铝电解节能理论与技术

一、概述2009年世界上主要铝生产大国产量

（全球3625万吨、中国占35.44％，消费量占37.07％）2006～2009年我国铝电解产量单位能耗kW•h/t-Al产量万吨总能耗占有色行业总能耗占全国电力200714488125986.5％5.56％2008143231317.883.6％5.47％2009141711284.65.96％铝电解能耗大。参数KACC(1984)AP28(1987)SY350(2007)AP50(2008)电流强度/kA195282350500直流电耗/(kWh/kg)13.113.4<13.213.2电流效率/％94.794.6>9495.7一、概述多年来，国家对铝电解的节能降耗技术研究和基础理论研究投入了大量的资金，工业铝电解槽容量、自动化控制技术和水平有了很大提高，但铝电解生产的直流电耗近20～30年来一直徘徊在13000～13300kW•h/t。大幅度降低铝电解生产的电能消耗符合国家节能减排政策，是国家的重大需求，也是国内外本学科领域重点研究课题。1.1冰晶石－氧化铝熔盐电解的基本原理一、铝电解槽的结构1）冰晶石－氧化铝熔盐电解法仍是当今世界金属铝的基本生产方法

2）是1886年法国人Héroult和美国人Hall同时申请专利发明的。

至今124年历史。

3）基本原理：熔盐电解Al2O3。

电解质：Na3AlF6（溶剂），熔点1008℃，

为降低电解质温度，添加CaF2、AlF3和LiF等。

Al2O3（溶质），以离子状态存在于电解质熔体中。

阳极：炭，由石油焦制成。

阴极：C/Al。1.2电解反应一、铝电解槽的结构1.3电解槽结构一、铝电解槽的结构以阳极命名：自焙槽预焙槽旁插槽上插槽旁插槽一、铝电解槽的结构一、铝电解槽的结构上插槽预焙槽一、铝电解槽的结构一、铝电解槽的结构阴极结构：传统电解槽新型阴极结构电解槽新型阴极结构电解槽的阴极结构一、铝电解槽的结构传统阴极新型阴极传统阴极铝电解厂一、铝电解槽的结构1.4当代电解槽的技术特点：一、铝电解槽的结构1、以预焙槽为主，电流300～500kA；

2、较低的槽电压和较高的电流效率；

直流电耗13000～13300kW•h/t-Al；

综合交流电耗～14000kW•h/t-Al；

3、新型阴极结构电解槽直流电耗

～12000kW•h/t-Al。

4、使用自动控制技术

1）槽电压控制；

2）槽电阻控制：

氧化铝浓度对槽电阻有重大影响，计算机通过槽电阻监控

电解质中氧化铝浓度，从而控制电解槽中的氧化铝浓度。

5、氧化铝浓度得到监测与严格控制，使阳极效应系数大大降低

有的达到0.01次/槽天以下。二、当代铝电解槽的工艺技术条件1、电解温度950～970℃；

2、电解质分子比2.3～2.6；

3、电解质水平18～20cm；

4、铝水平高度18～22cm。

5、槽电压4.0～4.3V。

6、电流强度200～500kA。三、铝电解生产的技术经济指标式中Rc

为交流－直流过程的电能转换效率。1、电解效率CE

1）电化学当量：0.3355g/(A•h)

2）电流效率定义：2、直流电耗3、可比交流电耗四、铝电解生产电能节省的社会效益1、按吨铝节电1000kW•h/t-Al

1kW•h=0.350kg标煤

1kg标煤---2.3kgCO2

2、2009年我国铝电解产量1285万吨

目前产能大于2000万吨。按1000万吨计算：

可节省100亿度电/年

节省350万吨标煤/年

减排805万吨CO2/年

五、铝电解节电的技术原理a）降低V平；b）提高CE。

例1：某电解铝厂，电解槽平均电压为4.1伏，CE＝93％。如果槽平均电压降至4.0伏，电能节省：

例2：上例中，如槽平均电压不变，将电流效率从93％提高到94％，电能节省：1、电耗（直流）V平－槽平均电压，CE－电流效率2、节电的技术原理E0

为氧化铝可逆分解电压；为阳极反应过电压；为阴极过电压；Ra

为阳极电阻；Rc

为阴极电阻；Re

为电解质电阻；Rx

为母线电阻；Ve

为效应分摊电压；VB

为槽间电压和电解厂房到整流所之间母线电压降的分摊电压之和。五、铝电解节电的技术原理3、槽电压组成五、铝电解节电的技术原理1）E0--氧化铝可逆分解电压，根据如下反应的自由能变化得出：由于△G只是温度的函数，因此E0也是温度的函数，由热力学计算得到，对于炭阳极的铝电解：式中：五、铝电解节电的技术原理2）阳极过电压3）阴极过电压式中：电解质熔体中NaF的活度阴极表面电解质熔体AlF3的活度电解质熔体中AlF3的活度阴极表面电解质熔体NaF的活度五、铝电解节电的技术原理4）欧姆电压降5）效应分摊电压Ve

6）槽间电压、厂房外母线分摊电压VB式中：五、铝电解节电的技术原理4、电解槽电流效率1）铝电解遵循法拉第定律

阴极电解反应生成的理论铝量

式中：五、铝电解节电的技术原理2）铝电解槽降低电流效率的原因

a)二次反应，铝从阴极表面溶解（物理的或化学的）

b)电解槽漏电（很少）

五、铝电解节电的技术原理3）若干技术参数对电流效率的影响

a）温度、过热度；b）电解质成份；c）添加剂；极距影响（左）电解温度981℃;分子比:2.5;CaF2:5％;MgF2:0.1％;Al2O3:5％;阳极电流密度:0.82A/cm2;界面铝液流速:6.8cm/s氧化铝浓度影响（右）(AlF3浓度过量8.5％；5％CaF2；电解温度965℃)e）极距；f）氧化铝浓度；d）槽膛形状；六、降低铝电解生产电能消耗的方法1、提高电解槽的电流效率：提高1％，约降低电耗150kW•h/t-Al。2、降低槽电压：方法：电解温度过热度电解质成份提高铝液面稳定性降低0.1V，约降低电耗320kW•h/t-Al。六、降低铝电解生产电能消耗的方法提高阳极质量、降低阳极电阻；选用石墨化、半石墨化或石墨质的阴极碳块；选用适当电解质成份，添加LiF等，提高电解质的导电性；阳极过电压很难降低。CE越高、阳极质量越好，，提高电解温度，会使，但。阴极过电压。适当高的分子比和电解温度，。降低母线的电流密度，即加大母线的断面面积，可使母线的电压降降低，但投资增大。目前电解槽母线的投资占铝电解厂房投资的1/7。降低槽电压方法：六、降低铝电解生产电能消耗的方法优化电解槽阳极和阴极母线的结构设计，使电解槽内的铝液有较好的稳定性，可使电解槽的极距降低，使槽电压降低；使用表面具有凸起结构的阴极，可增加电解槽阴极铝液面的稳定性，减少铝液面的波动，实现降低极距，减小槽电压，减少电耗的目的。该技术的发明，引导着当代铝电解槽的一次技术革命。新型阴极结构电解槽目前已在全国大多数铝厂推广使用，平均节电1000kW•h/t-Al。阴极碳块纵向方向一个间断。凸起高度9～15cm，宽度17～35cm七、新型阴极结构电解槽的阴极结构第二种

凸起与阴极碳块的纵向方向一致，三个间断。

凸起高度9～15cm，宽度17～35cm七、新型阴极结构电解槽的阴极结构第三种：

横向凸起与纵向凸起交叉排列七、新型阴极结构电解槽的阴极结构第四种：

在同一个阴极碳块上有一排横向凸起的阴极结构铝电解槽

排与排之间的凸起相互交错七、新型阴极结构电解槽的阴极结构第四种：

在同一个阴极碳块上有两排横向凸起的阴极结构铝电解槽

排与排之间的凸起相互交错七、新型阴极结构电解槽的阴极结构新型阴极结构高效节能电解槽铝电解的若干技术问题冯乃祥东北大学二○一○年六月2010年冶金工程全国研究生暑期学校课程东北大学阴极碳块纵向方向单凸起，一个间断。

凸起高度9～15cm，宽17～35cm一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构阴极碳块纵向方向一个间断。凸起高度9～15cm，宽度17～35cm一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构第二种

凸起与阴极碳块的纵向方向一致，三个间断。

凸起高度9～15cm，宽度17～35cm一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构第三种：

横向凸起与纵向凸起交叉排列一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构第四种：

在同一个阴极碳块上有一排横向凸起的阴极结构铝电解槽

排与排之间的凸起相互交错第四种：

在同一个阴极碳块上有两排横向凸起的阴极结构铝电解槽

排与排之间的凸起相互交错一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构新型阴极结构高效节能电解槽阴极结构的设计原则。

要使阴极铝液具有最小的铝液波动，为此：

1）阴极碳块上的凸起结构，应使铝液能在竖立的凸起之间有流动性，且铝液的流速平稳，速度较小。

2）凸起上表面的铝液层的高度不能太高，也不能太小。如太小容易使凸起展露于电解质熔体中，引起凸起的电化学腐蚀；太高，使减波的效果降低。比较适宜的应在高出凸起上表面5cm左右。一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构各种阴极结构的比较：

每种阴极结构都有减波和减少铝液流速的功能，但：

第一种阴极结构：在阴极碳块的纵向方向和阴极周边有较大的铝液流速；

第二种、第三种和第四种阴极结构无论是x方向还是y方向，铝液流速大大被减小，减波功能效果更好。展望：

后两种新型阴极结构电解槽的阴极结构可能是未来的应用和发展方向。一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构目前，全国有一半的电解铝厂，使用和开始使用新型阴极结构高效节能的铝电解技术。所有已使用新型阴极结构电解槽技术的电解槽都取得了明显节电效果，大多数电解铝厂的新型阴极结构电解槽的节电效果为电耗降低800～1000kW•h/t-Al，有的达到和1000kW•h/t-Al以上。其节电效果的差别与电解槽的工艺技术条件、操作方法和电解槽的设计有关。华东铝业200kA系列新型阴极结构电解槽于2009年6月份陆续启动和投产至今已经有一年了，其指标为：平均直流电耗为12043kW•h/t-Al，平均原铝可比交流电耗为12545kW•h/t-Al。平均铝锭综合交流电耗为12790kW•h/t-Al。2009年，国内铝厂平均铝锭综合交流电耗为14171kW•h/t-Al，华东铝业系列新型阴极结构电解槽的平均铝锭综合交流电耗为12790kW•h/t-Al，比全国水平低1381kW•h/t-Al。二、新型阴极结构电解槽的应用情况三、关于新型阴极电解槽热平衡问题，以及槽内衬保温结构设计的原则新型阴极结构电解槽在槽电压降低以后，要按照如下的技术原则，实现给定电解工艺技术条件下的热平衡：在保证良好的工艺技术条件下，适当地降低电解槽内的铝液水平，以便于达到减少电解槽侧部散热损失的目的。铝水平下降后，阳极高度下降，槽膛上部空间增加，因此可增加上部保温氧化铝料层的厚度，以达到增加槽面保温，减少电解槽上面的热损失的目的。槽膛的侧部不宜过于保温，适当的电解槽侧部散热型结构有利于形成较厚的槽帮结壳，减少阴极铝液的界面面积，减少铝的溶解损失，提高电解槽的电流效率，但在电解槽的四个角部，可在原设计的基础上，加强保温。为了减少电解槽的散热损失，可在电解槽阴极钢棒以下槽底以上的腰带形内衬处加强保温。要采取槽底适度保温的原则。槽底过度保温的后果是，阴极碳块上由铝水散发出的热量不能有效地从底部散出，而是将其传给铝水。科学合理的电解槽槽底内衬的保温，要满足如下的两个基本条件：

1）紧贴阴极碳块下表面防渗料的温度在正常生产时约880℃左右。

2）阴极铝水上表面温度要高于底部的温度，从铝水到阴极碳块，再到阴极碳块下部的耐火材料，再到槽底钢板，要形成一个从上到下逐渐降低的温度梯度，要绝对防止阴极碳块上表面温度大于阴极内铝水的温度。新型阴极结构电解槽当槽电压降低采取上述保温措施后仍觉得电力不够，可适当强化一些电流，以增加电解槽的能量。三、关于新型阴极电解槽热平衡问题，以及槽内衬保温结构设计的原则四、关于新型阴极结构电解槽的电流效率问题

使电流效率降低的因素很多，其中，阴极铝液面稳定性好坏对电流效率的高低有重要影响。新型阴极结构电解槽由于能使电解槽阴极铝液面的稳定性有所改善，因此，有利于提高铝电解的电流效率。但是由于新型阴极结构电解槽极距的降低，又有使电流效率降低的一面。极距越低对电流效率的影响越大，因此，电解槽的电流效率要看二者的综合效果。重庆天泰铝业170kA新型阴极结构3台试验槽2年多的平均数据，在3.76伏左右的槽电压工作状态下，电流效率仍比系列对比传统电解槽电流效率高1％左右。华东铝业200kA新型阴极结构电解槽系列6个月的考核指标给出的电流效率在3.72伏的平均槽电压情况下，与阴极未加改进的对比电解槽的电流效率略高一点。有的电解铝厂采用新型阴极结构电解槽后，虽然槽电压降低了很多，电解槽也比较稳定，并实现了很大的节电效果，但电解槽的电流效率并没有提高，反而有些降低。这种差别，反映了有的电解铝厂还没有完全掌握新型阴极结构电解槽工艺和操作上的特点和规律性。另一方面，在电解槽内衬结构的设计上也可能存在某些方面的不足。四、关于新型阴极结构电解槽的电流效率问题

1、铝电解槽可在适当高一些的电解温度下进行，但过热度不要大于10℃。人们的思想观念不要进入电解温度越低越好的误区。在低过热度、较高温度条件下的电解是最节能的好办法。过低的电解温度如下缺点：过低的电解温度，使电解质的粘度增加，氧化铝的溶解度和溶解速度降低，电解质导电性变差。

过低的电解温度使电解槽的阳极过电压和阴极过电压升高。

过低的电解质分子比，常常造成电解质过热度的增加，槽帮不长壳，槽膛宽。

法国彼斯涅电解槽的电解温度都在960℃以上。但电解质的过热度要严加控制。电解质的过热度一般在8～10℃最好，对于电解质中氟化锂和氟化钾含量较多的电解槽而言，电解质的电解温度可以低一些。

对电解质中KF的存在对电流效率的影响有待进一步的研究。对提高CE的几点建议：四、关于新型阴极结构电解槽的电流效率问题

法国彼斯涅电解槽的电解温度都在960℃以上。但电解质的过热度要严加控制。电解质的过热度一般在8～10℃最好，对于电解质中氟化锂和氟化钾含量较多的电解槽而言，电解质的电解温度可以低一些。

对电解质中KF的存在对电流效率的影响有待进一步的研究。2、电解槽要具有尽可能少的阳极投影区以外的阴极铝液面面积。3、新型阴极结构电解槽不要求槽底有过强的保温。五、关于新型阴极结构电解槽阴极铝液内的磁场

出电侧出铝端B14B13B12B11B10B9B2B1B8B7B6B5B4B3A14A13A12A11A10A9A2A1A8A7A6A5A4A391011121314151618765432烟道端进电侧测量点122新型槽227新型槽118＃对比槽210＃对比槽P1-12.4-16.7-12.7-P212.77.38.2-P3-8.8-15.7-3.2-P417.2116.2-P5-8.3-12.6-4.1-P611.6-3.313.7-P7-2.7-19.3-8.4-P8--2.54.96.8测量点122新型槽227新型槽118＃对比槽210＃对比槽P914.814.121.720P1019.719.428.425.1P1111.820.214.214.3P127.714.610.2-3.4P13-3.2-5.10.66-7.9P14-13.8-11.9-13.5-19P15-22.9-20.6-36.7-26.9P16-26.4-23.8-29-31.3垂直磁场：六、关于新型阴极结构电解槽阴极凸起的寿命问题

华东铝业200kA系列94台电解槽的近1年的运行数据，凸起高度的消耗速度1.0cm/年左右。

重庆天泰铝厂的3台170kA试验槽的运行数据。这3台试验槽其阴极碳块上凸起的消耗平均在3～4cm/年。原因：

凸起的高度设计为11cm。如果按照1cm/年的消耗速度，新型阴极结构电解槽运行6～7年是不存在问题的。

这是一个大家都很关心的问题：七、关于电解质成份在降低铝电解槽槽电压上的作用问题

一般公式是冰晶石熔体种氧化铝的理论分解电压，对有影响的因素：T、CR、；阳极反应过电压影响阳极过电压的因素：Ia、T、CR；阴极过电压影响阴极过电压的因素：Ia、T、CR；阳极电压降。I为系列电流，Ra为阳极电阻从表面上看，I与Ra之间没有关系，实际上阴极电压降。Rc为阴极电阻从表面上看，I与Rc之间没有关系，实际上是电解质电压降。Re为电解质电阻。由上述公式可以看出：槽电压是的函数确定后，槽电压即可确定。七、关于电解质成份在降低铝电解槽槽电压上的作用问题

要想使槽电压降低，则必须降低在I不变的情况下，都使减小；如果电解槽保持原槽电压不变，这些数值降低，这时必须使极距增加。I增加，如果不是增加很大，基本上不会使有很大的变化。电解质中添加LiF、KF可使Re降低，在槽电压不变的情况下会使电解槽的极距增加。极距与电解质电阻的关系电解质的电阻大小，代表电解质导电性的好坏，文献中常以电导表示。电导是电阻率的倒数，即意义是x越大，导电越好。国内外广泛使用的电解质熔体导电率的公式是：七、关于电解质成份在降低铝电解槽槽电压上的作用问题

表1不同温度不同分子比和不同LiF、KF含量电解质熔体的电导率（Li3AlF6=0，Al2O3=2%，CaF2=5%，MgF2=0）电解质号123456789CR2.42.22.32.42.52.62.62.72.8t/℃950940945950955960965965970LiF/%012345667KF/%012345667x/Ω·cm-12.182.112.222.352.472.612.692.752.89