幅降低阴极压降。技术利用先进的计算机模型，将减少铝液中水平电流的概念融入生铁浇铸阴极结构的设计和制造中，从四个方面对阴极结构的总体设计进行了优化。改变阴极炭块和钢棒之间的接触表面和电阻比，以满足目标水平电流和阴极压降的控制目标。对阴极钢棒槽的设计进行了优化，进一步降低阴极电压降，消除局部应力集中，防止钢棒槽的拐角裂纹。在阴极炭块的下部设置耐火防渗层作为第一阻挡层，以防止电解质泄漏。将阴极炭块与钢棒的连接方式从使用碳糊改为生铁，并自行研制了阴极炭块和阴极钢棒采用生铁浇铸前的预热设备。这些优化达到了减少阴极电压降的同时抑制铝液中的水平电流的效果。技术已在印尼 铝厂的升级改造项目中成功应用和验证 。在此基础上，为了追求较低的水平电流和阴极压降，对该技术进行了进一步优化升级，采用铜 钢组合阴极钢棒形式，形成了 技术。与 技术相比，该技术水平电流可进一步降低 以上，阴极压降可进一步降低 以上。技术可以提供更低的极距和更低的阴极压降，为进一步降低铝液直流电耗提供了更好的基础条件。和 技术对电解槽的影响 水平电流的影响 通过先进的热电耦合计算模型对 电解槽采用 和 技术下的铝液中水平电流进行计算。图 中的结果表明，相比于传统的 电解槽，在采用 和 技术后，水平电流密度分别从 降低到 和 。的水平电流降低了 以上，这显著提高了磁流体稳定性。9000800070006000500040003000200010000-1000-2000-3000JyA m/(/)2?=CVD 328mV?Jy8175maxNCCTCVDmV?Jy2207+?=155maxNCCTCVDmV?Jy5539?=196max?700 0.0 5.1 0.1 5.2 0.y m/图 电流下各种技术的铝液水平电流同时，图中采用 和 技术的阴极压降降低也是显著的。传统 电解槽一般采用石墨质炭块与钢棒通过糊料方式组装，其阴极压降设计值为 。而采用石墨化阴极炭块结合 技术后，阴极压降可降低至 。当采用 技术时，阴极压降的设计值可降低到 （不同的槽型可能略有波动）。较低的炉底压降为降低电解槽的工作电压提供了基本条件。Jy:-.8772 5-.6237 5-.3702 5-.1167 51367 5.3902 5.6437 5.8972 5.0y/m-9-8-5-3-7-6-4-2-10123456789x/m图 使用 技术前 模型的电解槽底部铝液面水平电流 年第 期轻金属 水平电流对电解槽磁流体稳定性影响分析由于铝液中水平电流的减小，电解槽的磁流体稳定性能显著提高，磁流体模型可以清楚地显示性能改进。使用 稳定性浅水模型研究了减小的水平电流的影响。首先通过 模型对铝液的水平电流进行计算。图 显示了传统 电解槽的水平电流。图 显示了 技术的水平电流。如图 和图 所示，水平电流的降低明显降低了铝液平均流速，铝液低流速区面积增加 左右（流速在 以下），同时铝液最大流速降低 。0y/m-9-8-5-3-7-6-4-2-10123456789x/mJy:-.5705 31-.4077 94 5-.245065-.8231887804 188.2431.565686.314058 94.图 使用 技术后 模型的电解槽底部铝液面水平电流Vm:0 15m s./10-1y/m-9-8-5-3-7-6-4-2-10123456789x/m3 0E 03.-3E 02.-36 3E 02.-9 3E 02.-1 2.-E 011 5.-E 011 8.-E 012 1.-E 01图 使用 技术前 模型的铝液面稳态流场Vm:0 15m s./2 8.-E 033E 02.-15 8.-E 028 6.-E 021.-1E 011 4.-E 011 7.-E 012 0.-E 0110-1y/m-9-8-5-3-7-6-4-2-10123456789x/m图 使用 技术后 模型的铝液面稳态流场 付松 等：超低能耗绿色节能技术工业试验研究 年第 期该模型用于计算单元的瞬态磁流体稳定性，而扰动曲线的收敛表示电解槽可以在该极距下稳定生产。使用 的恒定铝液厚度和 的初始扰动振幅进行稳定性分析。如图 所示，未使用 技术的 电解槽在 极距时稳定，但在 极距时即开始波动。0 015.0 010.0 005.0-.0 005-.0 010?/m0200400600800?/s?=ACDmm35?=ACDmm36?=ACDmm37?=ACD 40mm图 未采用 前 模型瞬态电解槽稳定性分析如图所示，应用 技术后，电解槽可在 极距下达到稳定。为了证实这一结论，我们还研究了 极距下不同铝液高度下的 稳定性。因为铝液高度会影响铝液中的水平电流，铝水越高，水平电流越小。结果表明，当铝水的高度超过 时，扰动曲线即可达到收敛。这表明 技术可以在不影响电解槽电流效率的前提下，为安全降低极距提供了至少 的空间。同样，技术也可以依靠较低的水平电流来为更低的安全极距保驾护航。对热平衡的影响 技术为较低电压提供了基础，但电解槽能否在目标电压下稳定运行也与热平衡和运行窗口的设计密切相关。如果热平衡设计和热平衡管理发生偏差，则电解槽很难在目标电压下运行。0 005.0-.0 005-.0 010-.0 015-.0 020?/m?0200400600800?/s?=ACD 26mm H 24cm?=ACD 26mm H 22cm?=ACD 26mm H 20cm?=ACD 26mm H 19cm?=ACD 26mm H 18cm?=ACD 26mm H 17cm图 采用 后 模型瞬态电解槽稳定性分析由于石墨化阴极的散热更大，技术在大大降低了阴极压降和阴极区域总发热量的同时，总散热量增大，这使得 电解槽的热平衡与原始设计的热平衡非常不同。为了确保阴极区域的热平衡，相应的内衬设计必须减少阴极区域的散热。设计时，应充分考虑保温材料的导热系数和耐电解质及钠蒸汽腐蚀能力，以确保在目标阴极电压下的局部和整体散热量大大降低。因此，使用精确的模拟计算模型，在确保耐火材料性能的基础上，通过升级阴极区域的材料、结构形式和施工工艺，优化内衬的热平衡，以确保阴极表面上形成较为合理的炉帮及伸腿形状。热平衡计算结果如图 所示。以使用 技术的 铝厂 电解槽为例，等温线和 等温线都在耐火层内，而侧面等温线是垂直的，因此电解槽的等温线分布是合理的。电解槽的工作电压为 ，工艺参数在设计窗口内。如图 所示，液面交界处炉帮的最薄净厚度为 ，最薄处炉帮到侧块的厚度为 。伸腿很短，仅在阳极投影下方约 。炉帮轮廓均匀，没有大伸腿情况，阴极内衬可以得到良好的保护。计算的炉帮形状如图 所示。0200400600800100040 0.21 4.23 4.38 7.19 5.21 5.HCD HCD():,:,:?*37 3.17 7.19 7.36 0.16 4.18 4.34 7.15 6.17 6.33 3.14 9.16 9.32 0.14 6.16 6.30 7.14 2.16 2.29 3.13 3.16 0.28 0.12 0.16 0.26 7.10 6.16 0.25 3.9 4.16 3.24 0.8.516 7.22 7.7 6.17 2.21 3.7 0.17 9.20 2.6 6.19 0.18 7.6 3.20 0.17 3.6 2.21 3.16 0.6 1.22 5.14 7.6 0.23 8.13 3.5 8.25 0.12 0.5 7.26 3.10 7.5 6.27 6.9 3.5 5.28 9.8 0.5 3.30 1.6 7.5 1.31 3.5 3.4 9.32 4.4 0.4 7.33 5.2 7.4 4.34 7.1 3.4 2.35 8.0 0.4 0.37 0.图 电解槽等温线分布以及炉帮形状 年第 期轻金属 表 列出了 铝厂 电解槽采用 技术测试电解槽的电压分布和热损失。其中，电解质含有 的锂盐和 的钾盐。通过计算得出的阳极压降为 ，电解质（包括气泡）压降为 ，阴极压降为 ，母线压降为 ，卡具压降为 ，阳极效应均摊电压为 ，电解槽平均净电压为 。表 铝厂试验槽电压分布和能量支出电压 热损失 反应电动势 上部热损失 阳极电压 侧部热损失 电解质电压（含气泡电压）钢棒热损失 阴极电压 底部热损失 阳极效应电压 端头热损失 母线电压 母线及软带热损失 卡具电压 物料加热 压差 产铝热量 电解槽平均电压 总热损失 配套工艺技术条件生产实践和设计要求的紧密结合确保了电解槽的性能得以实现。在技术开发的同时对生产管理也提出了标准要求。电解槽的砌筑以及焙烧启动必须严格按照 要求的工艺操作程序进行，并严格遵守异常期间的工艺参数调整计划和正常生产期间的工艺参数窗口，保证电解槽的生产管理与前期设计的契合。和 的技术应用 年，的 和 技术分别在铝厂和 铝厂两条 生产线上进行了扩大工业试验。在每个铝厂中，有 台 技术电解槽和台 电解槽，共台 技术电解槽和 台 电解槽。该批电解槽于 年 月启动，已经运行了 个月。铝厂 电解槽与 铝厂 电解槽的电解质体系不同。铝厂 电解槽电解质含有 的锂盐和 的钾盐，铝厂 电解槽的电解质含有 的锂盐、的钾盐。因此，设计要求的 电解槽的工艺技术条件不同，如表 所示。正常运行期间的典型指标如表 所示，自启动以来各种工艺参数的趋势如图 所示。表 中的数据为 年 月 日至 年 月 日的统计数据。铝厂和 铝厂采用了不同的母线配置。铝厂应用了 设计的外母线技术（即新概念母线技术），但 铝厂没有应用该外母线技术。为了便于与 铝厂进行比较，表 中的直流功耗仅包括净电压，外补偿母线的能耗未计入能耗。表 工艺技术条件要求项目铝厂铝厂电解质温度 铝水平 电解质水平 分子比 表 电解槽关键指标汇总项目铝厂铝厂 电流强度 工作电压 电流效率 直流电耗（）电解质温度 过剩 电解质水平 铝水平 噪声值 炉底压降 含量 含量 表 中数据为 年 月 日至 年 日 日的统计值。试验槽的阴极电压趋势如图 所示。数据清晰的表明，采用嵌铜钢棒的 技术试验槽的阴极压降在前 周内逐渐增加，最终稳定在 左右。这比采用 技术的电解槽平均低 。这为电解槽实现更低极距运行提供了更大的空间。需要注意的是，因为 、铝厂的母线配置、阴极组尺寸和阴极组数量存在差异，所以两厂采用了 技术的电解槽的阴极压降存在一些差别。对于采用了 技术的电解槽，通过调整铜的尺寸规格，将两厂的阴极压降控制在了统一水平。过剩 的含量如图 所示。其含量较低，最初是因为在启动前未使用纯冰晶石而是电解质与碳酸钠的组合对电解槽启动。启动后，将碳酸钠逐渐添加到电解槽中，根据测试结果调整电解质组成。付松 等：超低能耗绿色节能技术工业试验研究 年第 期NCCT A?NCCT A+?NCCT B?NCCT B+?4 4.4 3.4 2.4 1.4 0.3 9.3 8.?/V01020304050?图 工作电压1 0.0 9.0 8.0 7.0 6.?/%NCCT A?NCCT A+?NCCT B?NCCT B+?01020304050?图 电流效率NCCT A?NCCT A+?NCCT B?NCCT B+?01020304050?24000220002000018000160001400012000?/(/-)kWh t Al图 铝液直流电耗NCCT A?NCCT A+?NCCT B?NCCT B+?01020304050?1000980960940920?/图 电解质温度NCCT A?NCCT A+?NCCT B?NCCT B+?01020304050?14121086420-2?/%AlF3图 过剩 NCCT A?NCCT A+?NCCT B?NCCT B+?01020304050?230220210200190180170160150?/mV图 阴极压降 结 论工业扩大化试验结果表明，技术通过使用石墨化阴极和嵌铜钢棒可以降低水平电流和降低阴极电压，相比 技术可以进一步有效提高电解槽 稳定性，降低电解槽的直流电耗。使用 和 技术的两个铝厂的 电解槽可分别实现低于 和 的铝液直流电耗，并可以安全稳定地运行。技术的应用不仅为铝厂带来了更多的经济价值，而且大大减少了碳排放，这为铝工业升级现有的电解槽以实现更好的碳排放提供了强有力的技术支持。参考文献：，：，杨晓东，刘伟 论大型节能铝电解槽的设计 母线、阴极结构与磁流体稳定性 轻金属，（）：（下转第 页）匡野 等：对 低温电解质中 溶解性能的影响 年第 期在 熔盐中的氧化铝平均溶解速率较 时提高了 倍。参考文献：，（）：，（）：周传华，马淑兰，李国勋，等新型低温电解质体系的研究 氧化铝的溶解度与溶解速度 有色金属，（）：，（）：，（）：黄立强，刘战伟，颜恒维铝电解低温电解质体系的研究现状 有色金属工程，（）：，（）：，：，（）：廖贤安，包生重，孙毅 无碳铝电解技术评述 轻金属，（）：，（）：王民，颜恒维 低温电解质体系研究进展 轻金属，（）：，（）：（责任编辑刘宝兰）（上接第 页）胡红武，曹曦，孙康健 大型铝电解槽新式节能阴极结构技术的应用研究 轻金属，（）：张琨，曹曦 超低能耗铝电解技术研究和经济效益分析 有色冶金节能，（）：王旋，赵营，胡红武，等 国内铝电解槽高阳极电流密度技术路线探讨 轻金属，（）：王旋，白斌 铝电解槽应急短路母线的设计与应用 有色冶金节能，（）：侯金龙，李俊，王进录，等深度节能低碳复合阴极技术在 铝电解槽上的应用 轻金属，（）：侯金龙，胡红武 铝电解槽新式节能阴极结构技术的应用研究 有色设备，（）：，：，：（责任编辑刘宝兰）行业资讯櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉櫉殶殶殶殶友利镁合金薄带铸轧线投产江苏常州友利新材料有限公司从意大利达涅利法塔亨特公司引进的双辊式连续铸轧线于 年 月投产，可生产厚 （实际可达 ）、宽 的镁合金带材，主打产品 合金带材。铸轧机的型号为 ，目前已成功生产出、和 、切边后宽度为 的板。该线是中国最先进的镁合金带材铸轧线之一。王祝堂 供稿