（冶金工程专业论文）山东铝业股份有限公司电解铝厂节能环保改造.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 山东铝业股份有限公司电解铝厂节能环保改造 摘要 本文全面论述了山东铝业股份有限公司电解铝厂6 0 k a 自焙槽节能环保技术改造的 可行性方案。在对当前国内外各种生产工艺和电解槽型比较论证的基础上，提出了本 次节能环保改造的技术方案和电解槽创新设计。与此同时，还对电解槽生产的节能环 保、高产低耗进行了深入的研究和探索，从而确定了一系列科学合理的技术经济指 标。 现代铝电解槽是以高效、节能、自动化程度高、长寿为特征，而电解槽的设计无 疑十分关键。铝生产的实践证明，电解槽的稳定性是获得良好生产指标的根本保证 而采用“四低一高”的工艺技术条件是取得良好技术经济指标和经济效益的基本前 提。本文所设计选用的2 0 0 k a 预焙槽为目前国内外比较先进的槽型之一，其主要的技 术创新有如下几方面：( 1 ) 优异的磁流体稳定性：( 2 ) 合理的电热场设计；( 3 ) 先 进的槽壳受力分析；( 4 ) 窄加工面技术；( 5 ) 科学的阳极升降技术；( 6 ) 先进的 “船型”槽壳技术：( 7 ) 合理的实腹板梁技术；( 8 ) 高性能的内衬材料。除此之 外，2 0 0 k a 电解槽还配有先进的水平氧化铝超浓相输送系统，菱形大布袋除尘器，v 吸附反应器等技术水平高、指标先进的相关设备，同时采用智能多模式计算机控制系 统，使电解槽的运行更加稳定。因此，电解槽的设计电流效率为9 4 ，直流电耗为 1 3 2 5 0 k w h t a 1 ，氧化铝单耗为1 9 3 0 k g t - a l ，阳极炭块毛耗5 3 0 k g t - a 1 ，阳极炭块净耗 4 1 0k g t - a l ，冰晶石单耗4k g t - a l ，氟化铝单耗2 2k g t - a 1 ，电解槽寿命1 8 0 0 天以上。 上述各项技术经济指标均为国内外电解铝生产的先进指标。大型预焙阳极电解槽无论 从投资、节能降耗、自动化程度及环境保护等方面来说，都具有中小型预焙阳极电解 槽及自焙阳极电解槽无可比拟的优越性，山东铝业股份有限公司电解铝厂电解槽技术 i i - 东北大学硕士学位论文 摘要 改造以后，将使电解铝的生产成本进一步降低，极大地提高了企业的经济效益和产品 的市场竞争能力，电解铝厂的产能也由目前的5 5 万吨提高到7 5 万吨，在当前国内外 市场需求不断增加的情况下，使该技术改造项目具有较强的可行性和一定的紧迫性。 关键词：电解铝厂技术改造创新设计节能降耗先进指标可行性 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d i f i c a t i o nf o r e n e r g y s a v i n g & e n v i r o n m e n t i ns h a n d o n ga l u m i n u mc o l t d a l u m i n u ms m e l t e r a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c o u r s e so np o s s i b i l i t yo ft e c h n i c a lm o d i f i c a t i o nf o re n e r g y - s a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n o n6 0 k a s 6 d e r b e r g c e l li n s h a n d o n g a l u m i n u mc o ，l t d a l u m i n u ms m e l t e r t h et e c h n i c a lp r e c e p to ne n e r g y - s a v i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d i n n o v a t i o nd e s i g no nc e l l si sp u tf o r w a r d ，o nt h eb a s i so fc o m p a r a t i v ed e m o n s t r a t i o no ne v e r y k i n do f p r o c e s sa n d c e l li nt h ew o r l d a tt h es a m et i m e ，d e e ps t u d ya n de x p l o r a t i o ni sc a r r i e d o u to ne n e r g y s a v i n g & e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n dh i g ho u t p u t l o wc o n s u m p t i o no f t h e c e l l s ，t h u sas e r i e so fs c i e n t i f i c ，r a t i o n a l i z e dt e c h n i c a la n de c o n o m i c a li n d i c ea r ed e t e r m i n e d m o d e mc e i l sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i 曲e f f i c i e n c y , e n e r g y - s a v i n ga n d l o n g l i f e n od o u b t , d e s i g no fc e l l si sv e r yi m p o r t a n t e x p e r i e n c e si np r o d u c t i o no f a l u m i n u ms h o wt h a ts t a b i l i t y o fc e l l si saf u n d a m e n t a l g u a r a n t e e i na c h i e v i n gb e t t e ri n d i c e ，a n di ti sab a s i cp r e c o n d i t i o ni n g a i n i n gb e t t e rt e c h n i c a li n d i c ea n de c o n o m i cb e n e f i t , t ou t i l i z e “f o u r - l o w & o n e h i g h ” p r o c e s sc o n d i t i o n s t h ep r e - b a k e d c e l lo f 2 0 0 k ac h o s e ni nt h i sp a p e ri so n eo f m o d e mc e l l si n t h ew o r l d , w h i c hh a ss e v e r a li n n o v a t i o n sa sf o l l o w s ：1 ) b e t t e rh y d r o m a g n e t i cs t a b i l i t y , 2 ) r a t i o n a ld e s i g no fe l e c t r i ch e a tf i e l d , 3 ) a d v a n c e da n a l y s i so ns h e l ls t r e s s ，4 ) t e c h n i q u eo f n a r r o wt r e a t i n gs u r f a c e ，5 ) s c i e n t i f i ct e c h n o l o g yi na n o d el i f t i n g ，6 ) a d v a n c e dt e c h n i q u eo f s h i pp a t t e r n e dc e l lb o d y ，7 ) r a t i o n a lt e c h n i q u eo f s o l i dp l a i ng i r d e r ，8 ) i n n e rl i n i n go fh i g h p e r f o r m a n c e b e s i d e s t h ec e l l o f2 0 0 k ai se q u i p p e d 研t ha d v a n c e dh o r i z o n t a lc o n v e y i n g s y s t e mf o rs u p e rd e n s ep h a s ea l u m i n a , l a r g er h o m b o i db a gf i l t e r , v r ia d s o r p t i v er e a c t o ra n d e r e ，a n dt h e s ee q u i p m e n t h a s h i g h e rt e c h n i c a ll e v e la n dm o d e mi n d i c e m e a n w h i l e 。m u l t i p l e i n t e l l i g e n tc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mi su t i l i z e dt ok e e ps t a b l er u n n i n go ft h ec e l l s t h e r e f o r e ， t h ec e l li sd e s i g n e d ：t h ec u r r e n te f f i c i e n c yo f 9 4 ，d cp o w e rc o n s u m p t i o no f1 3 , 2 5 0k w h t - a l ， u n i tc o n s u m p t i o no fa l u m i n ao f1 ，9 3 0k g t - a l ，g r o s sc o n s u m p t i o no fa n o d ec a r b o no f5 3 0 k g t - a l ，n e tc o n s t n 咧o n o fa n o d ec a r b o no f4 1 0k g j t - a l ，u n i tc o n s u m p t i o no f c r y o l i t eo f 4 k g t - a l ，u n i tc o n s u m p t i o no f a l u m i n u m f l u o r i d eo f 2 2k g t t - a 1 ，l i f eo f c e l lo f m o r et h a n1 , 8 0 0 d a y s t h e s e i n d i c ea r ea d v a n c e do n e si na l u m i n u m p r o d u c t i o n b o t hi na n do u to f c h i n a l a r g e p r e - b a k e d c e l l sa r e s u p e r i o r t om e d i u ma n ds m a l ls i z e dc e l l sa n d s o d e r b e r g c e l l si n i n v e s t m e n t ,e n e r g y - s a v i n g ,c o n s u m p t i o nd e c r e a s i n g , a u t o m a t i z a t i o na n de n v i r o n m e n t a l i v 。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o t e c t i o n a f t e rt e c h n i c a lm o d i f i c a t i o n o nt h ec e i l si n s h a n d o n ga l u m i n u mc o ，l t d a l u m i n u ms m e l t e r ，p r o d u c t i o nc o s t sw i l lb ef u r t h e r d e c r e a s e d ，e c o n o m i cb e n e f i ta n d c o m p e t i t i v ec a p a b i l i t y w i l lb e g r e a t l yi n c r e a s e d ，a n d t h e p r o d u c t i o nc a p a b i l i t yw i l l b e i n c r e a s e df r o mc u r r e n t5 5 ，0 0 0t o n n e st o 7 5 ，0 0 0t o n n e s 。u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fm o r e d e m a n d r e q u i r e di nt h em a r k e t ，t h i sm o d i f i c a t i o np r o j e c ti sf e a s i b l ea n du r g e n t k e y w o r d s ：a l u m i n u ms m e l t e r , t e c h n i c a lm o d i f i c a t i o n ，i n n o v a t i o nd e s i g n ，e n e r g y - s a v i n ga n d c o n s u m p t i o n l o w e r i n g ，a d v a n c e di n d i e e ，f e a s i b i l i t y v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了说明并表示谢意。 本人签名易次义 日期：伽岁，2 猡 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1山东铝业公司、山东铝业股份有限公司概况 山东铝业司是国家“一五”时期1 5 6 项重点建设项目之一，1 9 5 4 年7 月1 日 建成投产，是新中国第一个氧化铝厂，1 9 8 8 年被认定为国家特大型企业。近5 0 年来，山东铝业公司坚持依靠管理和科技进步，使企业由一个年产3 5 万吨氧化 铝的工厂发展成为以氧化铝、电解铝、水泥生产为主体，集采矿、冶炼、加工、 科研、设计、机械制造、建筑安装、热电供应及科工贸于一体的大型联合企业。 公司现有职工1 7 8 万人，企业总资产4 6 5 亿元，年销售额1 9 亿元，产品品种 1 3 0 余种，并形成了金属镓、炭素糊、机械制品、化学品氧化铝等优势出口产 品，生产的人造玛瑙填料在国际市场有“中国自”之美誉。作为国家第一个铝工 业基地，山东铝业公司还为国内铝工业发展输送了万余名技术和管理人才，开发 推广了数百项技术成果，被称为中国铝工业的“摇篮”。山东铝业公司是国家首 批确认的4 0 家企业( 集团) 技术中心单位和山东省企业技术中心之一，也是国 家重点扶持的5 1 2 家重点企业和中国铝业公司的骨干企业之一。1 9 9 9 年，公司对 下属6 个企业的优良资产进行重组，成立山东铝业股份有限公司，股票在上海证 券交易所上市，是国内目前唯一的以氧化铝生产为主的上市公司。 山东铝业股份有限公司( 下称股份有限公司) 1 9 9 9 年6 月1 8 日成立，同年 6 月3 0 日上市，由山东铝业公司下属的氧化铝厂、第二氧化铝厂、电解铝厂、铝 加工厂、热电厂、研究院等六家单位优良经营性资产组成，总股本5 6 0 0 0 万股， 其中社会公众流通股1 6 0 0 0 万股。主营业务：氧化铝、化学品氧化铝、电解铝、 铝型材、金属鲸等及其附属提炼物、阳极糊生产销售、热电及科研。主要产品年 生产能力：氧化铝8 0 万吨、电解铝5 5 万吨、化学品氧化铝l o 万吨、铝型材 7 0 0 0 吨，金属鲸7 5 0 0 公斤、阳极糊4 万吨、发电量3 2 0 0 万k w h 、供汽量1 8 0 万 吨，是我国目前最大的化学品氧化铝研究生产基地，主要品种和国内市场占有率 达3 5 4 5 。股份公司1 9 9 9 年1 0 月被山东省科委认定为高新技术企业。 山东铝业股份有限公司现有职工6 1 6 4 人，其中工程技术人员3 9 8 人，管理 人员5 1 8 人，干部9 7 9 入。截止到2 0 0 2 年1 2 月底。企业拥有总资产近2 4 亿 元，净资产1 4 亿元，资产负债率4 2 。 1 2 研究背景 东北大学硕士学位论文第一章绪论 山东铝业股份有限公司电解铝厂采用6 0k a 自焙槽工艺始建于1 9 5 8 年。多 年来几经改造，其主要技术指标均得以长足发展，为我国的铝电解工业发展作出 了重要贡献。但是，随着全社会节能环保意识的不断增强，侧插自焙阳极电解槽 己越来越不能适应社会发展的要求。由于自焙槽自身的结构特点，难以实现自动 化控制和较好的解决电解烟气污染的问题，因此技术经济指标较差，生产成本也 相对较高。自焙槽与预焙槽在电流效率上相差约4 5 ，直流电耗相差 1 0 0 0 k w h t a 1 左右，造成对能源与资源的浪费。 目前电解铝厂有一、二、兰三个电解生产车阃，其中一、二电解为一个电 解生产系列，共有2 2 4 台6 0 k a 自焙阳极电解槽，产能为3 5 万吨；三电解单独 为一个电解生产系列，有9 4 台8 0 r a 预焙阳极电解槽。产能为2 万吨。阳极糊车 间担负着为电解铝生产提供阳极糊及铝用预焙阳极炭块的任务。企业有自成体 系、比较完整的与生产建设相配套的服务设施。 山东铝业公司2 0 0 0 年环境监测年报表表明，在对厂区及生活区环境空气质 量监测t s p 日均浓度范围为0 1 6 1 1 5 3 8 m g n m 3 ，两个测点均出现超标现象； h f 日均浓度范围为0 0 0 4 0 0 0 1 m g n m 3 ，两个测点均出现超标现象。其中h f 的 污染主要来源于电解铝厂6 0 k a 自焙槽烟气。由于自焙槽密闭效果差、集气效率 低，只有6 0 左右，因此大部分污染物没有经过净化系统而直接排放。目前， 一、二电解车间的吨铝排氟量为6 3 k g t a l ，粉尘1 9 9 k g t a l ，沥青烟 1 9 i k g t a 1 ，对铝厂周围的环境造成极大危害。几年来，为解决污染问题，公 司虽采取多项措施并为此付出了沉重代价，但效果甚微，现行的湿法净化工艺运 行费用高达3 0 0 元t - a l ，但环保却难以达标。 随着能源的日益紧张和全社会环境意识的不断提高，对企业实现“高效、高 产、低耗、清洁生产”的要求日趋紧迫，也使自焙槽能耗高、效率低、效益差、 缺乏竞争力、劳动环境差、污染严重的弊端愈发凸现。1 9 9 9 年1 月国家经贸委以 中华人民共和国经贸委员会( 第6 号) 发布了淘汰落后生产能力、工艺和 产品目录( 第一批) ，其中6 0 k a 以下自焙槽生产工艺已被列为淘汰品种。 1 9 9 9 年1 2 月3 0 日，国家经贸委发布中华人民共和国国家经贸委员会第1 6 号 令，发布淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录( 第二批) ，自2 0 0 0 年1 月1 日起施行，其中环保不能达标的自焙槽电解铝生产工艺及设各将予淘汰。 因此，自焙槽铝厂要解决生存问题，关键在于实施技术改造，烟气治理，走 预焙化之路，走铝电联产之路，以降低生产成本，顺应国家的产业政策，唯有如 此，企业才有出路。 为此，本研究课题拟对电解铝厂自焙槽实施预焙化改造，采用2 0 0 k h 预焙阳 极电解槽取代6 0 k a 自焙槽，以彻底解决皂焙槽烟气的环境污染问题，改善工人 的劳动条件，为提高电解铝厂技术装备水平，实现低耗高效奠定基础；同时为贯 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 彻国务院发布的关于环境保护若干问题的规定中提出的我国所有工业污染源 排放污染物要限期达到国家或地方规定的标准。各地区主要污染物排放总量要 控制在国家规定的标准内。 1 3 改造的必要性和有利条件 首先，电解铝厂自焙槽改造项目是清洁生产和环境保护的需要。改造后的电 解铝厂，全部采用大型预焙阳极电解生产工艺，可使沥青烟的排放量降低为0 ， 大大降低对环境的污染程度。同时，含有h f 、粉尘等的烟气可经过全密闭干法烟 气净化系统处理后达标排放，改变原有自焙槽烟气大部分不经过净化系统而直接 排放的局面，改善工人的操作环境，实现清洁生产，同时对铝厂及周边环境的改 善也有很大的推动作用。 其次，电解铝厂自焙槽改造也是企业节能降耗、降低成本的需要。采用 2 0 0 k a 预焙槽电解生产工艺，电流效率可达9 4 至9 5 ，相比6 0 k a 自焙槽( 8 9 ) 有显著提高；原铝直流电耗可达1 3 3 0 0 k w h t a 1 以下，比6 0 k a 自焙槽降低 1 0 0 0 k w h 以上，对企业的节能降耗将起到积极作用。 第三，电解铝厂自焙槽改造是企业长期稳定发展的需要。6 0 k a 侧插自焙槽铝 电解工艺是国家明文规定要取消的落后铝电解生产工艺，在国内已无立足之地， 实施对铝电解槽的改造，正是针对国家的产业政策而采取的举措之一，可以避免 企业因国家的政策被迫停产造成的人员富余及资产闲置的不良局面，提高企业的 技术装备水平，保持企业的长期健康稳定发展。 本次节能环保改造的有利条件有如下几方面： 一是国家对电解铝行业的产业政策要求。国务院关于环境保护的若干问题 的决定及国家经贸委公布的淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录等文 件，是本研究课题的依据，也是本次改造项日最根本的有利条件。 = 是中国铝业公司在纽约及香港证券交易所的成功上市和山东铝业股份有限 公司在上交所的上市可为本项目提供充足的资金来源。 三是山东铝业公司有一套完整的科研开发、试验生产、设计施工、设备制 作、经营管理和服务系统，能以较快的速度、较省的投资、较好的质量完成项目 的建设和生产任务，投产后能较快的达产达标。 四是山东铝业股份有限公司是全国第三大氧化铝厂，2 0 0 2 年产量达到 8 0 0 k t ，因此本项目的生产原料氧化铝供应十分充裕，且改造后能使公司的产品 结构更趋向于合理。 五是本项目的机修、维修和辅助生产系统可利用公司现有的各种设施和力 量，既减少了投资，降低了成本，又方便了生产。 。3 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 六是山东铝业股份有限公司地处山东半岛，淄博市铁路、公路交通发达，地 理位置重要，原材料及工业产品的运输畅通无阻，是本项目的又一有利条件。 1 4 改造设计的原则 首先要把国家对电解铝行业的产业政策要求，国务院关于环境保护的若干 问题的决定及国家经贸委公布的淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录等 文件的精神、原则和要求，落实到本项目的可行性研究工作中来。 其次要充分利用原有设备，生产和公用系统的富余能力，尽量挖掘企业内部 潜力、发挥企业的综合优势，做到少投入、多产出。总体安排、统筹规划，滚动 实施，优化经济技术指标，提高经济效益。 三是要采用先进的工艺和新型的节能设备。工艺和设备的起点要高，以良好 的经济效益提高产品在市场上的竞争能力。 四是要继续发扬企业的“自力更生、艰苦奋斗”的传统精神，增大自制设备 和自行安装施工的比例，力求节约建设投资和加快建设进度，早建成、早达标达 产，争取更好的综合经济效益。 五要牢固树立爱护环境、美化环境的观念，生产过程中产生的“三废”要经 过处理，达到国家规定的排放标准后排放。 1 5 改造方案 山东铝业股份有限公司电解铝厂节能环保改造工程计划对一、= 电解车间 2 2 4 台6 0 k a 的自焙槽进行改造，自西向东将其改造为1 0 2 台2 0 0 k a 的预焙槽，年 产5 5 k t ，产品方案为普通重熔铝锭或合金锭。 本次改造的主要内容有： ( 1 ) 拆除一、二电解车间现有的2 2 4 台6 0 k a 自焙槽，自西向东建设1 0 2 台 2 0 0 k a 预焙槽，改造完毕，电解铝厂一、二电解车间有2 0 0 k h 预焙槽1 0 2 台，三 电解车间有8 0 k a 预焙槽9 4 台。改造过程要遵循边改造、边投产的原则，以尽量 减少改造过程对电解铝厂产量的影响。 ( 2 ) 拆除原跨度为2 1 m ，长3 9 9 m 的老厂房，该厂房建于1 9 5 8 年，为砖混结 构，屋梁凹陷，腐蚀严重，全部梁架虽于1 9 9 1 年采用钢筋拉紧加固，但又多次 出现下垂，改造已迫在眉睫，故拟新建3 8 0 m 长，2 4 m 跨度的新厂房，二层结构。 ( 3 ) 拆除原有运行费用高、环保不达标的湿法净化系统，新建两组工艺简单、 运行费用低的千法净化系统及氧化铝超浓相输送系统，负责1 0 2 台2 0 0 k a 预焙槽 氧化铝供应及烟气净化，三电解车间烟气净化仍由原有的湿法净化系统完成。 。4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 新建阳极炭块生产组装车间，同时对原有炭素生产系统进行技术改造。 1 6 建设规模和产品方案 1 6 1 产品市场预测 铝是一种国际贸易金属，由于其具有重量轻、易导电、抗腐蚀、易加工等性 能，在当今的经济领域成为广泛应用于各类产品的基本金属之一，为仅次子钢铁 之外的第二大金属材料。 1 6 2 铝的生产情况 据统计，到2 0 0 1 年底，共有2 4 5 个电解铝厂( 其中中国占1 2 2 家) 正在运 行，总生产能力2 7 2 4 3 k t a 。在世界原铝生产国家中，美国、俄罗斯和中国是原 铝产能最大的国家，其中仅美国就有铝电解生产企业2 3 家，生产能力为 4 2 1 l k t a ；俄罗矩有电解铝企业1 l 家，生产能力为3 2 1 5 k t a ；中国1 9 9 9 年有电 解铝企业1 2 2 家，年产量为2 6 1 8 k t a ：到2 0 0 1 年增长到3 4 3 0 k t a ，铝总产能 4 2 6 0 k t a 。超过美国和饿罗颠，截止到2 0 0 2 年底，全国共有1 3 2 家铝厂年产量 达到4 3 3 6k t a ，跃居世界第一位。 表卜1近十年我国铝产能和产量表 t a b l el lp r o d u c t i o nq u a n t i t ya n d c a p a c i t yo f a l u m i n u m i nc h i n af o r1 0y e a r s 名称1 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 产量9 5 71 0 9 61 2 2 01 4 4 61 6 5 81 9 0 02 0 4 62 4 1 82 6 1 82 8 2 83 4 3 04 3 3 6 1 。6 3 铝的消费 9 0 年代全球铝消费经历了三个时期。1 9 9 0 - - 1 9 9 2 年下降，1 9 9 3 - - 1 9 9 5 年上 升，1 9 9 6 1 9 9 8 年下降，1 9 9 9 2 0 0 0 年上升。据美国美林证券公司统计，2 0 0 0 年 全球经济增长率达到3 3 ，其中美国达到3 2 ，亚洲和拉美分别达到6 和 3 3 ，虽然从2 0 0 1 年开始，世界经济呈现衰退迹象，但预计随着美国、欧洲、 日本等世界主要经济体的经济形势在2 0 0 2 年下半年开始出现转机，在全球经济 好转的带动下，2 0 0 2 年世界铝需求将继续呈快速增长之势。 中国是世界最大的发展中国家，人口1 3 亿，随着经济发展和生活水平的提 高，消费水平也在提高，巨大的消费市场是支撑我国电解铝工业发展的基础。自 1 9 9 0 年以来，我国铝的消费以1 6 速度增长，预测到2 0 0 5 年原铝消费在5 0 0 万 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 吨左右。尽管我国铝产量虽已跃居世界第一位，但我国直是铝的净进口国，每 年国家都需耗用大量外汇进口铝。据统计，截止到2 0 0 0 年我国累计进口原铝 8 5 4 7 k t 。我国铝工业从八十年代发展至今，铝的产量、消费量及进口量变化见下 图所示。( 单位：万吨) 4 0 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 llilii ，乡 么 ， ji 渝j 少 - q 进n 量| illiii， 多，_ ，r liilll么 二一 1l # 牢叶气7 一一 r 卜斗il1 ， 9 8 31 9 8 51 9 s 71 9 8 91 9 9 l1 9 9 31 9 9 51 9 9 71 9 9 92 0 0 02 0 0 目i - l 我目铝产量及进n 量 年骨 图卜1 我国铝产量及进口量 f i g1 - ! i m p o r ta n de x p o r to f a l u m i n u m i nc h i n a 由图可见，近几年，我国铝的生产量和消费量基本处于平衡状态，但增幅有 所加快。从总量分析，我国铝的消费水平仍处于世界发达国家的初级阶段，据测 算，目前我国年人均铝消费量为2 7 k g 左右，大大低于世界年人均4 k g 铝的消费 水平，这说明我国铝的消费领域还有待开发，市场潜力仍很大。 由于铝工业是对矿产资源、能源特别是电力有较高要求的产业，所以在其发 展初期，其产区主要在美国、西欧等经济发达国家。随着世界经济的不断发展， 特别是发展中国家经济的快速增长，其产区逐渐转向矿产资源丰富、电力供应充 足、劳动力价格低廉的发展中国家。另外，铝的消费领域也在逐步扩大，从最初 的军工、航空航天、电力、机械等传统消费领域转向建筑、交通运输及包装等行 业，其中以汽车业和建筑业对铝的潜在需求量为最大。今后几年铝消费羞和工业 产量均将有较大的增长。 1 6 4 建设规模与产品方案 综合上述产品市场预测和铝的生产消费情况，结合山东铝业股份有限公司的 目前实际，本项目的建设规模为改造后2 0 0 k a 预焙槽的年产能达到5 5 k t a 加上 三电解9 4 台8 0 k a 预焙槽产能2 0 k t a ，电解铝厂生产规模将达到7 5 k t a ，增加 部分产品方案为重熔用铝锭，其质量标准如表卜1 所示 东北大学硕士学位论文第一章绪论 裘卜2铝锭质量标准 t a b l e1 2s t a n d a r d so fa l u m i n u mi n g o t 化学成分( ) 牌号杂质不大于 a 1 不小于 f es ic uc a m g其他每种总和 a 1 9 9 8 59 9 8 50 1 20 0 8o 0 50 0 30 0 30 0 1 50 0 5 a 1 9 9 8 09 9 8 00 1 50 1 00 0 io 0 3o 0 3o 0 20 2 0 a 1 9 9 7 09 9 7 0o 2 00 1 3o 0 lo 0 30 0 30 0 30 3 0 a 1 9 9 6 09 9 6 0o 2 5o 1 80 0 10 0 30 0 30 0 30 4 0 a 1 9 9 5 09 9 5 0o 3 00 2 50 0 20 0 3o 0 30 0 50 5 0 a 1 9 9 0 09 9 0 00 5 00 4 5o 0 20 0 50 0 50 0 51 0 0 东北大学硕士学位论文第二章铝电解生产工艺创新改造方案 第二章铝电解生产工艺创新改造方案 2 1 工艺方案的选择论证 众所周知，国内外广泛使用的铝电解生产工艺目前仍然是熔盐电解法。即以 氧化铝为原料溶于熔融的冰晶石中作为电解质，以炭素材料作为阴极和阳极，通 以直流电进行电解，从而获得金属铝。该法技术成熟可靠，已有百年生产历史。 目前，国内外应用电解法生产金属铝的电解槽主要有自焙槽和不连续预焙槽 两大类，而不连续预焙槽又有边部下料、半连续中间下料，小预焙和大预焙等若 干类型。所以自焙槽改造成预焙槽就有若干种工艺方案可供选择。 当然，自焙槽可以改造成小预焙槽，长城铝业公司的电解铝厂已成功地把 6 0 k a 自焙槽改造成7 5 k a 预焙槽新槽型，运用了国内电解槽设计中成熟而先进的 理论和技术，在此基础上，又有多项创新，其主要特点是： ( i ) 环保各项污染物排放均达到g b 6 2 9 7 1 9 9 6 “大气污染物综合排放标 准”，其烟气集气效率达9 7 ，粉尘净化效率9 9 9 9 ，全氟净化效率9 9 ，较好 地解决了烟气污染问题。 ( 2 ) 电流强度可达7 5 8 5 k a ，阳极电流密度0 7 2 4 0 7 6 7 a c m 2 ，电流效 率考核，运行四个月平均9 1 6 1 ，直流电耗1 3 6 6 9 k 拍t a l ，提高了产量和经济 效益。 ( 3 ) 折算投资2 5 0 0 元t - a l ，投资比较省。 但是，随着世界铝电解技术的不断进步，电解槽向大容量化发展的趋势近年 来已明显增强，目前现代化的大型预焙槽电流效率有的已高达。9 5 9 6 。我国的铝 电解技术伴随着计算机和铝电解“三场”技术研究的不断发展也取得了可喜的进 展，设计先进、技术一流的大型预焙阳极电解槽不断投入生产，取得了较好的经 济效益。 铝电解槽的容量越大，虽然投资较大，但运行成本较低，根据我国目前的经 济状况及电解技术的水平，本人认为2 0 0 k a 电解槽不仅在经济上是合理的，而且 在先进性方面也有时代的特征。 2 0 0 k a 级大型预焙电解槽采用先进的电、磁及磁流体动力学数学模型及计算 机模型技术，采用“大面四点进电”的母线配置，使电解槽获得最佳的磁流体动 力学效果和稳定性。设计上采用了合理的槽内衬和槽壳结构，选用新型炭素材料 和防渗保温辅助材料，确保电解生产过程中电解槽的稳定热平衡，使其形成一个 稳定的槽膛内形，防止电解质对槽内衬的侵蚀，大大提高了电解槽的寿命。 8 东北失学硕士学位论文 第= 章铝电解生产工艺创新改造方案 另外，2 0 0 k a 级大型预焙阳极电解槽设计有先进的计算机控制系统，运用 “模糊控制技术和铝电解专家系统”，采用当今先进的“四低一高”电解铝生产 工艺制度，使该款槽型的综合技术水平达到了国内先进水平。 综上所述，对山东铝业股份有限公司电解铝厂节能环保改造项目来讲。选用 2 0 0 k a 级大型预焙阳极电解槽替换6 0 k a 侧插自焙阳极电解槽无论从技术上，还是 经济上都是比较合理的。本次设计电解槽的电流效率为9 4 9 6 ，直流电耗 1 3 2 5 0 k w h t a l ，在国内属领先水平。 2 2 电解铝工艺流程概述 铝电解生产所用的氧化铝用火车运至电解铝厂，由稀相输送系统直接吹送至 氧化铝储槽内。氟化盐从厂外运至厂内的氟化盐仓库，采用气力稀相输送系统， 用旋流泵将其吹送至双层储槽的氟化盐贮槽。部分氧化铝经电解烟气净化系统后 成为载氟氧化铝，由气力提升机送入载氟氧化铝贮槽，载氟氧化铝与氟化铝经配 料计量系统按比例掺配后，再由超浓相输送系统送至每台电解槽的料箱内，按工 艺过程需要自动加入电解槽内的电解质中。 铝电解生产用的阳极组，由阳极组装车间供给。生产过程中的残极，从电解 槽上换下，清理后送往阳极组装车间处理。在阳极组装车间，残极经残极压脱 机、磷铁环压脱机处理后，残极炭块送往碳索厂残极处理工段处理后，作为生产 原料使用。铝导杆按工艺要求处理后，与新阳极重新组装成阳级组。残极上的电 解质，在炭素厂残极处理工段经破碎后，由汽车送至电解车间的电解质贮槽，作 为电解槽换极时的覆盖料。 铝电解生产所用的直流电能，由毗邻的整流所通过连接铝母线导入串联的电 解榴。 电解槽产出的液态铝，经真空抬包负压吸出，送往铸造车间。 在铸造车间，将铝液注入混合炉，并接产品牌号的要求，进行合理调配、精 炼和静置，由铝锭连续铸机组浇铸成铝锭。产品经质量检验、打捆、称重后由内 燃叉车送入成品堆场。 为检查原材料的成分及产品的质量，设计有专门为铝生产服务的化验室。 2 3 电解铝工艺综合技术经济指标的确定 电解铝生产工艺技术经济指标的确定是一项非常重要的设计工作，涉及到 整个技术改造项目的经济效益和社会效益，本着实事求是的原则，在多方比较、 深入研究的基础上，确定了本次技术改造的主要技术经济指标，如下表所示： 。9 东北大学硕士学位论文第二章铝电解生产工艺创新改造方案 表2 1 电解铝工艺综合技术经济指标 t a b l e2 - 1t e c h n i c a la n de c o n o m i cs p e c i f i c a t i o no f a l u m i n u me l e c t r o l y t i cp r o c e s s 序号项目单位指标值 1原铝产量t a5 5 2 6 i 2 铝锭产量 t a5 4 9 8 5 3安装电解槽台数 1 0 2 4备用槽台数2 5系列电流强度 k a2 0 0 6槽平均电压 v4 1 7 7 电流效率 9 4 8单槽日产原铝量 k g d 1 5 1 4 9 原铝直流电耗k w h z - a t 1 3 2 5 0 1 0 氧化铝单耗k g t - a 1 1 9 3 0 1 1氟化铝单耗k g t a 1 2 2 1 2冰晶石单耗k g t a 1 4 1 3 阳极炭块毛耗k g t a 1 5 3 0 1 4 阳极炭块挣耗k g t a 1 4 i 0 1 5槽内村平均寿命天 1 8 0 0 1 6 效应系数 次日台0 3 1 7铝锭铸造损失 0 5 2 4 电解车间改造设计 本工程拟对一、二电解车间实施技术改造，拆除原有的2 2 4 台6 0 k a 侧插自 焙槽，新建1 0 2 台2 0 0 k a 预焙槽。 2 4 1 铝电解槽设计 2 4 1 1 槽壳 电解生产过程中，由于电解质不断侵蚀渗入炭块及基底砌体内，盐结晶不断 生成和增加，固体体积扩大，从而产生垂直和水平应力。使槽壳变形和扭曲倾 斜。因此，电解槽槽壳强度与槽内衬寿命的长短有直接的关系。为了抵制垂直的 和水平的应力，必须选择合理的槽壳结构，使槽壳具有较大的刚性，克服产生的 应力，减小变形。 本设计采用强度大、技术成熟的船形摇篮槽壳，槽壳刚性大。变形小，能达 到延长槽寿命的目的。 2 4 1 2 内衬 东北大学硕士擘位论文 第二章铝电解生产工艺创新改造方案 槽内衬最佳热场设计应使电解质9 0 0 等温线位于阴极钢棒以下，8 0 0 等 温线位于保温层以上，如图2 一l 所示。根据电解槽的熟平衡计算，确定电解槽内 衬的材料及厚度。 圈2 - ! 阴极热场分配圈 f i g2 - 1f i e l dd i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r eo f c a t h o d e 2 0 0 k a 电解铝内衬设计如下：槽膛侧部为一层侧部炭块，采用碳化硅结合氮 化硅新材料，侧部炭块与阴极炭块之间的边缝捣制成坡型，形成人造伸腿，有利 于形成槽帮。槽底部阴极炭块( 采用石墨化材料) 四周与槽壳间，采用防渗浇注 料，除保温效果好外，尚允许有一定的弹性变形。有利于减少阴极炭块裂纹和延 长槽寿命。槽壳底板内层为硅酸钙板，再上为保温砖层。为防止电解质渗透破坏 保温层，在阴极炭块底下与保温砖层间铺实一层干式防渗料，如图2 - 2 所示： 图2 - 22 0 0 k a 电解槽内衬结构图 f i g2 - 2l i n i n gs t r u c t u r eo fe l e c t r o l y t i cc e l l 经热场计算，这种形式的槽内衬，热场分布处于最佳状态。 l l 。 东北大学硕士学位论文第= 章铝电解生产工艺创新改造方案 2 4 1 3 母线配置 母线配置的设计是一个十分复杂的综合性问题，它不仅需要考虑到磁场的优 化设计，而且还要考虑到母线设计时电工问题、结构问题及生产操作问题。不仅 要考虑到正常生产的情况。也要考 虑到短路时的情况，即所设计的母 线配置及断面不仅满足正常生产时 电流分配，而且在短路时。应尽量 不增加另外的短路母线来满足短路 情况下的电流分配。 本设计全面考虑了上述因素， 经过多方案的优化筛选，采用大面 四点的母线进电方式，四个立柱母 线电流均等供电，每个立柱母线电 流为5 0 0 0 0 a ，如图2 - 3 所示。 lll lln一州 ll l j l 十十十+ + 十 - 十十1十十1 i 1 。斗 j + + + + + + 0 4 - 斗4 目2 32 0 0 k a 自解檀4 线配置 f i g2 - ：3a r r a n g e m e n to fc e l lb u s b a r 缸3 _ s 一 2 4 1 5 打壳下料机构 2 0 0 k a 预焙槽为中间点式下料槽，设计采用最新一代筒式定容下料器。该装置 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章铝电解生产工艺创新改造方案 动作灵活，定容准确，密封好，打壳有力，锤头在电解质中停留时间短，能形成 有效的孔洞，氧化铝能有效地导入孔洞中心。 根据流动场计算结果，在阳极组夹缝与中缝交叉点设四个下料点，均在流动 场的旋环内。每点每次下料定量1 8 k g ，采用计算机多模式智能控制每次下料间 隔时间，保持槽内电解质中氧化铝浓度的基本恒定，以获得较高的电流效率。 2 4 1