铝电解节能降耗的措施Word文档格式.docx

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因此，要实现国家提出的在“十二五”万元国内生产总耗下降到0.98吨标准煤，比“十一五”期末降低20%的目标，年节能率达到4.4%的总目标，并要求重点行业主要产品单耗总体达到或接近本世纪初国际先进水平。

铝电解行业在有属行业中更是肩负着节能降耗的重要责任。

铝电解的能源消耗，主要是水、电、风、气的消耗，节耗途径也主要是从这几方面开展。

2.3电能在铝电解中的地位

电能是铝电解主要的成本构成部分，目前生产1吨铝需要13000度～15000度的直流电，电能消耗占到吨铝成本的45%左右，节电工作显得尤为重要。

目前国内铝行业电耗与国外的电耗差距较大，当前国内电解铝交流电耗平均水平为每吨铝耗电1.46万千瓦时左右，比国际先进水平每吨铝耗电高出400千瓦时。

国内电解铝吨铝电耗高的原因主要是电流效率低下以及阴极电压降偏高，目前国内电解铝电流效率多数在91%～93%之间，平均电压在4.2伏左右。

要节约电能，最主要的工作就是要降低平均电压和提高电流效率。

降低平均电压的组成包括工作电压和分摊电压，分摊电压最主要是效应分摊电压；

工作电压就是槽电压，槽电压是由分解电压、阳极过电压、阳极电压降、阴极过电压、阴极电压降、电解质电压降和母线电压降等部分组成，除分解电压外，可以通过降低阳极过电压和阳极电压降、降低阴极过电压和阴极电压降、降低电解质电压降、降低效应分摊电压、降低工作电压的控制方式实施。

电解槽的阳极过电压在0.40伏～0.5伏左右，降低阳极过电压的途经大概有三种：

降低阳极电流密度、添加碱土金属的卤化物（氯化锂、氟化锂、氯化钠等）、增大氧化铝浓度。

现国外已普遍使用开沟槽的阳极，让阳极气体从沟槽集中排放而减少附着在阳极底掌的气泡，从而降低阳极过电压，效果明显。

一般可降低电压10毫伏～20毫伏。

阳极电压降由碳块本身电压降、导杆－钢爪焊接压降和钢爪－碳块接触压降组成。

碳块本身的导电率决定了碳块的电压降，目前国内碳块电阻率提升的空间不大。

节能型钢爪的使用取得了一定的效果，近几年国内电解厂通过使用节能钢爪，降低阳极压降20毫伏左右。

根据电流强度和阴极电流密度不同，阴极过电压从30毫伏～100毫伏不等，但在温度和电流强度一定的情况下，阴极过电压的变化较小，可以不必考虑。

降低阴极压降的研究起步较早，主要是使用石墨化、高石墨质阴极碳块代替普通碳块做阴极，也在使用硼化钛涂层或硼化钛复合碳块方面作了大量的研究，国内某研究院起步较早，在对硼化钛复合块和石墨质（石墨化）阴极的研究上，经验较为丰富，使用试验阴极的电解槽，炉底压降比使用普通阴极的低50毫伏以上，吨铝节电达到150度。

使用全石墨化碳块作阴极材料，其炉底压降最低，但是全石墨化阴极的抗腐蚀性能较差，目前多选择高石墨质碳块（含石墨30%左右）和硼化钛复合块作为阴极材料，在节能和抗腐蚀方面都可以兼顾。

除了碳块本身的压降以外，阴极压降还包括了阴极钢棒压降和碳块－钢棒接触压降。

阴极钢棒的压降随着使用时间的推移会逐步增大；

钢棒－碳块接触压降主要取决于安装条件和使用年限，使用年限越长，碳块变形越大，接触压降越高。

防止碳块隆起或尽量拖延隆起时间的到来是很有必要的、主要是从焙烧启动、正常期的技术条件管理来控制。

降低电解质压降的工作与技术条件的完善和控制系统的优化是联系在一起的，通过控制系统优化，保持较低的氧化铝浓度，同时在技术条件方面保持合适的分子比，增加电解质的导电率，在一定程度上降低了电解质电阻，也降低了电解质电压降。

研究表明，碱金属的氯化物和氟化物会改善电解质熔体的导电性能，尤其是氟化锂对于改善熔体的导电性的效果是相当显著的，但氟化锂价格昂贵。

一般说的锂盐是指碳酸锂，国内某公司在电解质中添加锂盐，并进行了系统的升级改造，铝液直流电耗降到了每吨铝达1.3万千瓦时左右的较好水平。

降低母线电压降，这部分电压降取决于母线设计、母线电流密度和母线长度，在设计一定的情况下，焊接质量是一个决定性的因素，加强焊接质量是降低这部分压降的关键。

许多单位进行了降低卡具接触压降（铝－铝压降）的研究母线清灰是各个铝厂常用的方法，更换阳极过程中，新极上槽前清刷阳极导杆和压接处阳极母线，在一定程度上降低接触压降但降低卡具压降工作主要还是依靠技术进步，经过长期的改进卡具压降从上个世纪的20毫伏～30毫伏降到10毫伏以下，近几年新上马的大型预焙电解槽卡具压降在5毫伏左右；

某公司进行了清洗导杆的研究，卡具压降从投产初期的15毫伏～20毫伏降到目前5毫伏～6毫伏。

降低效应分摊电压有两条途经，一是降低效应系数；

二是降低效应持续时间，或者在降低效应系数的同时降低效应持续时

间。

目前国内大型预焙铝电解槽效应系数多数在0.2次/槽•日～0.3次/槽•日左右，也有一些企业的效应系数降到0.1次/槽•日。

效应持续时间也随着人们对效应认识的加深在逐步缩短。

以前，人们还习惯于用分钟来计算效应时间，当时的效应持续时间多在5分钟以上，近几年效应持续时间都以秒钟计，效应持续时间多在150秒左右。

效应系数从0.3次/槽•日降到0.1次/槽•日的同时把效应持续时间从300秒（5分钟）降到150秒，可以降低分摊电压17毫伏，吨铝节约电耗50度以上。

下表是以25伏效应电压和93%的电流效率计算的两种不同的效应系数和效应持续时间所对应的电耗情况：

表：

不同效应时间和效应系数的电耗比较类型1类型2差值

类型1

类型2

差值

效应系数

（次/槽•日）

0.3

0.1

0.2

效应持续时间

（秒）

300

150

效应分摊电压

（mv）

20.8

3.5

17.3

效应消耗的直流电量

（kwh/t-Al）

66.6

11.2

55.4

除了以上的研究，直接降低设定电压是降低工作电压的最直接的方法。

目前国内160千安以上大型槽的设定电压最低的降到了4.05伏。

但降低设定电压受很多条件的限制，电解质成分、控制系统的先进程度、当前的极距状况等因素都会制约降低设定电压，如果不考虑条件就简单地降低设定电压，会造成极距过低，二次反应加剧，大大降低电流效率，并且出现温度虚高，但分子比低的现象，导致电解槽异常，最终的结果反而是增加电耗。

在降低工作电压的所有工作中，保持电解槽的稳定应该是至关重要的，控制电解槽平稳运行，减少电压摆是关心的重点，如果电解槽出现电压摆，势必要通过提高设定电压来消除电压摆，但升高设定电压会导致电解槽能量输入增加，使得电解槽炉帮溶化，电流效率降低，使得电耗进一步增加。

提高电流效率是各个铝厂追求的目标，对电流效率的探讨也比较深入。

近几年电流效率的提高主要是依赖控制系统水平的提高和电解质成分的变化。

国内电解槽控制系统的发展，由最初的人为加料到集中加工再到勤加工少下料到后来的浓度控制、智能控制、模糊控制、自适应控制发展到近几年兴起的双平衡控制，管理方式也由粗放式管理到经验管理、槽况诊断、效应管理、标准化管理的过程，电流效率从21世纪初期的92%逐步提高到目前的93%以上。

电解质成分的变化也在研究电流效率的同时兴起，添加锂盐或者镁盐以降低电解质初晶温度和过热度来达到提高电流效率的目的，国内已有在电解质中添加锂盐（浓度控制1.5%左右），并优化了控制系统，使其电流效率达到了95%。

研究表明，200kA大型预焙铝电解槽能量空耗的渠道主要有：

热损失占76%，电流效率损失近10%，母线电压降占13%其中电耗是电解生产一个极为重要的技术经济指标，降低电耗对指标完成和成本的控制非常重要根据公式：

W=103V/0.3355

其中：

W电耗率，kWh/t-Al；

V电解槽平均电压，v；

电流效率，故降低电解槽平均电压和提高电流效率都能降低单位产品铝所需的电能消耗量。

因此，对于预焙电解槽来说，节能降耗的途径主要通过降低电解槽工作电压和提高电流效率来降低电耗。

3节能降耗的主要方法

3.1降低槽工作电压

降低电解槽平均电压电解槽的平均电压由工作电压、效应均摊电压和母线均摊电压组成；

工作电压由分解电压、电解质电压、气泡电压、阳极组电压、阴极电压和母线电压组成。

1.电解槽分解电压。

电解槽的分解电压由电解反应的反电动势、阳极表面过电压、阳极浓差过电压、阴极浓差过电压组成。

电解槽分解电压一般在1.65V～1.7V之间。

前三者主要和极距、电解温度、氧化铝浓度、电解质成分、阳极电流密度等相关，一般变化不大，几乎无人为可操作的下降空间。

阳极表面过电压受气泡、阳极形状、阳极电流密度影响较大，阳极电流密度增大，阳极表面过电压会增大；

在特定的阳极电流密度下，阳极开槽会有效降低阳极表面过电压。

2.电解槽电解质电压。

电解槽的电解质电压，即极距电压，一般在1.3V～1.8V之间，主要受电流强度、电解质温度、电解质成分、极距高低影响。

电流强度。

在极距、电解质成分和电解温度恒定的情况下，电解质的电阻率和电阻是恒定的，电流强度越大，极距压降越高。

电解质温度。

在极距、电解质成分和电解强度恒定的情况下，电解质温度越高，电解质的电阻率越小，极距压降越低。

电解质成分。

电解质成分主要影响电阻率。

在我国，由于氧化铝矿石的生产工艺技术不同，不同电解铝厂的电解质成分也不同。

北方的大部分电解铝厂，电解质中LiF最多可富集到3%，KF也可富集到3%，这对提高电解质的导电率，降低极距压降有益，但LiF和KF的存在，也会大大降低电解质的初晶温度，还会影响到分子比的化验分析，对热平衡控制影响很大。

极距高低。

极距越高，电解槽越易操作和受控，但电解质电阻大，极距压降高。

我国电解槽极距一般控制在4.5cm～5.5cm，国外铝电解槽极距一般控制在3.5cm～4.5cm。

在电流效率不变的情况下，极距越低，电解槽节能效果越明显。

国内90年代后期开始设计的160kA～400kA电解槽，一般采用大面多点进电、非对称母线配置，对槽内熔池的磁场进行充分的平衡。

降低槽工作电压的实质是降低电解质的压降已知电解质压降占槽电压的35%～40%，它同极距电流密度电解质的电阻率阳极浸入电解液的深度等因素有关缩短极距减小电流密度增大电解质的导电性增加阳极浸入电解液的深度，都有助于减小电解质压降从经济效益的角度来看，减小电流密度和增加阳极浸入电解液的深度会对产品的产量和质量带来影响，因而应慎重考虑故生产中较有价值的做法为适当缩短极距并增大电解质的导电性以减小电解质电压降缩短极距的方法为设定工作电压下调，但是由于单纯缩短极距有影响电流效率电解槽稳定性变差等负面影响，故必须和增强电解质的导电性一同实施，才可达到既降低了工作电压又不对电解槽的稳定生产形成影响的效果.由于电解质的导电性与电解质温度和电解质分子比密切相关，因此降低槽工作电压的关键是槽温和分子比的控制。

添加NaF有利于提高电解质的电导率，而添加AlF3则相反因此，分子比较高的电解质导电性好，适当地提高分子比才可能使槽子较低的工作电压下较平稳地生产另外，从电解温度看，适宜的槽温对于溶解氧化铝改善电解质的性质有很大的帮助，槽温偏低时，氧化铝的溶解度降低，炉底状况变差；

槽温偏高时，电解质的活性好，溶解氧化铝的能力较强按照以上思路，降低工作电压的工作首先从

提高分子比入手为此，应该改变了氟化铝的投放方式，净化车间停止配氟化铝，改为全部由电解车间利用槽上料箱对各槽进行按需配料，实现了氟化铝精配料，从而提高了分子比的合格率（合格率范围2.25-2.55）在基本上消除了低分子比和低温槽后，进行了稳步降低工作电压的工作.

目前，槽工作电压较投产初期降低了50mV左右，基本上达到了设计值4.124V，一些新槽的工作电压保持在4.084.10V间，槽运行状况良好由于槽工作电压的降低吨铝节电约160kWh/t值得注意的是，电解槽是一个综合性的系统，各技术条件的改变必将互相影响槽温和分子比升高后，相对原有平衡要建立新的平衡在这个过程中，值得关注的技术条件是铝水平铝水平不应随工作电压的降低而降低，而应维持现状或略有增高，以抑制电压降低后由于炉底的不良情况对阳极工作状态的影响另外，工作电压降低槽温和分子比升高对于操作质量提出了更高的要求换极操作尤其重要，要力求达到阳极底掌在同一水平面上其次，炭渣打捞工作也很必要，否则，存在于电解质里的炭渣会使电解质的电阻率增大对于现有的200kA预焙铝电解槽来说，工作电压的降低是有限度的由于电解质中并未添加锂盐等提高电解质导电度的成分，以及国内阳极质量对电解质性质的影响较大，因而提高分子比增强其导电性的幅度不宜过高，否则不利于槽况的平稳，况且实际中换极质量也有差距，所以，目前在降低工作电压的过程中，仍然需要不断进行技术条件的匹配和优化，摸索进一步降低工作电压的途径换句话说，通过降低工作电压来达到降低原铝电耗的目的是可行的.

3.2降低效应系数

多数阳极效应的发生主要与氧化铝浓度有关，如何把氧化铝浓度控制在比较低的较窄的浓度,理论上在等效应时，根据效应距今时间长短逐步拉大实际加料间隔，直到效应发生，进入下一周期由于控制算法误差较大，对氧化铝浓度的控制不够精确，造成浓度效应偏多此为了进一步达到控制效应的目的，对效应控制算法也进行了改进第三电解厂对氧化铝浓度控制算法进行了优化，采取激励反馈机制来控制氧化铝浓度，这种机制保证了电解槽能长期处在低浓度区，使氧化铝浓度的控制精度达到了预期的效果同时引入柔性等待机制效应控制方式，当时间到达一定后，要视氧化铝浓度而定，如果浓度较低，电阻爬升的高度合适，就立即停料进入，否则，继续将N1拉伸，直到满足条件再停料等待效应这种办法有效的提高了效应等待率改进后，我们将N1阶段从原来120144h延长至400h，这在理论上可以将效应系数降低到0.08次/槽.日，通过实践证明改进后的控制系统大大提高了效应的可控率，效应的可控率达到了80，效应系数从原来的0.15次/槽日降低到0.08次/槽日以下.为了进一步做好降低效应系数工作，我们将原来的效应持续时间由48分钟缩短为3分钟以内目前，效应时间大部分都控制在3分钟以内采取以上措施后，阳极效应系数明显降低，取得了较好的效果。

3.3降低热损失

铝电解槽热损失占能量空耗的76，其中上部结构占51.09，而氧化铝壳面和炭块表面分别占13.52和14.66，它们总和占28.18，占上部总热损失的55，因而降低壳面上的热损失是提高能利用率的有效措施因此主要是在更换阳极添加保温料大面整形等操作时加强壳面的保温工作具体做法是，在新极与四天前安装的阳极之间，添加极上保温料约200250kg，给四天前所换的阳极补足极上保温料，用铝耙整形，要求平整，使钢爪窗口露出24cm，即保持阳极上氧化铝高度在钢爪的三分之二处，盖好槽盖板；

大面整形时，应把较高的老壳用墩子轻敲下去（不能破坏侧部），并用破碎块填补好冒火处，再加适量的保温料（一般为1618cm），并使阳极外侧边沿与炉面形成60左右的自然斜坡，清扫出压铁即可。

3.4延长槽寿命

由于铝电解槽的阴极材料直接与高温电解质熔体和熔融铝液接触，其内衬材料的质量和内衬砌筑工艺技术直接影响到电解槽的运行效果和槽寿命因此选用具有抗腐蚀性氧化性强耐高温冲击性强和导电率高的内衬材料和改进筑炉工艺提高筑炉质量及优化电解工艺对于延长电解槽槽寿命，提高电流效率，至关重要,具体做法如下:

（1）向底块中添加无烟煤和石墨材料改善底块质量，因为它们在钠的作用下最稳定；

（2）提高槽底安装质量，特别是提高槽底最弱的捣固缝质量；

（3）保持均匀加热槽底的焙烧和启动条件，槽底表面温度在启动前不低于950，因为在该温度下，钠与碳的化合物剧烈分解，减少了钠对槽底的作用；

（4）启动时，添加能浸润槽底的氟化钙和氟化钠，以减少钠对槽底的有害作用；

（5）提高槽壳的强度，特别是提高槽壳上部翼缘的强度，以及无底槽基础的强度和热稳定性，减少槽底的变形；

（6）电解温度制度平稳（短时间的冷却和过热对槽底影响很小，但是长时间停槽后的预热导致内衬中裂缝的扩展，使槽底和槽壳的变形加剧，引起过早的停槽大修；

（7）保证电解过程中的熔体水平（即铝的电解质的总高），以使电解槽侧壁始终有电解质覆盖否则，熔体有通过内衬漏出的危险性。

4工作电压与电流效率

理论上说,降低电解槽电耗只有通过降低电压与提高电流效率两方面入手。

在电流效率不变的情况下,降低电压是唯一降低电耗的途径。

电解槽工作电压主要包括阳极压降、极化压降、电解质压降、阴极压降、母线压降、接触压降等。

对于正在生产的电解槽来说,除了电解质压降之外的压降降低空间很小。

它的大小主要取决于极距与电解质导电率,而导电率变化很小。

所以,通过降低极距可以达到降低电压的目的。

实践证明,极距下降1cm,电压同比下降约300mV,效率不变的情况下,可以实现吨铝节电894kWh。

上世纪70年代末、80年代初,法国Auzat公司90kA边部下料槽平均电压为3.87V,电流效率89.9%,日本昭和公司160kA中间下料槽平均电压3.95V,电流效率88%,上世纪80年代末我国引进的日轻160kA预焙槽,操作基准给定设定电压3.85~4.0V,电流效率87.5%。

4.1极距与电流效率

极距:

3.7~4.5cm。

极距是指阳极底掌到阴极铝液镜面之间的距离。

在其他条件不变的前提下,增加极距能使电流效率提高,电流效率的表现是最初增加快,随着极距的进一步增大,增加缓慢,以致最后不再变化。

反之,随着极距降低,电流效率也随着降低,当极距低于某一个数值时电流效率急剧下降。

因此,如何能保证不损失电流效率,又能把极距压缩下来是问题的关键。

根据挪威SRolseth等人在205kA电解槽上测量的实际数据表明,极距的极限值是2~3cm,但是近现代先进的电解槽由于磁场设计或补偿较好,使得这样的电解槽可以在低极距的条件下获得不低的电流效率,极距保持在4cm与在6cm生产条件下,电解槽生产电流效率基本没什么变化。

工业铝电解槽吨铝的直流电单耗,与电解槽的平均电压和电流效率两个因素有密切关系,电流效率的提高哪怕是1%也是相当困难,因此我们主要从降低平均电压进行挖潜来降低电解生产过程中的电能消耗,我们目前主要采取的措施是通过保持合理的工艺技术条件,使槽况平稳,加强日常操作质量,同时优化改进电解槽计算机控制参数。

继续加强节能降耗工作,要做好工艺节电工作,主要是降低电解槽平均电压,应从以下几个方面挖掘潜力,寻求可节电的空间。

4.2降低线路压降

提高操作质量,严肃工艺纪律,降低卡具压降、端头压降、短路口压降和炉底压降。

使用导杆清洗剂,降低导杆和阳极垫板接触压降;

使用阳极钢爪保护炭环,降低阳极钢-炭接触压降。

优化技术条件,力争降低炉底压降值20mV左右。

该厂目前炉底压降平均都在400mV以上,与先进水平350mV相比差距较大,因此,电解车间需加强操作质量,对炉底压降及时测量、及时处理,将炉底压降控制在最低的范围之内（槽龄低于800d的电解槽不得大于380mV;

槽龄在800~1200d的电解槽不得大于400mV;

槽龄高于1200d的电解槽不得大于450mV）。

4.3降低效应分摊电压

降低效应分摊电压,主要是控制阳极效应系数和效应持续时间。

保证下料机构和执行系统的正常运行,因槽制宜延长阳极效应等待周期。

对停开槽时间做出科学合理的安排,尽量减少停开槽次数,且对在停开槽时发生的效应要求及时熄灭。

每班及时检查电解槽打壳下料系统,并根据槽况及时调整下料间隔,防止电解槽因缺料而发生无偿的阳极效应。

加强对新开槽的管理,将定时下料时间由原来的42d缩短为30d,且将加料间隔缩短为290~310s,将新开槽效应系数控制好，菊科以降低效应分摊电压。

4.4降低平均电压措施

加强电解槽电压的巡视看管,对于工作电压持续高于设定电压的电解槽及时分析原因,从根源上进行解决;

严抓电解车间阳极保温工作,形成统一的添加方法,避免电解槽能量的无偿损失,确保电解槽能量平衡;

杜绝病槽的出现,避免因病槽产生高电压而造成的电压损失和效率损失。

采取工艺节电措施后,2007年直流电单耗由2006年全年的13199kWh/At.t降低到13080kWh/At,t节约直流电单耗119kWh/A.t,t

5其它措施及前景

5.1先进的节能方法

铝电解槽况诊断装置的运用。

该装置由一次信号采集装置、屏蔽电缆、模数转换器、数据采集控制器和计算机组成。

一次信号采集电解槽阳极导杆的等极距电压信号，经模数转换传输到计算机，计算机将阳极电流分布、相对极距、铝液波动等参数实时显示到屏幕上，还可以看到相关的历史曲线。

通过该装置可以查阅阳极电流分布均匀性曲线、异常工作阳极表、铝液稳定性曲线、各阳极电流分布历史曲线。

该装置有一个突出的功能是在均衡极距的作用：

其做法是先降低槽电压，对于极距低的阳极来说，对应的铝液波动必然变大，对于该处的阳极可以适当调整后再降电压，可以使整个阳极底掌区域同一平面，达到提高电流效率的同时降低槽电压的目的，从而实现节能。

电解槽的余热利用装置。

该装置主要是利用电解槽散发的热量，首先研究热驱动热声热机的热源和热端热交换器，进一步研制余热利用热声发动机样机，再开发出余热利用热声发动机驱动热声发电机。

利用电解槽散发的热量达到发电的目的，是与铝电解有关的一种新节能措施的研究