中国铝业2008-原铝工业强化生产和节能减排-已打印

1、 2008 年第 01 期（总第 109 期）原铝工业强化生产和节能减排姚世焕 1 全球原铝生产强化电流的概况 近 25 年来，由于原材料和能源价格不断上涨， 电解铝生产成本持续增加。从图 1 看出，2003 年世界原铝平均成本只有1120 美元/吨，而到了2006 年就上涨到 1640 美元/吨。 与此同时，由于铝锭价格的波动，特别是当 铝价突然急剧降低，而生产成本又接近或低于售价的时候，铝厂处于亏损或处于亏损的边缘。为 了适应市场需求与成本的变化，近年来，世界上几乎所有的铝厂都在不断地寻求降低成本的方法以增长自身在全球的竞争力。而降低成本的最有效的方法就是不断采用新技术提高电解槽的电流强度

2、来大幅度的提高产量，而且把提高电流效率、降低电 耗、降低阳极消耗、氟化铝消耗和降低阳极效应（AE）也作为降低成本和减少环境污染的 重要措施。 图 1 世界原铝成本 2003 年与 2006 年的对比1 （基础：LME3 月期货铝价 2635 美元/吨；氧化铝 472 美元/吨。）阳极电流密度接近 0.90 A/cm2。海德鲁早年开发的 HAL-230 型电解槽在第一个铝厂投产时，电流才 220kA，后来提高到 230kA，成为 HAL-230，可是该槽型投产不久就强化到 250kA；因此出现了HAL-250 型电解槽，结果这种电解槽一启动电流又上升到 275kA；现在又准备升级到 300-32

3、0kA，阳极电流密度也接近 0.90 A/cm2。通过强化电流，25 年前，国际上大部分预焙槽铝厂大都采用 0.72A/cm2 的阳极密度。然而，近几年许多铝厂的电解槽阳极电流密度已经接近 0.90 A/cm2。以最有代表性的两种效率最高的彼施涅和海德鲁的电解槽为例：AP-30 槽型，原设计为 280kA，阳极电流密度 0.73A/cm2，该槽型经过 25 年的不断强化 - 7 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）生产能力增加的幅度达到 20%-25%。KAiser-69 型是上世纪七十年代的最早的横向配置、中间下料这里必须提醒注意的是，我国原铝生产连续快速增长多年，2006 年产

4、量高达 935 万吨，2007 年产量估计超过 1200 万吨，还有许多在建铝厂， 如果没有特殊情况，供大于求的现象必然出现。从图 2 的趋势分析也可能看出，在过去的几十年， 原铝的价格一直与石油价格同步变化，可是最近一个时期，石油价格急剧上涨，而铝锭价格反而 回落，值得我们密切注意。 的预焙槽，当时设计电流只有 130kA 左右，可是经过近几十年来的强化，这种槽型的电流已经超过 180kA，强化的幅度高达 35%。迪拜铝厂是强化这种槽型最有成效的一家公司，目前该厂的规模高达 90 万吨，它所有 499 台 KAiser-69 型电解槽， 由原设计的 150kA 电流强化到目前的 185-18

5、7kA。 图 2 近 40 年来石油价格与铝锭价格同步波动的趋势2 中国两种大型铝电解槽的模式 近两年来，国内在评价我国的铝电解技术时， 常常听到说中国的电解技术达到了国际水平，有 的还认为达到国际先进水平。我想这种说法主要 是指铝电解槽容量达到了 300kA、320kA 和 350kA。回顾我国的铝电解技术的发展，有两个最关键的槽型是我国成功地开发了其他槽型的模么我下这个定义呢？请看表 1 就十分清楚了。从表 1 可以看出 280kA 电解槽的基本模式是 40 个阳极和大面 5 点进电，这种模式均为电解槽上部结构的良好配置、电流的合理分布以及磁场或母线的最佳化设计奠定了基础，因此在 280k

6、A 槽型的基础上，只将阳极的尺寸略加改变，就比较容易地直接设计成为目前 300kA 和 320kA 的电解槽，如果继续对这种槽型再进行结构与内衬的设计优化，电流可以提升到 350kA。GP-320 是采型，一种是最早由贵阳、沈阳设计研究院和轻金属研究院共同开发的 280kA 电解槽以及由贵阳院设计的第一个 280kA 示范工程的成功运行；另一种就是由贵阳设计研究院和平果铝业公司联合开发的GP-320（320kA）电解槽，后来以此模式为基础演变成现在的 GY-300、SY-300、GY-320 和 GY-350、 用 48 个阳极（或 24 组）和 6 点大面进电的模式， 实践表明这也是一种最佳

7、的模式，从而 GP-320 的延伸就是 350-400kA 的电解槽。综上所述，国外 文献说我们是模块设计是有道理的。 - 8 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）表 1 中国 300kA、320kA 和 350kA 电解槽开发的基础槽型与应用* GY-320 的新工程均按 330-340KA 进行设计。 氟化铝的吨铝消耗已经降到17kg，氟的280kA 系列的成功投产并取得多年的生产经验以及 GP-320 的多年的运行经验，使设计单位和投资方在没有任何风险的情况下直接设计和使用了 300kA、320kA（330-340）和 350kA（370）电解槽。其中贵阳院开发的具有自主产权

8、的 GY-320 排放量已经小于 0.5kg/t.Al，阳极效应的频率和持续时间（AET）分别小于 0.03 次/天/槽和 1-2 分钟。 计算机控制技术，包括ALF3 和电压的调整，已经成为稳定生产、提高效率和降低阳极效应系数与时间的最重要手段。 按照上述标准实事求是地衡量我国电解技术，应该说仍有较大的差距。目前我国铝电解的指标到底达到一个什么水平，作者没有发言权。电解槽（与 GP-320 绝非是同一种模式）就是以280kA 为模块进行设计的，它成功地出口到克斯坦和等国共计 10 个系列近 300 万吨产能。目前Balco 的生产十分稳定，是铝工业中规模最大、效率最高和指标最好的电解系列。但

9、是， 大型化必须在主要指标方面达到世界先进水平， 才能算是一种先进的槽型。国际上目前达到的先进指标的标志是： 强化电流、增加生产和降低成本成为国际铝工业发展一种趋势，电解槽阳极电流密度向着0.9A/cm2 方向发展； 电流效率提高到95%-96%和直流电耗降低到 12.8-13.0kwh/kg.Al 已经成为国际铝业界的目标； 因为我国的整流设备种类繁多，制造水平各有差异，电压等级也不一样，至今国内没有一个衡量的标准，而且修改计算方法的现象比较普遍，缺乏权威机构对铝厂指标的确认，不好评价。然而可以肯定的是电解槽单位面积的产能或电流密度远远低于国际大型槽的先进水平；再者我国的大型槽电流效率普遍在

10、 92%-93%也是事实；因此同样电流的电解槽，我们的槽子在尺寸上比人家大了 - 9 -原始的280kA GY-300 GAMI SY-300 SAMI GY-320 GAMI GP-320 GAMI GY-350 GAMI SY-359 SAMI 大面进电数阳极个数 5点 40 5 点 40 5点 40 5 点 40 6点 48 6 点 48 6点 48 基本设计阳极尺寸 电流密度 1.450.66m 0.73 1.55(1.6)0.66m 0.733 1.550.66m 0.733 1.6(1.55)0.70m 0.714 (0.737) 1.450.66m 0.70 1.550.66m

11、0.712 1.550.66m 0.712 使用工程 GY280 SY280 沁奥 GY280 云 铝启明星兖矿 伊川南山 霍林鸿骏万基 华泽 中孚 克斯坦印 Balco-1 印 Balco-2* Vedanta*Jharsududa*仅平果 30 台试验槽没有系列推广 青铜峡(又标称Q-350) 神火兰州 霍林鸿骏 2008 年第 01 期（总第 109 期）0.73A/cm2，采用石墨化阴极的 300kA 电解槽也才达到 0.8A/cm2。因此，我们在自豪的同时，也要实事求是地对自己做一个正确的评价。 约 15%，也就是说建造电解槽的材料多用了 15%。AP-30 的原形槽 2006 年已

12、经达到 360-370kA，阳 极电流密度也接近 0.9A/cm2 ， 而我国普遍在图 3 中国电解槽阳极电流密度低和单位产量低的示意图图 3 是作者早年绘制的中国电解槽阳极电流密度低和单位产量低的示意图，让我们通过该图分析一下我国的铝电解技术。把我国阳极电流密度为 0.72A/cm2 时的日产铝量为 1Q 的电解槽拿到外国使用，产量只能达到 0.77Q；只有把电流密度提高到 0.93A/cm2，产量才能提高到 1.29Q。这说明我们的电解槽尺寸比国际上大得多，占地面积大，在同等条件下投资费用比国外的高，同时， 也说明我国电解槽具有很大的挖潜能力。 我国：氧化铝+电费占 80%，人工费占 5%

13、，前两项相加也等于 85%；投资 1500 美元/吨，20 年还贷，80-100 美元/吨铝。 分析指出，西方国家的原铝成本的优势是氧化铝的价格按 LME 铝价的 12%-13%计算（1 吨铝约换 7-8 吨氧化铝），电价的平均值只有 2-2.4 美分 /kwh，但是人工费用相当高，处于劣势，而且在原铝的全部成本中由于投资过高，也影响了他们的竞争力。而我国 1 吨铝只能兑换 4-5 吨氧化铝， 电费高达 4-5 美分/kwh，在国际竞争力中处于劣3 强化电流对成本和企业效益的影响 在原铝的生产成本中，原材料和电力在生产成本中占有很大的比重，作者在上世纪 90 年代末在“我国原铝生产的竞争力”一

14、文中曾经作过如下的分析。 西方： 氧化铝+ 电费占 65%-70%，人工费占15%-20%，前两项在生产成本中占了近 85%（不是势，但是我国的人工费很低以及投资费用也较低， 所以弥补了由于原料和电费过高的缺陷，使得原 铝的全部总成本大体或略高于世界平均水平，从 而我国的电解铝工业得到了快速的发展。但是今 天，随着铝厂建设规模的超前快速发展，会不会 引起铝价的疲软，值得我们思考。为此，提醒炼 铝生产者，依靠新建或扩建生产能力来增加铝的 产量有风险，充分利用挖潜的方式来增产，是一 种既便宜又容易实现的方法，而且也是企业降低 铝锭的全部成本），投资 4000 美元/吨，20 年还贷，250 美元/

15、吨铝。 - 10 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）成本、增加效益的有效途径。 原铝的生产成本中，原材料和电力是成本的重要组成部分，在单位铝锭的原材料和电力消耗和价格一定的条件下，其金额是固定的，它基本上不受原设计工厂年生产能力的变化而变化，我们在本文中称之为“单位成本的固定成本”；但是阳极成型和焙烧、阳极组装、铸造能力和干法净化等系统都需要改造，但是这种改造的费用不会超过新建或扩建的费用的 30%-40%，所以这是一种经济的增加产量的方法。 4 强化电流的基本方法 强化电流遵循的基本原则是电解槽的指标不能有较大的变化，首先电流效率和直流电耗应该达到较好的指标至少基本保持不变；阳

16、极和氟化铝的消耗不能增加；再者也是最重要的一条，电解槽必须有一定厚度的槽帮和一个规整的槽膛， 也就是电解槽一定要处于热平衡和物料平衡的稳定状态。总的原则是强化生产与节能降耗必须同步实施，事实证明在国外绝大部分铝厂都能做到在强化生产的同时又降低了能耗与消耗。 企业的人员工资（包括生产人员）、管理费、折旧和维修费用等总金额是固定的，反映到单位成本中，则受企业年生产量多少的影响，产量越高， 铝锭单位成本中的这部分越低，反之越高。这部分本文称之为“单位成本中的可变成本”。 再者，在铝价看好的情况下，企业增产部分的效益是不可忽视的。 目前，我国的骨干铝厂大部分规模在 30 万吨或以上，如果增加产量 20

17、%，则每年多生产 6 万吨强化电流的三种方法： 第一种方法，即在原有的电解槽上依靠技术条件的控制来强化生产，对于 300-350kA 阳极电流密度在 0.733A/cm2 的电解槽而言，强化电流的幅度一般在 6.6%左右是比较容易的，如 300kA 强化到 320kA，阳极电流密度上升到 0.782A/cm2，过高了可能增加一些电能消耗，这对电价较高的中国来讲不一定合适；再者由于原设计采用 30%的石墨质阴极碳块以及铝母线设计等原因，过分的强化电流，电耗必然要上升。这种电解槽提升电流的办法只能是利用极距留有的余地和减薄覆盖料以增加散热的办法来解决，同时还要改变一些技术条件，例如调整铝液水平等。

18、 关于将极距余量压缩的问题，炼铝生产者主要担心的是怕影响电流效率，近十几年来国际上的铝厂将极距由 5cm 降低到 4cm 的情况是极为普遍的。图 4 是俄罗斯一份研究报告中指出在铝水铝，按近期国内成本估算，每吨铝的成本至少比没增产前降低 100-200 元/吨，企业产量按 36 万吨计算，年增加利润约 3600-7200 万元；而增产 6 万吨，如果原来企业每吨铝的净利润是 1000 元的 话，则又为企业增加效益 6000 万元，总计可达一 亿元。这就是为什么全球铝生产者近 25 年来，不断利用技术革新来增加企业产能的原因。特别是在西方铝厂劳动费用和投资费用均比较高的情况下，强化生产给企业提前

19、还贷和提高劳动生产率显得十分有利。当然，它是有一定代价的。在现有的电解系列中增加电流以增加 10%的产量是一种最便宜的方法，在超出生产的那部分原铝的成本中仅仅是氧化铝、阳极和电能的费用；铝厂原有的人力资源和基础公用设施都可以利用，例如， 整流装置、原料储运、阳极组装、铸造能力和干法净化等设施，所以说利用原有电解槽增加电流比其他新扩建铝厂具有更高的感染力。当然，如果要增加更高的产能，例如 15%-25%，则不仅电解 为 26cm 时，极距从 4.05cm 到 3.15cm 都属于电解 槽的稳定区；当铝水降到 23cm 时，稳定区的极距- 11 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）范围

20、是 4.5cm 到 3.3cm。可见把极距放在 4cm 是不会影响效率的，国际上把阳极电流密度提升到 0.9 A/cm2，就是利用了极距的余量。 图 5 显示出分子比或 AlF3 过剩量对电解质导电率或电解质电压降的影响，由此可以得出这样的结果：AlF3 过剩量从 16%降到 6%，在相同的槽电压下，极距由 4.5cm 上升到 5.5cm，即 AlF3 过剩量每增加 1%，相当于极距降低 1mm；再从图 6 可以算出每 1mm 电解质的电压降大约是 40mv。我国大 部分铝厂采用2.3-2.4 的分子比，相当于8%的 AlF3过剩量，而国际上电流效率达到 95%-96%的铝厂，其 AlF3 过

21、剩量大都在 11%-12%，由此可以得出由于分子比的差别，我国电解槽的极距比高电流效率的铝厂约高出 4mm 和电解质电压降高出 160mm，再加上阳极电流密度比后者又低了 10%-15%，则实际我国电解槽的极距比后者高出 8mm-10mm，折合到电解质电压降约为 300mv。这就是我们的强化电流 的潜力。 图 4 铝液水平与极距对电解槽稳定性的影响图 5AlF3 浓度对电压降的影响图 6AlF3 浓度对极距的影响- 12 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）上述这种强化，在国内已经有先例，像华泽和眉山就是在启动时一次升到 315-320kA 的，而无一不采用此项措施。利用“闲置极距

22、（ACD）”和采用大阳极的方法能使槽电压保持在合理的范围是一种极为成熟的提高电流的方法。当然，这种方法阳极母线大梁（另增加厚度为 100mm 的母线）、电解净化系统、生阳极成型、焙烧炉和阳极组装都需要进行改造；一般由于电流增加了 13%， 整流机组可能要增加一组。 第三种做法或第三步骤：利用电解槽大修对阴且槽电压均未上升。焦作王绍鹏提供的资料显示，7 年来的实践表明，对于 287kA 槽，在0.73A/cm2 条件下多年连续取得 4.05V 的槽电压； 福建南平谢长春也提供同样的情况，240kA（实际247kA）槽在 0.75A/cm2 条件下，2007 年 1- 11 月份可以取得 4.07

23、V 的槽电压，电流效率一直保持在94.2%，没有发现因极距降低而引起电流效率降低的现象。他们的创造，都说明现在的电压值富裕值，仍为继续提高电流留有很大的空间。大量的研究表明槽壳的热损失总量取决于输入的能量，在电流不变的条件下，取决于槽电压。因此，只要周围的环境不变，则槽壳各部位的热损失都会以传导、对流和辐射的形式将槽内的热量传递出去，其总量是不变的。但是为什么眉山启明星能在 320kA（比第一系列高出 20kA）条件下正常运行？作者认为这是因为启动后，槽内衬 极内衬结构进行改造，主要是采用石墨化阴极炭块和大阴极棒，结合上述第二钟做法，电流可以上升20%，阳极电流密度提高到 0.846 A/cm

24、2， 而且各项技术指标非常先进，这种做法被国际上公认为最佳的选择。石墨化炭块和大阴极棒（非等截面）不仅降低了阴极电阻为降低槽电压提供空间，而且也为增加槽侧部和槽底热损失提供了条件。同时，提高阳极的质量，特别是阳极性能中的抗热震性和掉渣性能以及使用带槽阳极都是强化电流过程中必须采用积极措施。开槽阳极的槽深要尽量的深一些， 其深度根据国际上的经验， 最好要与阳极寿命终结一致。 我国长期以来由于认识上的原因，一直没有重视石墨化阴极的开发。GAMI 的包崇爱四年前就（特别是底部）和阳极表面（即覆盖料）是按照新的热平衡条件进行分配的，从强化的和未强化的两种电解槽的底部内衬等温线可以推测出，等温线下移到一

25、个新的位置；同时覆盖料和烟气温度的增高都为提高电流提供空间。 着手研究利用我国原材料生产石墨化阴极的课题，并得到河南万基铝业的支持，经过与工程实际结合，最后成功开发出被世界知名铝业公司认可的石墨化阴极炭块，并大量出口到国外。在万基 SY-300kA 电解槽上的应用，已经证明强化 10% 的电流是没有问题的。 在采用石墨化阴极炭块中，20 年前欧洲许多铝厂使用了挤压技术来减少炭块之间的缝隙，作者十余年前在考察挪威胡斯讷斯（Sor-Norge in Husnes Norway）铝厂时（图 7），该厂就已经使用该方法多年，不仅延长了寿命，而且也降低了槽 第二种做法或第二个步骤，加大阳极尺寸和增加钢爪

26、/加大钢爪尺寸，例如将原有 300kA 电解槽的阳极尺寸由 1550mm 加长到 1650mm，将电流提升到 340kA，比原始设计提高电流 13%，然而阳极电流密度仍保持第一步骤时的 0.782A/cm2。这个措施对于降低已经提高电流的电解槽的电耗来讲非常有效，因为它是利用阳极加大来实现的，阳极与电解质的内热没有增加，但是阴极的电压降提高较大，所以要依靠加大阳极尺寸和钢爪的尺寸，一方面来降低的阳极电阻，另一方面增加上 - 13 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）图 7 石墨化阴极炭块的挤缝技术与油压推进装置但是，第三种做法，企业在改造整个系统中需要花费较大的费用和时间，因为不仅

27、电解槽母现有电解槽的母线系统在强化电流过程中在可能条件下应进行一些必要的改造，特别是当阴线和内衬要进行彻底的改造，而且几乎全厂各个生产与辅助环节也都需要进行改造。因此，要全面规划，尽可能在不影响现有生产的情况下，安排改造的进程。有人认为这种改造过分复杂，但是这是一种不安于现状的发展，在国际上近 25 年来海德鲁公司的所有电解系列、所有使用彼施涅技术的铝厂以及迪拜公司等都为了提高企业的竞争力，对原有的电解槽实施强化生产的改造。 提升电流时，由于其他部位的热阻在没有适应新情况而改变之前，一旦输入电流增加，能以最快速度传出热量的位置就是槽帮，化槽帮是生产人员最敏感的问题。所以，强化电流必须是逐渐地在

28、改变技术条件下小幅度地提升电流。在国外则是先选择 6-8 台电解槽进行试验。利用试验槽来进行强化电解槽的试验是比较稳妥的方法， 因为在系列中直接强化电流，当改变全系列的技术条件时，常常会付出很大的代价，有时是失败阳极电流分布不均是由于母线设计有所造成的则更应改造。但国际上有关在线改造母线报道， 180kA 以下的电解槽文献中有过报告， 但 270-300kA 电解槽在强化电流中虽有议论，未见实际行动，例如澳洲的波特兰铝厂电流从 270kA 提高到 330kA，也曾经打算改造系统母线，终因改造难度太大未能全面实施，只好依靠改进操作和改变技术条件来适应强化后的运行条件。 国际上对于那些十分落后和已

29、经生产二十余年的老系列也进行彻底升级改造。像我国贵州铝厂在 27 年前建设的 160kA 系列，虽然在带动我国铝工业现代化起了重要的推动作用，也进行了大量的技术更新，但从发展眼光来看，27 年前的技术无论怎么改进，也很难达到目前的水平，建议类似这样的系列应进行彻底升级改造。按照现有厂房的跨度，采用更大容量的电解槽比较困难， 配置高电流密度的 260kA 电解槽是没有什的，因为强化后的技术条件是不能事先预计到的， 所以要有一个摸索的过程。 么问题的，这样该系列的生产能力就会从 8 万吨增加到 - 14 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）平果铝等。14,150 和 14,935 kw

30、h/t。因此，在强化电流的过程中，主要的必须从降低内阻、体外电阻和增加热损失这两个方面入手，否则，电耗就会升高。有人把提高电流和保持原电压完全寄托在更换石墨化阴极炭块上，似乎忽视了电工原理，因为石墨化阴极炭只比普通炭块节省 70MV 的电压，它只占体内发热电压的 3%，按此折算也只能升高 3%的电流。 5 强化电流与节能降耗 强化电流与节能降耗本来是矛盾的，但是正是由于有矛盾，才能促使我们开发新的技术来解决这个矛盾。 提升电流与降低电耗矛盾是一般常识，本来无须多说，但提醒是必要的。一般而言，提高电流 10%或 20%，在电流效率与电解槽各部位电阻已经基本固定的条件下，槽电压必然相应升高。例如强

31、化前的槽电压为 4.26V, 设定反电动势在强化前后为常数=1.76V(实际有变化)，如电流上升10 %，则 槽 电压就会 升高到 (4.26-1.76) （1）电能效率：能量效率包括电流效率和电耗。彼施涅公司对于他们开发的 AP-18 和 AP-30 槽技术，特别是 AP-30 的电解技术，他们几乎是不休止开发和应用新技术，从而强化后的电解槽从表 2 和表 3 可以看出，都能达到节能降耗的目的。表 2 指出 13 个系列的效率提高、电压降低、效应减少和电耗降低，有石墨化阴极作用，但不是唯一的。 10%+1.76=4.51V；上升 20%，则为 4.76V；如果电流效率不 变为 95% ，则强

32、化 前的电耗 为 13,366kwh/t，而强化10%和 20%后的电耗分别为表 2 AP-30 强化电流过程中技术指标的变化2表 3 是将 360kA 槽强化到 370kA 时的情况，果仍未降低，这也启示我们把阳极电流密度上升从表 2 与表 3 的对比中可以看出，由于电流密度到 0.85A/cm2 左右，可能是电耗最佳的指标。的不断提高电压有所上升，但总的节能趋势和效 - 15 -第 1 阶段AP-28 系列 新厂第一个 第二阶段最先进铝厂 2004 年 最佳成绩的铝厂 时期 电解系列数 1987/1990 1 1993/1997 7 1999/2003 13 2004 13 2004 2

33、电流强度 kA 电流效率% DC kwh/t.Al 288 94.6 13350 198 94.5 13600 327 94.6 13200 338 95.1 13080 337 96.1 12940 槽平均电压 V AE / 槽天 4.24 0.14 4.31 0.23 4.19 0.18 4.17 0.15 4.17 0.04 阴极压降 mV 375 340 295 282 278 2008 年第 01 期（总第 109 期）表 3 强化电流对技术经济指标的影响3我国的大型槽电流效率比国际先进的约低2%-3%。近年来大量的实践表明影响电流效率（CE） 的因素有： 电解质成分：大量的事实证明

34、过剩 AlF3%会提高 CE；添加 LiF 可能会降低 CE，但强化电流时对降低电耗十分有效；氧化铝浓度对 CE 的影响， 美铝和彼施涅长期实践表明低氧化铝浓度效果最佳，这在强化后由于电解质的减少，不得不采取更低的氧化铝浓度操作而得到证实；P（磷）无疑 已经证明，为了提高电解铝厂的生产率， 当电解质中的过剩 AlF3 含量超过 11%时，电流效率可以高出 95%，甚至于有的过剩 AlF3 含量达到 13% 到 14% ；2007 年 JOM 第二期 P31 页，J.W.Evans认为，目前国际上对低分子比的好处可以接受的解释是：电流效率的损失是由于部分铝的溶解， 以及它传递到阳极上进行化学氧化

35、或电化学氧化，所以低分子比的电解质会抑制铝的溶解与传 递过程。然而，可惜高含量的 AlF3 会降低电解质的导电率，因此，对于现代化的电解槽而言，在改变电解质成分后，改变操作窗口为“窄窗口” 操作是极其重要的。2004 年，Peter White 和戴军来我国介绍了利用“能量平衡与质量平衡”的原理会降低 CE。电解质温度：过热度对 CE 的影响可能是最重要的因素，但要看什么条件，后述。 提高阴极电流密度可以提高 CE，所以强化电流会提高效率； 电解槽设计：MHD（磁流体动力学稳定性） 设计最佳化，稳定了铝液镜面，从而提高了 CE； 计算机的先进技术控制：只要稳定 xsAlF3% 和 Al2O3%

36、的浓度处于最佳化状态，就会提高 CE。实施过热度的控制或叫“窄窗口”控制（或能量平衡与质量平衡） 为什么没有提到 ACD，例如 AP-3X 型的实践没有发现将 ACD 降低到 4cm 而影响 CE，而且国际上ACD 的发展的趋势是 2cm 极距，措施之一是采用硼 化钛阴极。 以“九箱控”控制电解质过热度的方法， 2005 年作者建议把这个方法引入到计算机控制系统，后来得到了实际应用，据说效果尚可，但电耗不理想，有待国内专家继续完善。 理论与实践表明，增加电流之后，铝液表面的电流密度提高了，电流效率就必然要增加。但是 ACD 的降低有一个极限点，超过这个极限点电流效率就会降低，这个极限点与电解质

37、和铝液的流动速度、电解槽的稳定性以及操作不当有关。 要想降低极限点，必须降低铝液的流动速度和提 - 16 -单位 加拿大阿尔玛 法国敦刻尔克 电流 kA 367.3 360.1 电流效率 % 95.6 94.8 槽电压 V 4.28 4.24 槽电阻 W7.15 6.96 不稳定性 W44 40 电解质温度 960 964 AlF3 过剩量% % 11.8 12.2 阴极电阻 W0.87 0.8 直流电耗 kwh/t Al 13490 13320 2008 年第 01 期（总第 109 期）高铝液水平以降低流速或增加稳定性，如果电解槽槽膛的深度允许的话，正常情况下，在增加电（2）氟化铝消耗以及

38、污染物排放 原电解槽的内膛体积是基本固定的，但是在电解槽强化电流之后，单位电流（kA）的电解质量减少了，从表 4 可以看出，AP-30 从 300kA 强化到 330kA 时，电解质量就由原来的 25kg/kA 降低到 22kg/kA，而 AP-50 的电解质只有 17kg/kA；再流的同时应该提高铝液水平，正如前面已经谈到的图 4 情况一样。 当增加电流之后，阳极长尖与变形的现象就会增加，阳极长尖与变形可能有不同的原因，但两个主要原因之一是由于氧化铝浓度的看我国的 GY-320 槽，单位千安的电解质量高达37.8kg/kA。电解质量越少挥发量越少的道理是明显的，因此，高电流密度的电解槽，其氟

39、化铝的消耗必然会随之而降低。这里说明我国电解槽电解质量过高的原因之一除了由于阳极电流密度太低的原因之外，另一个原因就是我们保持过高的电解质水平。这也是为什么我国所有电解铝厂积压了大量固体电解质的原因，这几年由于有大量新电解系列投产，积压的电解质块还有销路，以 后如果不解决这个问题，就会变成双重污染。 变化，因为随着 ACD 的降低和电解积的减少， 从不同下料点加入的氧化铝更容易产生不均匀的分布。 最近，发改委出台铝行业准入条件，规定新厂和现有厂综合交流电耗不得低于 14300 kwh/t 和 14450kwh/t。这个数据也经常从有色报上看到， “综合电耗”的定义是什么？是指全厂或电解系列？概

40、念不清。建议按电解系列仅用于电解（炼）铝的交流电耗，这样各厂间才能有比较。 表 4 强化前后电解槽电解质量的变化7当增加电流之后，阳极长尖与变形的现象就会增加，阳极长尖与变形可能有不同的原因，但两个主要原因之一是由于氧化铝浓度的密度对阳极消耗的文章。包从理论上计算了阳极电流密度与阳极消耗的关系。他指出阳极消耗主要是掉渣、空气氧化和羧腐蚀引起的过耗。他用理论公式计算表明，阳极电流密度从 0.7A/cm2 提高到 0.8 A/cm2 时，空气氧化反倒比 0.7A/cm2 还降低了 14.3%，证明阳极电流密度越高，阳极过耗越低。关于掉渣的研究，他指出：从 0.7A/cm2 提高到0.8 A/cm2

41、 时，减少掉渣量，每吨铝约减少 4kg。计算表明，当阳极消耗是 420kg/t.Al，理论消耗为334kg/t.Al 时，过耗量为 86kg/t.Al；可是当电流密度由 0.7A/cm2 提高到 0.8A/cm2 时，由于单位面积的产铝量增加， 其阳极消耗却降到 406 kg/t.Al，减少了约 14 kg/t.Al。证明只要阳极的 变化，因为随着 ACD 的降低和电解积的减少， 从不同下料点加入的氧化铝更容易产生不均匀的分布。 （3）阳极消耗 增加电流随之可能会增加炭渣的数量，因为炭渣会增加电解质的电阻，所以在极距较低的情况下，炭渣对电解槽的正常运行就有着不良的影响。因此，必须降低阳极的反应

42、性和改进操作方法来避免这种不良的影响。 包崇爱与作者合写了一篇关于提高阳极电流 - 17 -AP-30 AP30 强化 AP-50 GY-320 电流强度(kA) 300 330 500 320 阳极电流密度(A/cm2) 0.78 0.85 0.9 0.714(0.737) 液体电解质量(kg/kA) 25 22 17 37.8 2008 年第 01 期（总第 109 期）质量达到标准，阳极消耗不会因电流密度的提高而增加。图 8 是阳极电流密度与阳极掉渣的关系。 气体，其中包括 CF4 和 C2F6 两种气体，它们使全球变暖趋势分别是一般 CO2 的 6500 倍和 9200 倍，国际间按当

43、量 CO2 计算，有关计算方法作者在中国铝业2007 第 8 期上登载。目前国内在制订指标时只要求效应系数，而对持续时间没有规定，这是不行的，因为它们是计算当量二氧化碳的两个 主要因子，缺一不可。 （4）降低阳极效应：电解槽发生阳极效应 （AE）时，不仅消耗大量电能，溶化槽帮、破坏正常生产，而且产生温室气体。目前气候变化和温室气体已列为国际上重大环保问题。电解槽发 生阳极效应时产生大量的过氟化炭（PFC 或PFCs）图 8 阳极电流密度与阳极掉渣之间的关系（包崇爱）目前清洁机制（CDM）AM0030 在计算PFCs 时， 有两种方法：斜率法和过电压法，后者比较科学， 因为，该方法统计 AE 在

44、 8V 以上时所持续的时间并按两个效应间累计的过电压值（含时间）的积分值计算的。 计算公式为：EF（kg CF4 或 C2F6 /吨铝） =OVCAEO / CE。 式中：EF=CF2 或 C2F6 的排放因子（kg CF4/吨铝或 C2F6 /吨铝）； OVC=过电压系数（kg PFC/吨铝）（mV /槽/每天）=1.9； AEO=阳极效应过电压（mV /槽/每天）；CE=电流效率（%）。 所以：ECF4（kg / t Al）=1.9AEO(mV) / CE (%)图 9 正过电压的计算示意图- 18 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）6 电解槽强化电流中的特殊问题电解槽热平衡

45、方程式： 但是槽子容量越大，单位输入能量(KA)的热损失面积越小。即槽子的电流增大，虽然 a 热耗没有变， 但单位表面积的散热强度或散热量却大幅度的增加（见图 10），此时，槽壳表面温度必然会升高，实践与理论计算表明，槽壳表面积温度越高，槽 内槽帮就越薄，所以，电流越大，如无相应措施， 必然会出现槽帮薄和无伸腿的现象，这是一种危 险的作业。我国铝厂习惯保持 2.3-2.4 分子比和较低过热度的原因主要是为了槽帮容易保持，但 是电流效率不高。 Q=I（U-1.649-0.48-R 体外 I），方程式除以 I，则得 a 热耗=Q/I=U-1.649-0.48-母线压降 式中：Q=热损失；a 热耗=

46、单位热损失；U=槽工作电压；=电流效率；R 体外母线电压。 公式说明无论电解槽的电流有多大,只要设计采用的电流效率和槽工作电压是一样的,则每单位电流的热损失(Q/I= a 热耗 )都是一个常数。 图 10 电流强度与电解槽散热面积的关系4海德鲁的研究人员8在研究“铝电解槽周围气温、槽壳通风和热平衡对侧部槽帮的影响”的文章中指出：当槽壳实施强制冷却时，发现热流量与侧部槽帮厚度是受槽壳温度而影响的。当原来侧部槽帮厚度为 5-10cm 时，如槽壳温度从 320 降到 150时，则槽帮厚度增加了 2cm。新西兰大学的 Gadd 和 Welch 在研究“电解槽烟气与烟道中流速对热平衡的影响”中指出，烟道

47、温度减低 20，烟道的热损失增加 17%。VAW 的 Eich 等人在其“大电流电解槽冷却片确定”一文中，详细讨论了槽壳与周围气温之间的热传递机理，他们利用开发的三维CFD（模拟计算流体动力现象）模型，计算了冷却片对槽壳温度的影响，研究表明，冷却片的主要作用是将槽壳各部位的热流量进行再分配，从而防止了槽壳局部过热的现象。图 11 示出辐射和自然对流的热传导系数与槽壁温度的关系，图中显示自然对流热传导系数随着槽壁温度的提高而略微增加；但辐射的热传导系数则随着槽壁温度的提高而增加较快，例如槽壁从 150提高到 350时辐射的热传导系数从 10 增加到 23W/m2.K。图 12 则表示湍流强制对流

48、、层流强制对流和自然对流，Nu 准数与经槽壁 流动的空气速度之间的函数关系。 - 19 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）图 11 槽壳温度与辐射对流传导系数图 12 Nu 与槽壁气体流速的关系表 5 槽壳侧壁温度与各种热传导系数、Nu 怒塞尔准数的关系8从图 12 和表 5 可以看出：只有 Nu 准数等于2000 时，与其相关的自然气流速度才等于 30m/s。根据蒲福风级（Beauford scale）的分类，当速度大于 28m/s 时，应视为暴风。但是最大可能存在的事实是，在目前采取自然通风的条件下，经由槽壳表面流动的自然气流速度难得超过 5m/s， 因此，与其相应的 Nu

49、也不过 500，所以,要想使 300kA 以上的大槽子槽壳温度降低到正常可以接 受的温度,似乎,没有强制通风是很难办到的。研究指出：槽壳被强制冷却对槽壳温度、局部热流量和侧部槽帮厚度的影响。强制冷却可以使槽壳温度立刻从 320降到 150。热平衡计算指出， 侧部槽帮的厚度相应增加 3cm -4cm，而实际测量至少有 2cm。 Dupuis4的研究也指出，只有采取强制冷却的办法才能将槽壳的温度降低到正常的温度，见图 13。图 13 300KA 槽壳温度与冷却条件的关系4- 20 -Tshell () 2 hshellW/m .K 2 hradW/m .K 2 hconvW/m .K Nu 怒塞尔

50、准数 290 220 155 29 41 68 20 14 10 9 27 58 327 980 2106 2008 年第 01 期（总第 109 期）一种聪明的办法：利用压缩空气冷却槽壳在 55年前中国就已经用于铝电解工业了，那时当电解槽的压缩空气喷射冷却电解槽侧部表面就能增强槽壳侧部的热传导性。由此，加铝-彼施涅申请的低压压缩空气在高电流电解槽上使用的专利5。 最近新西兰大学研究指出6，使用高压压缩空气的喷射冷却槽壳侧部的系统是相当贵的，图 14 绘出在各种压力下每年用于冷却槽壳侧部所消耗的压缩空气情况。该图以 kwh 与当量铝损失绘出的，所供给的压缩空气是在不同压力下通过外径为 2、5

51、或 10mm 三种单圆型喷嘴向槽壳侧壁进行强制冷却的（请注意这种圆形喷嘴是效果最差的）。该计算假设喷射的压缩空气是连续进行的， 铝的能量转换铝（即每生产 1 公斤铝所消耗的电能）按交流电耗 13.5kwh/kg.Al 计算。如何使压槽壳侧壁发红时，我们就采取吹的办法来冷却槽壳，压缩空气的喷射是通过喷嘴进行的，其目的常常被用做恢复侧部槽帮和预防电解槽侧部漏槽而实施的，是我们长期使用的一种方法，因为这是极为普通的常识，连小学生都懂得，所以谁还去申请什么专利？可是有心人走在了我们前头。 近年来在电解槽生产进行强化时，为了改进电解槽的热平衡以保持电解槽的稳定性和侧壁具有足够厚度的槽帮，除了采用 SiC

52、 侧壁、石墨化阴极炭块以及调整金属水平能达到适当的热平衡之外，因为这种方法是为有限的，所以想到利用压缩空气连续对槽壳侧壁进行冷却。因为现在的电解槽大量的热阻来自于槽壳的表面热传导系数，特别是侧部槽壳外表面，利用低压的或高压 缩空气的喷射得到有效的和高效的利用，需要寻求喷嘴（喷射冷却）对热传导率影响的各种配置因素，这是该研究的中心目的。 图 14 喷嘴、压力与动力消耗关系6图 15 最佳喷嘴模式的设计6新西兰大学的研究结论是（图 15）： 等熵雷诺氏准数 Re（isen），喷嘴的角度 （），喷嘴的大小以及喷嘴距离接受面的尺寸 （s/Dh），无论是采用高压压缩空气还是采用低压空气，它们对冷却效果有

53、着十分重要的作用； 所有的喷嘴试验指出，增加 Re（isen）数， 就能降低侧壁的温度；大尺寸和低压的喷嘴具有最大的降低侧壁温度的能力； 喷嘴到侧壁的距离（s/Dh）对冷却效果具有重要作用最大的效果是 s/Dh=6-15。（s=从侧壁到喷嘴的距离 mm；Dh=喷嘴的水压直径（Hydraulic diameter）； 小直径、高压型的喷嘴要比大直径、低压的喷嘴具有较高的能耗； 最有效的喷嘴配置是：喷嘴的（L）要与侧壁的宽度一致；采用低压直径为 40mm 的喷嘴，- 21 - 2008 年第 01 期（总第 109 期）其角度为 90 度，s/Dh=6-10。 加铝-彼施涅公司的 US-6251237 专利结论是： 一个重点: 喷嘴到侧壁的喷射速度为20-70m/s，在这个条件下，槽壳温度下降50 到100 度； 小于 10m/s 没有用，大于 100m/s 压头损失极高