綠色低碳深度節能鋁電解技術體系在330 kA電解系列上的應用

韓 博 廖長總 李 威 侯金龍 杜立波

(1.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司, 遼寧 沈陽 110001;2.廣西來賓廣投銀海鋁業有限責任公司, 廣西 來賓 546135)

0 前言

國家“碳達峰、碳中和”戰略目標對電解鋁行業提出了嚴控新增產能和能耗雙控的要求［1］,尤其是2021年8月26日國家發展改革委印發了《關于完善電解鋁行業階梯電價政策的通知》(發改價格［2021］1239號)后,整個電解鋁行業進行節能技術升級是必然走向,因此節能降碳成為當前電解鋁企業生存和發展的首要目標。

基于以上背景,某設計院根據某鋁廠330 kA電解系列實際情況提出綜合經濟效益最優的節能技術措施,采用綠色低碳深度節能鋁電解技術體系對電解槽內襯、母線配置、上部結構及集氣系統等進行系列技改升級,使電解系列鋁液能耗符合國家產業政策方向,同時實現電解系列降耗、提產雙重效果。

1 電解槽改造前運行情況

在技改前,該系列電解槽已運行大約15年,設計電流330 kA,目前運行存在如下問題:

1)330 kA電解槽運行電壓和鋁液能耗較高,電流效率偏低,電流效率與原材料水平嚴重不匹配。

2)電解槽槽膛情況和熱平衡情況較差,改進空間明顯。

3)電解槽磁流體穩定性不滿足較低極距空間下穩定生產運行的需求。降低電壓后,界面波動劇烈,電解槽的穩定性差,難以達到良好的工藝操作要求。

4)上部結構采用下煙道集氣形式,存在沿程阻力大、集氣效果不良的問題,造成凈化系統能耗較高。

5)采用傳統分組氣控控制打殼下料,不利于降低氧化鋁下料對電解槽過熱度和熱平衡的沖擊,增加了槽內的氧化鋁濃度分布梯度,且全氣控結構,管路較為復雜。

2 改造方案

本次改造升級以節能為主要方向,輔以增產、增效,同時要在最大程度上節約投資。因此在電解車間、凈化與物料輸送及電解槽槽膛尺寸基本不變的情況下,改善磁流體穩定性、電解槽熱平衡,提高陽極電流密度以及進行上部結構節能改造,同時將設計運行電流強化至350 kA。

2.1 網絡化自均衡母線配置

原有330 kA電解槽母線采用國內早期的傳統自補償大面進電區塊化配置。近15年的生產運行效果顯示,原有母線配置磁場分布情況較差,無法滿足電解槽較低極距空間下穩定生產運行的需求。電解槽極易出現電壓或電流波動,且這種波動很容易在上下游槽間傳導,電解槽抗干擾能力和糾偏能力較差。因此,迫切需要利用新型母線技術優化磁場分布和電平衡,提高電解槽磁流體穩定性。

因此,本文依托最新母線磁場仿真設計平臺,建立330 kA電解槽母線的電磁場仿真模型,對電解槽母線的磁場分布進行模擬計算。通過對比分析改造前后的模擬計算結果,循環優化母線磁場分布和電平衡,首創了網絡化自均衡母線配置,在改造后的母線結構中建立一個新的等電位網絡,使陰極母線系統與陽極母線、平衡母線、立柱母線構成一個完整的母線回路,大幅提高電解槽磁流體穩定性。

2.1.1 計算方法

2.1.1.1 電場計算方法

電勢V由式(1)拉普拉斯方程［2］求解得到。

(1)

式中,V為電勢,V;σ為導電材料的電導率,S/m。

電流通過的導電材料中的電流密度J可由式(2)計算得到。

(2)

2.1.1.2 磁場計算方法

磁場強度與磁感應強度［2］的關系見式(3)。

B=μmH

(3)

式中:H為磁場強度,A/m;B為磁感應強度,T;μm為磁導率,H/m。

可由比奧-薩伐定律計算得到磁場強度H［2］,見式(4)。

(4)

式中:J為導體中的電流密度,A/m2;volC為導體的體積,m3;r為導體和所求磁場位置之間的距離向量,m。

2.1.2 磁場仿真計算

2.1.2.1 電、磁場模型的建立

母線改造后,針對電解槽的電、磁場分布建立電、磁場模型,結果如圖1所示。其中圖1(a)為電解槽坐標系,x軸方向是指由電解槽煙道端(DE)指向出鋁端(TE),y軸方向是指由A側指向B側,z軸方向是指由鋁液指向陽極炭塊;圖1(b)為母線電磁場模型,模型由系列相鄰電流、槽殼、空氣包模型組成。

圖1 330 kA電解槽母線電磁場模型

2.1.2.2 磁場計算結果

330 kA電解槽母線改造前后的z方向磁場計算結果見表1。由表1可知,改造前330 kA電解槽四個象限磁場的絕對值平均值都大于5 Gs,同時第2、第3象限的值約為第1、第4象限的2倍,說明四個象限垂直磁場的均勻性較差。此外,全槽熔體區范圍內垂直磁場最大值偏高,達32.206 Gs。優化后,四個象限的絕對值平均值均可控制在5 Gs以內［3］,磁場分布更為均勻,尤其第2、第3象限改善較大,梯度更小。垂直磁場最大值出現在電解槽的角部,優化后的磁場比優化前下降36.7%,顯著提高電解槽的運行穩定性。

表1 330 kA電解槽母線z方向計算結果

2.2 “長健康壽命”內襯結構及熱平衡技術

原有330 kA電解槽采用傳統散熱型內襯結構配置,隨著槽齡的增長,電解槽區域與整體熱平衡情況普遍較差,平均陰極壓降超過310 mV,爐膛情況較差,角部偏涼,槽底板溫度偏高。上述母線優化技術的應用,為提高電解槽磁流體穩定性、降低極距提供了基礎,但是電解槽能否長期在低極距條件下高效穩定運行,還與內襯熱平衡的匹配密切相關。為實現低極距、低電壓運行的目標,配套的內襯設計必須盡量減少陰極區域側部和底部的散熱,并系統性升級內襯側部和底部的各功能區結構形式,匹配具有良好的耐壓抗折強度、保溫性能、耐電解質及蒸汽腐蝕的保溫材料,以保障低極距、低電壓下的電解槽良好熱平衡,為延長電解槽內襯“健康壽命”創造條件。為此,針對性地加強角部、鋼棒窗口及底部的保溫性能;采用陰極鋼棒澆鑄形式進一步降低爐底壓降,保證水平電流均質,增加電解槽穩定性以延長電解槽壽命;保證防滲層厚度合理,使用防滲性能更好的槽底材料,且在防滲層與保溫層之間增加物理防滲層對鈉蒸汽進行隔絕。

改造前后電解槽內襯的熱平衡分析結果如圖2所示。從圖2(a)中可以看出,改造前陰極側部等溫線并不是很平滑豎直,800 ℃等溫線在鋼棒上部有異常凸起,且該凸起位置處于陰極炭塊-碳糊-澆注料的結合部位,這會影響到局部的熱應力分布。同時伸腿較長,槽膛情況并不理想,不利于電解槽的高效率。改造前電解槽內襯設計中要保證陰極區域熱平衡,需降低電解槽散熱量,加強保溫性能。

圖2 330 kA電解槽內襯結構改造前后等溫線分布

圖2(b)為改造后槽內襯結構和等溫線分布結果。由圖2(b)可知,通過優化內襯,保證電解槽區域和整體熱平衡,同時陰極內襯得到了很好的保護。

改造前后電熱場對比結果見表2。由表2可知,系列電流強化至350 kA后,槽平均電壓降低了0.116 V、陰極壓降降低了124 mV,伸腿長度減少13.2 cm,改造后電熱場性能較改造前明顯改善,達到節能目的。

表2 改造前后電熱場仿真計算結果對比

2.3 節能型上部結構

對于上部結構,針對大梁結構、集氣系統及打殼下料系統進行改造升級,其中大梁的結構、外輪廓尺寸保持不變,大部分結構均可利舊使用,集氣系統改為上煙道集氣形式,打殼下料系統由原來的氣控形式改為電磁閥控制,大幅簡化了槽上部壓縮空氣配管,減少壓縮空氣泄露點和用量,便于生產維護,具體改造結構如圖3所示。

圖3 上部結構技改部分

2.3.1 大梁結構

對原有大梁的結構尺寸及外輪廓尺寸保持不變,只是為適應此次升級,改造集氣系統、打殼下料系統及物料輸送系統的接口與空間尺寸。大梁原有的上下翼板、立板、門型立柱及部分加強筋均利舊使用。

對330 kA電解槽改造前后的應力和撓度采用有限元方法計算,計算主要分為模型簡化、網格劃分及材料屬性定義、載荷與約束條件加載和有限元計算四個部分。大梁由薄板焊接而成,以shell63殼單元進行建模［4］。改造前后上部大梁結構的應力與撓度值如圖4、圖5所示。由圖4和圖5可知,改造前上部結構最大應力與撓度值分別為256.3 MPa和16.11 mm,改造后最大應力與撓度值分別為240.6 MPa和15.45 mm。應力值降低了6.1%,撓度值降低了4.1%,整體結構剛度增強,改造效果達到預期。

圖4 改造前后大梁結構應力變化

圖5 改造前后大梁結構撓度變化

2.3.2 集氣系統

原330 kA電解槽采用下煙道集氣形式,隨著槽齡的增長,煙道內積灰嚴重,集氣阻力大,凈化系統能耗較高;采用傳統分組氣控打殼下料形式,氧化鋁下料對電解槽過熱度和熱平衡的沖擊較大,陽極效應較多且難以熄滅。

優化后集氣系統采用上煙道集氣方式,更利于收集陽極氣體和確保電解槽能量平衡的穩定［5］,優化配置上煙道各個集氣罩相對距離,使電解槽長度方向集氣更加均勻,大幅度降低集氣煙道壓力損失和系統風量,從而有效降低凈化系統電耗。通過煙道各區域流速模擬控制,避免含塵煙氣的沉積問題。本文對改造后的上煙道進行模擬仿真計算,循環優化。在計算中運用流體流動和傳熱基本方程,對集氣系統的流動、壓力場進行計算和優化。

2.3.2.1 流體流動和傳熱基本方程

在模擬仿真計算中,運用了描述流體流動和傳熱的基本方程,包括連續性方程、動量守恒方程及能量方程［6］。

1)連續性方程,見式(5)。

(5)

式中:ρ為密度,g/cm3;t為時間,s;U為速度矢量。

2)動量守恒方程,見式(6)。

(6)

式中:τij為流體所受到的表面力在i方向的分力,即廣義牛頓黏性應力,包括靜壓力和流體黏性力;fi為i方向上的外部體積力,可以是重力、電磁力等。

3)能量方程,見式(7)。

(7)

2.3.2.2 改造后的上煙道模擬計算

改造后的集氣系統各個集氣罩的煙氣流量及偏差如圖6所示。從出鋁端到煙道端,各集氣罩編號依次為1#～6#,在保證電解槽各個集氣罩流量基本一致的基礎上,將出鋁端各集氣罩的相對流量適當調大,煙道端各集氣罩的相對流量適當調小。這種設計形式可以保證在集氣系統阻力最小的情況下,使電解槽長度方向集氣效果相對均勻,同時保證相對較遠的出鋁端具備良好的集氣效果。

圖6 改造后各集氣罩的流量及偏差

改造后上煙道模型及煙氣的壓力和流場計算結果如圖7所示。從圖7可以看出,改造后集氣系統平均負壓為193 Pa,遠小于原下煙道形式的350 Pa左右,改造后集氣煙道壓力損失和系統風量大幅度降低。同時水平煙道中煙氣速度為14 m/s,出口速度達到了17.8 m/s,避免了含塵煙氣的沉積問題。

圖7 改造后上煙道壓力和速度計算

3 改造前后電解槽生產參數對比

改造前后電解槽生產參數對比見表3。從表3可以看出,改造后,電解槽系列節能降耗效果顯著,電流效率提升了1.89%,鋁液直流電耗由改造前的13 182 kW·h/t-Al降至12 548 kW·h/t-Al,降幅達634 kW·h/t-Al。同時,系列電流成功強化至350 kA,電解系列每年可多產原鋁約1.4萬t,為企業帶來巨大的經濟效益。

表3 優化前后電解系列生產工藝參數對比

4 結論

1)綠色低碳深度節能鋁電解技術體系能夠滿足鋁行業生產單位在“雙碳雙控”形勢背景下的技術升級要求,可在不改變電解鋁廠原有整體布局的條件下,對整個系列電解槽的內襯、母線配置和上部結構進行優化改造。

2)通過優化母線配置、內襯結構和上部結構,節省了投資,節能降耗和增產增效明顯,改造后鋁液直流電耗降低634 kW·h/t-Al,電流效率提高約1.89%,電流強度提高到350 kA。

優化改造的實施解決了電解鋁廠對節能降耗的迫切需求,并為電解鋁廠的技術進步和技術改造提供了一定的示范作用。