對我國大型預焙鋁電解槽熱平衡控制技術現狀及發展趨勢的認識

王文印

（包頭鋁業有限公司 內蒙古包頭 014046）

我國使用大型預焙鋁電解槽來進行鋁電解生產的不足之處是各工藝過程容易相互干擾，而且鋁電解槽的熱平衡狀態也容易波動。

1 對我國使用的大型預焙鋁電解槽熱平衡控制方法的分析與認識

1.1 對200kA大型鋁電解槽熱平衡狀態的分析與優化

1.1.1 熱平衡的分析

為了分析與評價大型預焙鋁電解槽的熱平衡狀態，可將鋁電解槽體系電壓做為能量輸入、鋁電解槽各部分散熱損失為能量輸出，來建立鋁電解槽的散熱結構模型，同時，應當分析對鋁電解槽中各部分電壓降的分布狀態、電解溫度的分布狀態及槽膛內型狀況進行測定的數據。

（1）熱平衡的測定過程。某電解鋁生產單位的200kA 大型預焙鋁電解槽的設定電流強度為215A，設定電壓為3.85V，對其進行測定的部分鋁電解槽工藝參數如表1和表2所示。

表1 200kA大型預焙鋁電解槽使用的電解質體系

進行工藝參數測定的鋁電解槽的電解質體系比較復雜，即電解質中鋰鹽與鉀鹽總量7%，使用衍射方法對電解質成分進行測定，其中分子比值測定誤差較大。

從表2可以看出，鋁電解槽熔體區域槽殼部分與陰極鋼棒部分的溫度平均值正常，5777號鋁電解槽與6604 號鋁電解槽的槽底板的溫度平均值分別為179.0℃、142.0℃，因為這些溫度測定值均比設定值高出70.0℃左右時，會使爐底偏冷，所以，應當對這種情況引起關注。由于爐幫厚度為4.80cm 的5777 號鋁電解槽槽底板溫度平均值為179.0℃時會出現爐膛變形的情況，因此，在鋁電解槽生產過程中，每次更換陽極時，應對爐膛內型進行跟蹤測定。

表2 200kA大型預焙鋁電解槽工藝參數測定值

某鋁電解企業在同一區選取3臺覆蓋料厚度相同的200kA大型預焙鋁電解槽進行排煙量的測定，發現排煙量為-16%～-5%，低于此工區排煙量的平均值。這是鋁電解槽槽電壓較低的緣故，排煙量偏差量較大時，不僅會造成鋁電解槽上部的散熱性能出現較大的差異性，而且會使鋁電解槽的熱平衡狀態難以穩定運行。

（2）熱平衡測定值的分析計算。建立200kA 節能槽熱平衡模型，根據上述測試數據，進行熱平衡復核計算。節能槽的溫度分布和爐膛內形如圖1和圖2所示，模擬值與測試值對比如表3所示。

可以利用上述對200kA大型預焙鋁電解槽進行測定的數據來建立熱平衡分析模型。鋁電解槽的溫度分布狀態與爐膛內型狀況如圖1和圖2所示。利用熱平衡模型分析的模擬值與測定值進行比較的情況如表3所示。

圖1 200kA大型預焙鋁電解槽溫度分布狀態

圖2 200kA大型預焙鋁電解槽爐膛內型狀況

由表3可知，200kA大型預焙鋁電解槽熱平衡各參數模擬值與測定值基本吻合，說明對鋁電解槽熱平衡各參數的測定值進行分析的數據結果真實而可靠。

表3 200kA大型預焙鋁電解槽熱平衡模擬值與測定值的比較

（3）對熱平衡測定結果的分析。根據利用熱平衡模型得出的模擬值和測定值可知，測定的3 臺200kA大型預焙鋁電解槽上部與下部的散熱比約60∶40，散失的熱量中煙氣帶走的占總散熱量的32%，5759 號鋁電解槽槽底散熱量占5.1%，均屬于正常范圍之內。其中，5777號鋁電解槽與6604號鋁電解槽的槽底散熱量較多，分別占3 臺鋁電解槽總散熱量的11.1%和15.1%。因為5777號鋁電解槽與6604號鋁電解槽的散熱量超過正常范圍，所以要對其特別重視。

1.1.2 鋁電解槽工藝參數的優化方案

5777 號鋁電解槽與6604 號鋁電解槽的槽底散熱量較多、槽底板溫度偏高的問題要及時處理，否則會對鋁電解生產后期的質量指標有影響，而且會降低鋁電解槽的使用壽命［1-2］。

為了解決上述200kA大型預焙鋁電解槽底部散熱較多的問題，需要對所有的鋁電解槽進行檢查。若發現槽底溫度超過120℃的鋁電解槽，要實施優化方案，還要對鋁電解槽爐膛內型規范、鋁電解質中的氟鹽加入量、鋁電解質分子比和電解溫度等工藝參數實施優化過程，使鋁電解槽的爐幫利于生長及增厚爐幫。除此之外，為了使鋁電解槽具有良好的保溫效果，要縮短鋁電解槽換極時間，用符合操作標準的鋁電解槽覆蓋料，而且要使鋁電解槽槽蓋板嚴實而整齊地蓋緊電解槽。鋁電解槽槽底保溫現場如圖3所示。

圖3 鋁電解槽槽底保溫現場圖

1.1.3 實施鋁電解槽工藝參數優化方案的效果

通過對200kA大型預焙鋁電解槽熱平衡工藝參數進行優化，槽電壓基本無變化，爐幫增厚5.50cm，伸腿縮小3.20cm，散熱電壓降減少了17.0000mV，而且鋁電解槽槽底散熱電壓降減少了35.0000Mv，鋁電解槽電流效率增加0.8%，鋁電解槽每生產1t 原鋁，可降低直流電耗114.00kW.h。由此可見，實施鋁電解槽工藝參數優化方案取得良好的效果。

1.2 500kA大型預焙電解槽熱平衡控制技術

1.2.1 集氣系統

對500kA 大型預焙電解槽而言，為了使鋁電解槽在密封狀態下達到以較低的風量就能夠強化下料點周圍集氣的目的，集氣機構需要使用無動力型雙煙管，而且要配用六段區域型集氣上煙道。此集氣機構可將電解槽的排煙量在進行開啟槽罩板作業的過程中瞬間增加1～3 倍，進而控制準備向外逸出的槽膛內部污染物［3-4］，煙道內部的煙氣流動場模擬計算結果如圖4和表4所示，雙煙管內部的煙氣流動場如圖5所示。

表4 六段區域型集氣上煙道中的集氣量分布情況

圖4 六段區域型集氣上煙道內的煙氣流速分布狀況（m /s）

圖5 煙氣在雙煙管系統內部的流速分布狀況（m / s）

此種煙道中，各段煙道集氣量的誤差波動范圍是-3.0%～2.0%，煙氣最大流速值為19.00m/s，下煙道排煙阻力設計為138.00Pa，而且比傳統設計值約低50.00～100.00Pa，可使鋁電解槽槽膛集氣均勻，有效地減少鋁電解槽煙氣凈化系統的運行阻力，進而使煙氣排放達到節能降耗的目的。

根據圖5可知，在打開鋁電解槽尾部副煙管道的情況下，通過計算可知副煙管道的煙氣流量是主煙管道的1.410倍，這種情況說明鋁電解槽尾部副煙管道的單槽排煙量可瞬間增加2.410倍。利用1/4鋁電解槽煙氣凈化系統，同時打開2臺槽的情況下，可使副煙管道的排煙量瞬間增加到主煙管道設計風量的1.410～1.770 倍；同時打開4 臺槽的情況下，可使副煙管道的排煙量瞬間增加到主煙管道設計風量的0.880～1.130倍。在500kA大型預焙電解槽中安裝的雙煙管系統運行狀況如圖6所示。

圖6 500kA大型預焙電解槽電解車間內的雙煙管系統

綜上所述，在500kA 大型預焙電解槽集氣機構中使用無動力型雙煙管，而且要配用六段區域型集氣上煙道，可控制鋁電解生產車間無組織排放污染物的狀況，加強鋁電解槽密封運行的能力，以達到降低能耗、有利于環保的目的。

1.2.2 熱平衡狀態

（1）電壓平衡狀態。電解槽體系內壓降（不含外母線壓降）的計算公式：

對為500kA大型預焙電解槽而設計工作電壓組成如表5所示。

表5 電壓平衡狀態測定值（單位：V）

（2）熱平衡狀態。500kA大型預焙電解槽的3D熱場計算模型可利用有限元軟件進行建立，對500kA 大型預焙電解槽，采用新型陰極鋼棒結構技術，可使水平電流比過去傳統型電解槽降低50%，而且能夠在工作電壓為3.900V時使鋁電解槽進入良好的熱平衡狀態。計算模型進行模擬的結果說明：在陰極炭塊以下具有900℃等溫線，在保溫層以上具有800℃等溫線，所有的各種等溫線均能夠排列平直，而且能夠具有疏密均勻、分布合理的間隔，在鋁電解槽上部與下部，具有分布合理散熱比例、合適的爐幫厚度及伸腿長度，鋁電解槽槽殼的最高溫度可達258.0℃，而且槽況穩定［5-6］。

2 結語

為了使大型預焙鋁電解槽保持穩定的熱平衡狀態，使鋁電解生產過程在合理的分子比、較低的電解溫度下平穩而高效地運行，需要建立行之有效的電解槽操作管理制度，優化鋁電解槽的散熱過程，使鋁電解槽具有較為理想的操作環境。此外，大型預焙鋁電解槽必須具備鋁電解生產區域的熱平衡狀態的調控能力，以有效地防止出現熱平衡波動的狀況。