大型预焙电解槽低电压生产效益最大化实践

黄卫平|文

本文介绍了某公司在针对低电压所带来的问题，采取的电流强化与系列槽扩容的实例，为低电压生产效益的最大化提供了一个参考。

电解铝生产属于高能耗产业，生产一吨铝约需要14000kW·h的电能，电价成本在整个铝电解的成本中约占40%。其中在电解铝生产过程控制中原铝直流电耗是衡量企业电解铝技术水平与评判电解槽运行状态好坏的最直接经济指标，原铝直流电耗在生产中用式（1）进行统计计算。

式中：W-原铝液直流电耗，kW·h/kg-Al;

V-平均电压，V；

从式（1）可看出电解铝电耗与平均电压与电流效率有关系，在实际生产中降低电耗可以从调整这两项技术指标入手，即提高电流效率与降低平均电压。从国内外对比情况看，由于生产管理模式不一，所以采取的措施也不相同，国外由于相对电力成本较低，所以一般采取高效率的生产模式，虽然直观反映的电耗并不是最低，但是综合经济效益非常可观。

挪威海德鲁铝厂的420kA电解槽指标，可以说其经济性居世界首位。其电流效率达95%，由于受电解原料氧化铝与阳极质量的影响，这对于国内电解槽来说是很难达到的。但是针对平均电压，国内目前较低的系列平均运行电压保持在3.9V左右，直流电耗可降至12600kW·h左右，且低电压还有继续下降的空间，实现12000kW·h左右的直流电耗完全是可能的，同样也能产生很好的经济效益。

低电压技术应用

青海某公司从2009年自主研究开发了《低电压控制铝电解槽节能生产技术》，分别从电解槽保温技术的研究与应用、高导电和高溶解性能电解质体系的研究分析、氧化铝浓度低窄区域控制、电解槽生产工艺技术参数优化配置研究、降低各部位电压降以及电解槽低电压启动技术的研究等方面探索了一整套低电压生产控制技术，在实际生产中取得了良好的效果。低电压技术实施后原铝直流电耗降低显著，但同时电流效率也呈降低的趋势，因此，在低电压实施过程中研究电压、电耗、电流效率之间的平衡关系就显得尤为重要。图1给出了三者间的关系，应该说在A点附近三者间的匹配较为理想。

图1 电耗、电流效率与电压间的关系

低电压能量平衡

1.低电压能量平衡分析

电解槽能量平衡是指单位时间内电解槽中能量的收支相等。换言之，同一时间内，输入到电解槽的能量只要等于电解槽支出的能量，电解槽的能量才能维持一种平衡状态，电解槽的状态才能维持稳定。在实施低电压技术后，由于电压下降后，热收入减少，势必会打破原来的能量平衡，在实际生产中有两种办法可以建立起新的能量平衡，一是降低铝水平，二是强化电流。降低铝水平必然引起电解槽稳定度下降，会影响电压的进一步降低。电解强化是增加了电解槽能量的供给，一方面可以维持电解槽新的能量平衡，另一方面可以弥补由于低电造成电流效率降低所造成的产量损失。因此在实践中低电压往往与电流相结合，图2为某公司电解槽降电压配合强化电流过程趋势。

图2 某公司电解槽降电压配合强化电流过程趋势

2.电流强化实例

某公司电解三系列原设计电流强度为200kA，槽平均电压为4.18V，原铝液直流电耗为13400kW·h/t。在低电压生产过程中，为了建立新的能量平衡，配合进行了电流强化。根据能量平衡的概念，可以得出如下的关系式：

根据式（2）强化前后极化电压及其他条件不变的情况下，当电压由4.16V降至3.9V后需要强化的电流为：

在实际强化过程中依据对电解槽的热场、磁场、电场、流动场的测试分析与模拟结果，作为强化电流试验的理论指导。结合公司的阳极质量现状，将电流强化至215kA。电流强化后根据槽运行状况对铝水平、分子比、加料间隔、保温料、阳极周期等进行了优化调整。经过强化前后指标的对比，强化后单槽出铝量由原来1498kg/d提高至1610kg/d，很好地弥补了低电压的不足。

低电压运行条件下系列电压平衡

1.系列电压平衡分析

某公司电解三系列每个车间原设计安装134台SY200预焙阳极电解槽(设计电流强度200kA，平均电压4.18V)，全系列共设有268台电解槽，设计产能为14万吨/年，于2002年陆续投产。整流所配置有4台整流变,实际输出电压为1120V。随着生产的不断调整,槽电压不断下降，且生产过程中，效应电压及效应持续时间也有不同程度的降低，按槽电压4.0V，预留电压40V计算，三系列富余电压约110V，具有进一步挖潜提产的空间。

2.系列增产实例

某公司电解三系列额定电压1220kV，实际运行电压为1070V，电压富余为150V，如预留电压按40V计算,则三系列富余电压约110V。如果按平均电压4.0V计算，可以增加电解槽台数为28台。现有电解车间轴线到马路边缘间距为45.8米，且距现有车间40.3米有一根排水管道，埋深为3.2米。在不破坏挡墙及排水管道的基础上，且考虑排水管道的维护，确定长度。电解三系列每个车间拟加长端头安装的两台ECL多功能天车,车宽为12.6米,考虑满足多功能天车对端头槽的各种操作需要,综合考虑上述因素,确定电解车间加长39.2米。综合考虑富余电压及空余场地等各方面因素，确定电解三系列改造项目每个厂房增设7台节能型SY200预焙阳极电解槽，系列增加14台电解槽，以电流210kA，电流效率93%计算，系列年产8035.7t铝液。该项目从2012年开始实施，2013年顺利投产，电解槽同样采用低电压生产技术，在降低原铝电耗的同时，提高了整个系列的产量，表1为增产后各项技术经济指标对比。

表1 增产后各项技术经济指标对比

明确思路 稳定槽况

低电压运行时，由于其他工艺技术条件的变化，要求现场的操作管理要更精细，这就要求有更加明确的低电压工艺管理的思路，有研究人员结合生产实际总结出的“一个中心，两项措施，三个长效机制”管理方法具有很强的指导意义，即以炉膛的规定稳定为中收，以微调电压和出铝节奏变化为措施，坚持保温料、炉底、技术条件三个方面的长期严格管理。同时细化操作质量，加强“三项”操作，努力实现“长时间的电压稳定，合理的技术条件，规整的炉膛”，低电压运行才能发挥出更大的经济效益。

结论

由于国内铝电解用氧化铝、炭阳极受质量的制约，低电压技术路线是一条降低铝电解能耗的有效途径。低电压较低的直流电耗带来的综合效益是可观的。低电压技术虽然实施过程中电流效率有所下降，但是通过强化电流与系列增产增加槽日产铝量与系列产铝量，能够实现效益最大化。