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铝电解槽节能技术培训 生产部技术室2012 8 23 1 历史背景 十二五 2011 2015年 是我国经济社会发展的重要战略机遇期 也是转变发展方式 加快建设资源节约型和环境友好型工业体系的关键时期 工业化 城镇化快速发展 经济增长的能源资源和环境约束日益强化 工业作为能源消耗的主要领域 是节能工作的重点和难点 编制并实施好工业节能 十二五 规划 对于促进工业转型升级 实现工业可持续发展 确保完成节能减排约束性目标具有重要意义 一 十二五 期间国家对电解铝企业的节能要求 2 电解铝行业的具体要求及目标2 1推广新型异型阴极结构铝电解槽 新型导流结构铝电解槽 高阳极电流密度超大型电解槽 到2015年新型电解槽普及率达80 以上 2 2铝锭综合交流电耗2010年达到14013kwh t 2015年要达到13300kwh t 下降目标为5 1 二 国家及铝行业层面的节能技术推介 1 目前中国电解铝工业平均生产能源消耗接近国际先进水平 2 电解铝工业节能降耗的主要途径 2 1提高供电系统效率 推广采用晶闸管整流装置 对现有二极管整流系统进行技术提升改造 提高整流效率 降低供电过程中的电能损耗 2 2降低电解槽平均电压 减少无功能耗 降低e反 即主要是降低过电压 阳极过电压随电流密度升高而升高 随电流密度降低而减小 此外 过电压也与a1zo 浓度有关 随a1zo 浓度的增加而减小 提高电解质电导率 即减少电解质电压降 提高电解槽控制水平 降低阳极效应系数 降低阴极电压降 电解槽上阳极压降 2 3提高电流效率 降低电耗 2 4淘汰能耗较高的小型预焙铝电解槽生产能力2 5合理延伸产品链2 6优化工艺制度 提高作业效率 综合优化铝电解槽焙烧 启动和正常生产工艺技术 优化阳极更换作业 尽可能缩短作业时间 集成创新电解槽大修技术 提高槽寿命 加强资源计量管理 3 坚持自主创新 实现跨越发展 3 1大力推广应用 赛尔 开关技术 保持生产系统稳定 赛尔 开关 多点分流 同步运行开关组 提高了电解铝系 列生产的稳定性 3 2开发铝电解槽余热回收与利用技术 余热回收铝电解槽温度场的优化设计 合理选择换热介质 电解槽钢壳材料以及换热介质容器 电解槽的能源利用率由目前的48 提高到60 左右 3 3集成创新低温型铝电解新工艺 掌握低温铝电解过程特性 采用数学模拟方法 研究分析低温铝电解槽温度场 电磁场和流动场的变化规律 使电解温度由目前的950 左右降到电解温度900 以下 直流电耗降至12000 12400kwh tal 3 4优化配置低电压低排放电解铝新工艺 创新开发全石墨化碳 硼化钛复合阴极制备技术 抗氧化 高电导 电催化型炭素阳极制备技术 优化配置新型电解槽上部集气装置 使集气效率由目前的不足98 提高到99 以上 积极探索低极距铝电解工艺和低电压电解条件下的过程控制技术 实现低工作电压条件下的稳定运行 阳极效应系数小于0 05 cfn温室气体减排50 以上 3 5实现铝电解槽固体废弃物综合利用技术产化 采用浮选法回收炭粉和电解质 浮选后回收的炭粉可用于制造阳极保护环 冷捣糊或阴极炭块 实现废旧阴极碳块的综合利用 采用物理与化学相结合的办法 回收其中的电解质和碳化硅粉 电解质返回铝电解槽使用 碳化硅粉用于制造电解槽侧部碳化硅砖 实现碳化硅的综合利用技术 废旧耐火材料用于生产铝硅合金等 电解铝固体废弃物总体回收利用率达到98 三 近些年我国铝电解企业在节能工作上所取得的一些成绩 1 历史沿袭2003 2008年 企业内部挖潜降耗阶段 包括优化电解质成分 降低槽母线欧姆压降及接触压降 改进焙烧启动方法 燃气法 2段法等 运用节能设备等 2008 至今 在节能新技术倡导下 积极开展企业全方位的节能减排工作 其中两大节能技术代表有 1 东大冯乃祥与重庆天泰研发 并在浙江华东铝业应用成功的异型阴极结合低电压技术 吨铝锭电耗平均为12790kwh 2006 2007低电压系列化生产技术 最早在中孚铝业公司320ka电解槽系列实现 成功的印证了低电压技术的可操作行并指明了对电解未来节能技术方向 2 由东北大学 中南大学 云铝公司 中孚公司共同承担的 十一五 国家科技支撑计划 低温低电压铝电解新技术 项目于2010年1月28日获得了国家科技部的批复 吨铝直流电耗较2009年平均低1000kwh 2 典型案例 河南万基铝业早在2003年万基铝业二分厂建设初期就高起点规划建设国内第一条石墨化阴极生产线 建设国内第一条全石墨化阴极电解槽系列 2006年元月万基铝业二分厂第一条全石墨化阴极15万吨电解槽系列启动投产 2006年8月全部启动完毕 2006年12月系列电流强化至335ka 2007年完成铝锭产量18 36万吨 增加产值3 3万吨 节约投资约2亿元以上 3 1995 2006年我国电解铝直流电耗和铝锭综合交流电耗变化图 四 节能型 电解槽生产技术条件与操作 1 两个水平电解质水平与所有电解槽一致 应保持18cm 20cm 铝水平的保持与磁场设计 电流强度高低 槽龄等相关 一般磁场状况好 系列电流强度 阳极电流密度 小 槽龄短 铝水平可低一些 原则是使电解槽能在低电压状态下长期处于平稳状态 阳极电流密度越大 铝水平保持就越高 按电解槽设计电流强度 磁场状况等不同 出铝后铝水平一般保持在18cm 25cm之间 2 分子比电解质分子比越低 压降越高 在低分子比状态下降低槽电压 就得大幅降低极距 极距的降低有一个界限 实验表明 当极距低于3 5cm时 电流效率将急剧下降 因此 最好的方法是保持足够的有效极距 使电解质中含lif是一种有效方式 3 操作3 1出铝作业在低电压低极距的状态下 为保证平稳生产 所以对出铝的准确性要求更高 所谓准确性是指产出多少铝就抽出多少铝 使电解槽中的铝量基本稳定 才可保持电解槽的热平衡起落最小 3 2换极作业极距达到临界值的电解槽 更怕外界的干扰 换极后电解槽电流分布产生了变化 物料平衡和能量平衡都被暂时打破 因此 需要通过精细化操作把电流分布 物料 能量的变化控制到尽可能低的程度 3 3保温料的覆盖添加极上保温料看似简单 但实际上很重要 要注意尽量减少因换极使氧化铝无组织进入槽内 其次 最大限度地减少热量从电解槽壳面散发 必须要将保温性能良好的细粉状物料覆盖在阳极和槽周围加工面上 壳面各部位要避免无序冒火 塌壳处应及时封堵 保持壳面的完整和保温料的充足 五 目前推行的新工艺技术及特点1 五低三窄一高 新工艺技术 低分子比和高电压没有 1 1适用槽型 具有节能型电解槽企业也适用于不改变电解槽结构的前提下 通过优化工艺与控制技术并强化电流的综合创新型企业 1 2实现要件 要实现高电流效率 必须采用 低温 低过热度 低氧化铝浓度电解工艺 要实现减排与节能 要尽可能采用低效应甚至 零效应 电解工艺 2 目前我国绝大多数铝厂所采取的技术路线 适当提高电流密度 低电压 但是还必须充分考虑企业自身特点即把握节电和降效的平衡点 3 运用新工艺技术路线时应该注意的一些问题 3 1把握技术特点 完善氧化铝浓度控制技术 以低氧化铝浓度为前提 适当提高电流强度和铝水平 低温 低过热度是关键 根据电解质成分确定分子比和过热度 保证电解质对氧化铝的溶解能力 以建立炉膛并保持炉底基本干净作为工艺控制目标 努力提高工人的操作水平 精细化操作是持续稳定的保证 在电压稳定的基础上积极降低槽电压 节能降耗才是根本 3 2电压波动和铝液变形的原因分析电压不稳定的直观原因是铝液变形造成极距不均匀 而铝液变形分为离心力变形和电磁力变形 离心力变形是由流速场决定的 主要取决于水平磁场和垂直电流 其对铝液变形的影响相对较小 电磁力变形是由电磁场决定的 主要取决于垂直磁场和水平电流 当一台槽的磁场设计完成以后 电解槽的稳定性则基本取决于极距和阴阳极内部水平电流分布的均匀性 其中铝液内的水平电流是造成电压不稳定的罪魁祸首 如果只有垂直磁场 没有水平电流 再大的垂直磁场也不会产生向上的电磁力 但阴阳极碳块内部的水平电流是客观存在的 唯一能改变的是由于炉底沉淀和结壳所产生的水平电流 这就是我们提高现有电解槽稳定性进一步降低槽电压的努力方向 3 3如何解决炉底沉淀和结壳的困扰呢 沉淀和结壳有很大的区别 沉淀是电解质对氧化铝的溶解不及时的结果 其中有过热度偏低 分子比偏低的原因 更主要的是各种操作对过热度和分子比的干扰 比如换极 加料等等 结壳是沉淀溶解不及时的结果 如果炉底阴极表面温度长期偏低 沉淀中的冰晶石成分在电解槽的热平衡波动中大部分返回到电解质中 留在结壳中的基本上是氧化铝 成分分析表明结壳中的氧化铝约占70 左右 而沉淀中的氧化铝只有40 左右 冰晶石约占50 结壳沉积的时间越长 氧化铝含量越高 比表面积越小 溶解越困难 3 4炉底沉淀和结壳怎么溶解呢 炉底沉淀的溶解速率可用一级传质方程式表达 溶解速率 k a c饱和 c k 传质系数 随电解槽的测量位置不同而不同 a 电解质与沉淀有效界面面积 c饱和 氧化铝的饱和浓度 c 电解质中的实际氧化铝浓度 要想溶解沉淀又不降低电流效率 唯一的办法就是降低氧化铝浓度 炉底结壳是不可能直接溶解的 结壳只有首先软化为沉淀才能铝液运动来回到铝液与电解质的接触界面 从而被电解质溶解 生产中我们发现炉底沉淀还与炉帮状况密切相关 炉帮好的槽其炉底也非常干净 炉帮薄的槽炉底沉淀和伸腿都难以控制 这又是为什么呢 3 5炉底沉淀和结壳与炉帮状况的关系理想的炉帮不但能提高电解槽的热平衡能力 而且提高了阴极电流密度和垂直电流分量 从而提高阴极表明温度和沉淀的自溶解能力 因此炉帮厚实的电解槽 其炉底状况也很容易保持 炉帮状况差的电解槽 不但热平衡能力差 阴极电流密度低 垂直电流分量小 而且由于炉帮状况不稳定 当炉帮溶化的时候 炉帮中的部分氧化铝在运动过程中沉入炉底形成沉淀 当处理炉底沉淀的时候 往往是炉底沉淀还没有溶解 炉帮就率先溶化了 这样的电解槽将长期处于沉淀多 伸腿长 炉帮薄 效率低 电压高的状况 因此没有一个理想的炉膛 就不可能实现低温低电压新工艺 就不可能有低电压和高效率的结果 3 6怎样维持炉膛 1 稳定槽内液体电解质量和在产铝量 保持炉底基本干净 把好出铝关 2 稳定电解质的分子比和过热度 避免电解质成分和初晶温度的频繁波动 3 贯彻 零效应 管理思想 绝对不发生阳极效应是不可能的 零效应 是指主观上不人为等待效应 并努力降低效应系数和效应持续时间 4 保持低浓度生产 提高电解质对氧化铝和沉淀的溶解能力 从而为降低电解质过热度和促进炉帮形成创造条件 5 降低换极操作对电解槽的干扰 完善换极作业后的能量补偿和极距补偿制度 提高操作质量促进新阳极及时导电并防止阳极病变 为实现电压稳定和过热度稳定创造条件 3 7热平衡的稳定是维持炉膛稳定的首要条件铝电解生产中热平衡的主要影响因素 1 效应 5分钟 25v 温度升高30 因此要把效应持续时间控制于一分钟以内 温度攀升5 左右 2 大计量投料产生沉淀 大量投料会造成下料点局部温度 过热度和氧化铝浓度的大幅度变化 我们要力争保持加料前后温降2 以内 3 操作热损失造成热平衡和过热度波动 ac前后温降7 1 补偿后降3 4 出铝后温升5 6 4 分子比 电流与电压频繁变化 3 8出铝作业对热平衡的影响出铝作业也是电解槽热平衡波动的重要因素 由于出铝后铝水平降低从而减弱了电解槽的散热能力 即表现为体系热交换系数的降低 从而造成槽温的上升 一般而言出铝半小时后槽温会上升6 左右 在两小时后开始下降 在四小时后恢复到出铝前的正常温度 因此国内目前的出铝附加电压实质上不符合电解槽的热平衡需求 应当及时地进行改进 出铝后提高电压的目的是及时地进行炉底沉淀处理 这对于边部加工的自焙槽而言是适宜的 但对于采用浓度控制的中心下料预焙槽来说则是不合理的 3 9换极作业对热平衡的影响 应该把换极附加电压有效延长到2 4小时 同时把换极附加电压提高到120 150毫伏 然后分3 4个阶梯逐步下降 根据过热度的变化和新阳极逐步导电的特性逐步降低附加电压 从而保持电解质过热度和极距基本稳定 理想目标把电解质温度波动控制与 3 以内 新极安装高度控制在5 10毫米内 促进新阳极尽快达到全电流 目标是实现新极在18 20小时内达到全电流 3 10氧化铝下料量对热平衡的影响 对热平衡影响最频繁的是氧化铝加料作业 最剧烈的是更换阳极作业 虽然自法铝1975年开发点式下料技术以来加料作业的连续性得到了很大的提高 但理论计算表明 按240ka电解槽计算 下料量每日减少100kg则用于预热氧化铝的热支出将减少56kwh 假定同日效率降低0 5 则二次反应的潜热还要增加39kwh 相当于提高15mv电压所增加的热收入 因此我们必须力争实现氧化铝的平稳添加和完全溶解 并通过过欠量加工形式的频繁转换来减弱过欠量加料对电解槽热平衡体系的干扰 3 11保持下料点火眼畅通的必要性1 下料点的火眼有利于加强局部的热交换能力 提高下料点的电解质流速 有利于氧化铝的预热和溶解 2 下料点的火眼能使氧化铝在电解质表面铺展和分散 扩大氧化铝在电解质中接触界面 扩大了热交换界面 甚至以单个颗粒溶解 从而提高了氧化铝的溶解速率并减弱了冷料对电解质过热度的影响 3 有利于碳渣从火眼喷出 保持电解质洁净 3 12低氧化铝浓度控制技术与物料平衡采用饥饿式浓度控制思想 保持欠量周期转换到过量周期时浓度不低于1 5 过量周期转换到欠量周期周期时浓度不高于2 5 最佳浓度范围 1 5 2 5 3 13适当提高铝水是我国的槽型设计决定的 虽然国际上大型预焙槽的铝水平都处于20cm左右 但从以下磁场和流速数据分析 我们就能够理解为什么要提高铝水平 3 14我们对低过热度的认识1 低过热度往往是高铝水工艺成功的必然结果2 电解质粘度偏高是低过热度的显著特征3 低过热度工艺对提高电流效率具有积极的意义4 低过热度降低了电解质对氧化铝的溶解度和溶解速率 3 15低过热度的实现1 低过热度技术是一门非常精细的管理技术 需要可靠的浓度控制能力和热平衡控制能力 2 低过热度是建立炉帮的必然条件 保持8 10 的过热度是可以实现的 但对于我们国内的氧化铝质量和电解质成分而言 10 12 更有利于平稳生产 3 加大对换极作业的热补偿力度 才能提高对低过热度的控制能力 4 保持下料点火眼畅通 提高下料点局部对氧化铝的溶解能力 为降低过热度创造条件 5 保持下料系统稳定并实现均匀下料 六 我厂铝电解节能工作现状分析1 过程回顾 2010年年底开始低电压并结合强化电流实验开始 到2011年中旬全面推广 到现在的多措并举 调整电解质成分 控制效应 继续降低槽温 加钙加镁实验等 2 取得成绩 3 影响进一步节能降耗工