铝电解槽节能技术发展历程及特点

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摘要：中国是全球最大的原铝生产国，已经连续数年电解铝产量占全球年总产量的一半以上。电解铝工业则是有色行业中的传统耗能大户，电解铝高耗能的现状与国家提出的绿色发展以及建设资源节约型、环境友好型社会等发展理念不吻合。因此，铝电解节能技术受到电解铝行业的高度重视并成为本行业科研工作的重点和难点。本文将对近十几年比较重要的铝电解槽节能技术做介绍和分析，同时指出了未来铝电解节能技术发展的方向和趋势，以供铝电解技术工作者参考。

关键词：铝电解槽；节能技术；特点；发展方向

节能减排是当今中国各工业领域工作的重中之重，国家高度重视节能减排工作。电解铝工业则是有色行业中的传统耗能大户，因此加强铝电解行业的节能减排显得尤为重要[1，2]。在节能减排、绿色发展成为当今世界经济发展主题的今天，各大铝业公司从来没有停止过在电解铝领域的研发工作，一直投入巨资开展节能技术开发研究，以占领铝电解绿色发展的制高点。近十几年来，中国电解铝产量快速增长，从2005年778万吨，迅速发展到2018年的3430万吨，伴随着产量的快速增长，铝电解节能技术也在国内蓬勃发展，国内铝电解科技工作者在降低铝电解槽电压方面研发了多种新的节能技术[3-5]，如无效应低电压技术、异形阴极技术、双钢棒技术等，槽电压较之前有较大幅度的降低，取得了良好的节能效果，这些技术在不同的阶段对推动节能降耗均发挥了重要作用。最新出现的新型稳流保温铝电解节能技术及更低能耗铝电解节能技术是目前铝电解节能方面最为先进的技术，使行业吨铝直流电耗大幅降低。本文详细介绍各种节能技术，通过对铝电解节能特点分析，为以后铝电解节能技术的研发提供一些参考，同时指出了未来铝电解节能技术发展的方向和趋势。

1铝电解节能技术现状

我国的电解铝产量在国际上处于遥遥领先的地位，铝电解技术在国际上也处于领先水平，伴随着产量的不断增长，铝电解节能技术同样取得了巨大进步，形成了一系列先进技术，这些技术在节能降耗方面发挥了重要作用，下面就对这些有代表性的铝电解节能技术作较为详细的介绍和分析。1.1无效应低电压技术。中国铝业郑州研究院和部分电解铝企业从2004年开始通过联合技术攻关，突破了电解铝等待效应及高槽电压运行的传统工艺技术，成功开发了铝电解槽长期无效应状态下高效稳定运行的工艺技术、控制技术和低电压铝电解节能成套关键技术[6]。通过对氧化铝溶解性能和碳渣分离机理的研究，发现了当氧化铝浓度处于1.5%~2.5%的低窄范围时，电解质与炭渣具有良好分离性能，且氧化铝溶解性能良好，炉底不产生沉淀，探明了电解槽不再需要阳极效应来熔化清理炉底沉淀和分离炭渣的规律。通过对氧化铝浓度与槽电阻关系的研究，开发了以一元二次偏抛物线回归模型为基础的无效应电解铝控制技术，解决了氧化铝浓度精确预估与控制的技术难题，取消了效应等待的控制策略、提高了氧化铝浓度控制精度，为无效应电解工艺技术的实施提供了技术保障。开发了基于能量平衡为基础的与低电压条件相匹配的低温铝电解工艺技术，为降低槽电压提供了科学依据。首次在工业上实现了铝电解的无阳极效应低电压工艺生产运行，形成了一整套无效应低耗能的铝电解生产工艺技术。该技术2004年在国家大型铝电解工业试验基地进行工业试验，试验槽阳极效应系数平均0.004次/槽.日，推广后平均阳极效应系数<0.03次/槽.日；槽电压降低293mV，吨铝节电1125kWh。2006年中铝公司在所有槽型上全面推广该技术，获得了巨大经济效益，该技术研发成功后，迅速在铝行业得到推广应用，极大地推动了铝工业的节能减排和科技进步。但是该技术在应用过程中也存在问题，主要问题有：①各应用企业间能耗差别大；②个别企业前期应用效果良好，后期指标有所反弹；③精益管理受人为因素影响较大。1.2异型阴极技术。东北大学、中国铝业股份有限公司等自2007年起开始对铝电解重大节能技术进行系统研究，并成功开发出新型阴极结构铝电解槽成套技术[7]。新型阴极结构阻流技术主要是通过阴极凸台降低铝液流速，提高铝液稳定性，提高电解槽稳定性，从而降低槽电压，降低电解槽能耗，异形阴极铝电解槽在焙烧启动期间，会因阴极凸台受热不均，产生热应力而造成脱落，且部分企业脱落现象严重，脱落比例较大。阴极凸台的脱落会影响凸台的阻流作用，影响进一步节能降耗效果。并且部分企业在应用异形阴极技术过程中出现电压反弹、能耗不能保持的现象，出现这一现象的主要原因有：①焙烧启动期间出现阴极凸台脱落的现象；②炉底沉淀多，使异形阴极电解槽的阻流作用难以发挥；③操作管理难度加大。1.3阻流块技术。沈阳铝镁设计研究院发明了的铝电解槽阻流节能新技术[8]，以现有在产电解槽为基础，不对铝电解槽进行任何结构改变，通过在铝液中放入阻挡块，降低铝液流速，抑制铝液波动，提高电解槽稳定性，调整电解槽工艺参数，从而达到降低极距，提高电流效率、降低电耗的目的。阻流块技术的缺点是阻流块在电解槽中的位置不固定，会出现漂移，操作管理难度大，有时还会影响到换极作业。并且还会逐渐被溶解，失去阻流的效果，现在已经基本不用。1.4双钢棒技术。双钢棒铝电解节能技术通过在阴极钢棒上开缝改变靠近出电端钢棒的电阻，从而降低水平电流，提高电解槽稳定性，降低槽电压，降低能耗[9-11]。双钢棒技术在前期应用过程中取得了良好的效果，水平电流大幅降低，节电效果比较明显。双钢棒技术在应用过程中存在以下问题：①通过绝缘调整阴极电阻容易引起阴极局部电流过于集中，热应力大；②局部电流集中容易造成局部过热，造成炉底散热偏大。双钢棒铝电解节能技术在企业应用过程中还出现了阴极区散热分布不合理的问题，对电解槽的平稳运行及指标造成了较大影响。1.5富锂氧化铝的铝电解节能技术。富锂氧化铝的电解铝节能技术主要是针对当前电解质体系中锂钾富集造成电解质成分复杂化，指标恶化提出了解决方法，通过工艺条件调整，或获得较好能耗指标[12]。该技术揭示了锂含量、分子比与电流效率的规律，突破了降低电解温度提高电流效率传统理论对铝电解工艺技术的束缚，为富锂氧化铝低温电解槽的正常生产运行提供了理论支撑。当电解温度过低时，氧化铝在电解质中的溶解能力成为制约电解铝生产的主导因素，将出现炉底沉淀增加槽况恶化的现象；当调整成分无法将电解温度保持在正常运行范围的时候，电解质中锂盐浓度就是极限浓度。根据电解质成分的不同，其浓度范围在5.6%~7.0%。开发了富锂氧化铝的调控技术，解决了电解铝企业合理匹配富锂氧化铝使用的技术难题。建立富锂氧化铝中锂含量与电解质中氟化锂平衡浓度的关系模型，推荐的富锂氧化铝中氧化锂含量控制在0.05%比较适宜，对应的电解质中的LiF含量在3.5%~5%。企业可将几种不同锂含量的氧化铝混配使用，以达到既节能又降低采购成本的目的。研发了导电率大于2.5s/cm的高导电电解质体系，开辟了通过提升电解质导电率实现电解铝节能的新途径，为企业选取工艺技术路线提供了理论指导和实践支撑。虽然电解质中锂盐含量的增加，会导致电流效率降低，但该电解质体系仍有300kWh/t-Al~600kWh/t-Al的节能空间。开发了不同锂盐含量下富锂氧化铝铝电解的工艺匹配技术。以上四项技术构成了富锂氧化铝的铝电解节能技术体系。工业应用表明，高锂低温状态下富锂氧化铝的铝电解节能技术应用，取得了电流效率提高0.7%~1.3%，直流电耗降低150kWh/t-Al~300kWh/t-Al，氟化铝单耗降低2kg~3kg的效果。较低锂盐状态下，采用了导电率大于2.5s/cm的富锂氧化铝铝电解节能技术，实现直流电耗降低400kWh/t-Al，传统电解槽铝锭综合能耗达到13350kWh/tAl。1.6新型稳流保温铝电解节能技术。新型稳流保温铝电解节能技术突破了传统铝电解低电压低效率的技术缺陷，首次实现了铝电解槽低电压下高效率平稳运行，电解槽平均电压3.70V~3.71V之间，电流效率达到93.0%~93.5%，直流电耗达到11815kWh/t-Al以下。建立了铝液、阴极碳块、钢棒同步优化组合复合稳流模式，在阳极电流密度0.74A/cm2时，阴极压降可降低至145mV，同时优化了阴极铝液和阴极碳块的电流分布，使铝液和阴极碳块中的电流分布更加均匀，中缝位置阴极碳块垂直电流密度电流增加了2.9%，出电端垂直电流降低了32.7%。创新了电解槽能量平衡设计理念，更加注重电解质初晶温度等温线在内衬材料中的位置，在确保阴极碳块不会受到冷冻破坏的同时，又可使保温材料不会受到破坏，既减少了电解槽的底部散热，又可保障槽寿命。首次开发出了稳流高导钢棒，常温电导率由普通钢棒的4.03m/Ω•mm2提高到9.45m/Ω•mm2[13]。目前，新型稳流保温铝电解槽节能技术推广产能约200万吨，涉及产能将近1000万吨。企业施用该技术后，原系列吨铝直流电耗13000kWh/t-Al以上的系列较实施前均取得吨铝节电500kWh以上的效果，原吨铝直流电耗13000kWh/t-Al以下的系列均实现铝液直流电耗小于12500kWh/t-Al。该技术于2016年荣获中国有色协会科技进步一等奖，2017年被国家发改委列入国家重点节能低碳技术推广目录，2018年被国家发改委评为2018年度中国工业领域十佳节能技术，2019年获河南省科技进步二等奖。1.7更低能耗铝电解节能技术。更低能耗铝电解节能技术采用单钢棒技术降低铝液水平电流和炉底压降，结合阴极结构阻尼技术，发挥各稳流技术的优势，形成复合稳流技术，同时开发出高导电钢棒，共同实现降低铝液水平电流，降低炉底压降，降低铝液界面变形和流速的目的；开发出与复合稳流技术相匹配的低炉底压降磷生铁浇铸技术，结合阳极钢爪优化技术，形成了更低能耗下电压平衡技术。然后通过上部集气方式改造和密封形成低烟气流量高集气效率技术、槽内衬结构优化降低侧部散热技术和低炉底压降炉底保温技术的开发，形成了更低能耗下能量平衡技术。最后通过更低能耗下电压平衡、能量平衡与工艺参数综合匹配技术，智能打壳管控系统确保电解槽在更低能耗下长期稳定运行[14]。试验槽长期平均铝液直流电耗达到12053kWh/t-Al，其中一台试验槽获得铝液直流电耗11626kWh/t-Al的最好指标；系列推广应用后，平均铝液直流电耗可以达到12160kWh/t-Al，与目前国内平均铝液直流电耗13000kWh/t-Al相比，吨铝节电800kWh以上，节能降耗效果显著，技术经济指标先进。

2铝电解节能技术发展方向

节能技术的研发是铝电解工作的重中之重，随着铝电解技术的不断进步，未来铝电解的直流电耗会逐渐降低。通过降低电解槽各部分压降来降低槽电压，以及提高电流效率是节能的两个主要方面。在降低槽电压方面，可开展的工作主要有采用优质阳极降低阳极压降，选用高导电材料替代阳极铁质钢爪和阴极钢棒，磷生铁浇注技术降低阴极压降以及提高电解质导电性能降低极间压降等等。可以通过上部结构改造和内衬材料优选设计等措施来减少散热。在提高电流效率方面，可以在阴极稳流和降低水平电流方面做研究。降低槽电压的同时，辅以提高电流效率，二者相结合最终实现铝电解的节能降耗。

作者:星占雄 单位:中国铝业青海分公司