240 kA 系列化鋁電解槽深度節能改造和電流強化實踐

侯金龍 ,歐朝宇 ,閆 飛 ,劉雅鋒 ,胡紅武

(1.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110000;2.廣西百色廣投銀海鋁業有限責任公司,廣西 百色 533000)

0 前言

中國“雙碳”戰略目標使得高耗能的電解鋁行業“能耗雙控”壓力愈發增大[1～3],尤其是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,高能耗高電價會影響到部分電解鋁企業的生存,整個電解鋁行業迫切需要加快技術升級、節能降碳。

為踐行國家產業政策,推動鋁電解行業綠色轉型和高質量發展,國內鋁冶煉工作者近年來加速鋁電解節能技術研發,圍繞電解槽磁流體穩定性提升、物理壓降降低、良好熱平衡維持和生產工藝管控升級幾大目標,通過以鋁電解槽多物理場模擬仿真為主體的理論研究,結合工業化試驗、系列化應用及現場測試驗證,深挖鋁電解槽生產各功能區和全流程節能降耗潛力。

基于以上背景,本技術團隊根據某鋁廠已停產240 A 電解系列的實際改造需求,通過針對性的技術開發和優化設計,實現了高穩定性磁場升級技術、網絡化自均衡母線技術、新式節能陰極結構技術、“健康長壽命”內襯熱平衡技術、節能環保型上部結構技術、電流強化技術、精細化燃氣焙燒啟動技術和低鋁水、低電壓精準生產工藝管理技術在240 kA 改造電解系列上的集成應用。采用該技術體系改造并重新投運后的240 kA 系列電解槽節能效果顯著,運行電流強化至260 kA,年原鋁產能增加近14 000 t,獲得了良好的經濟效益。

1 改造前電解系列運行情況

在技術升級前,該240 kA 電解系列已運行超過15 年,主要存在以下問題。

1)電解槽磁流體穩定性較差,無法滿足電解槽在較低極距空間下穩定生產運行的需求;陽極電流密度偏低,僅為0.733 A/cm2,能量利用率和單位勞動生產率較低;

2)電解槽陰極炭塊采用30%石墨質材質,平均陰極壓降超過325 mV,母線壓降超過245 mV,爐膛情況較差,角部偏涼,槽底板溫度偏高。

3)電解槽上部結構采用下煙道集氣形式,煙道內積灰嚴重,集氣阻力大,集氣效率偏低,凈化系統能耗較高。

4)電解槽平均運行電壓偏高(4.029 V),電流效率偏低(僅為90% 左右),鋁液直流電耗高達13 343 kW·h/t-Al。在國內處于高能耗水平,距離國家“階梯電價”政策能耗分檔標準差距較大,技術指標落后嚴重。

2 項目技改升級方案

基于對該系列電解槽停產前技術水平和性能的評估后確定,電解槽槽周母線、內襯、上部結構重新設計換新;陽極提升機構、陽極母線、槽殼和其他配套公輔設施全部利舊,以最大程度的節省投資;同時升級改造后,電解系列運行電流由240 kA 強化至260 kA,以實現增產提效。

2.1 槽周母線優化設計

原有240 kA 電解槽母線采用傳統區塊化大面進電配置形式。近15 年的生產運行情況表明,原有母線配置的磁場情況無法滿足電解槽在低極距、低電壓和更高電流密度下穩定生產運行的需求。電解槽較易出現電壓波動,且這種波動很容易在上、下游槽間傳導,電解槽抗干擾能力較差。因此,有必要通過技術升級,優化磁場分布和電平衡,提高電解槽磁流體穩定性。

2.1.1 高穩定性磁場升級技術

依托本技術團隊最新母線磁場仿真設計平臺,建立240 kA 電解槽母線的電磁場仿真模型(如圖1所示),進行電解槽磁場優化設計。

圖1 240 kA 電解槽母線電磁場仿真模型

通過對各區域母線路徑、截面、標高和連接形式等進行優化設計,提升母線系統的磁場穩定和電場平衡性,為磁流體穩定性提升和電流強化創造條件,同時兼顧考慮安全、經濟、施工以及材料的選擇。優化設計前后240 kA 電解槽母線磁場模擬計算結果對比如圖2 所示。

圖2 原設計電解槽母線垂直磁場分布云圖

圖3 優化設計后電解槽母線垂直磁場分布云圖

模擬計算結果表明,優化設計后,電解槽垂直方向的磁場分布明顯改善:第1、2、3、4 象限絕對值平均值分別由原始設計的12.573 Gs、6.430 Gs、5.051 Gs、11.583 Gs 優化為3.315 Gs、2.208 Gs、2.014 Gs、3.128 Gs。此外,優化后的磁場分布更為均勻,變化梯度更小。電解槽熔體區范圍內垂直磁場大于20 Gs 的區域大幅減少,垂直磁場最大值出現在電解槽的角部,并由23.816 Gs 降至13.214 Gs,優化后的磁場可顯著提高電解槽的運行穩定性。

2.1.2 網絡化自均衡母線技術

采用本技術團隊首創的網絡化自均衡母線技術,對槽周母線進行全面的優化設計。在改造后的母線結構中建立一個新的等勢網絡,使陰極母線、陽極母線、平衡母線和立柱母線構成一個完整的母線回路,降低電解槽非穩定狀態下(包括停槽、陽極效應、換極、出鋁等)陰、陽極電流分布不均衡性在電解系列中的傳導,從而降低非穩態槽及其上、下游槽的電流分布波動及磁場波動,進一步提高電解槽的磁流體穩定性和抗干擾能力,降低持續效應時間和效應系數。與此同時,有效抑制由于鋁液/電解質界面變形產生的水平電流,進而大幅度提高電解槽磁流體穩定性,為極距降低創造條件[4]。

2.2 陰極炭塊組優化設計

2.2.1 降低水平電流和陰極壓降

改造前,原240 kA 電解槽采用30%石墨質陰極結合扎糊組裝形式,水平電流設計值較大,且隨著槽齡的增大,陰極吸鈉膨脹情況嚴重,陰極壓降已由設計之初的295 mV 左右增長至325 mV 以上。實踐證明,降低鋁液中水平電流是提高鋁電解槽磁流體穩定性的有效手段之一,可有效釋放鋁電解槽極距空間[5],實現節能降耗。與此同時,降低鋁電解槽物理壓降,也是業界公認的降耗增效主要途徑[6]。

本技術團隊開發了先進的熱-電耦合模型來計算電解槽陰極壓降和鋁液中的水平電流,將降低鋁液中水平電流的設計理念融入到陰極組結構設計之中,通過改變陰極鋼棒與陰極炭塊的連接方式及組裝形式,優化陰極導電結構,從而實現電解槽鋁液中水平電流與陰極壓降雙重大幅降低。一方面,采用電阻率和鈉膨脹系數更低、理化性能更均勻的石墨化陰極材質,有效降低陰極炭塊的原始物理壓降和因生產吸鈉等因素導致的陰極膨脹和壓降升高。另一方面,采用電阻率更低的生鐵代替傳統炭糊連接鋼棒和陰極炭塊,并通過結構設計和澆鑄工藝優化,降低不同材料間接觸壓降[7]。

計算結果如圖4 所示,改造前采用30%石墨質陰極炭塊和扎糊組裝的240 kA 電解槽鋁液中水平電流模擬設計值約為8 104 A/m2,陰極壓降約為295 mV。在采用石墨化陰極炭塊并結合新式節能陰極結構技術優化后,電解槽鋁液中水平電流模擬設計值降低至4 753 A/m2,陰極壓降降低至185 mV。技術升級改造后,即使電解槽運行電流強化至260 kA,鋁液中水平電流和陰極壓降仍可維持較低值,分別為4 869 A/m2和199 mV,電解槽的磁流體穩定性得到大幅提升,極距空間有效釋放。

圖4 改造前后電解槽鋁液水平電流和陰極壓降(CVD)對比

2.2.2 長壽命、抗滲透陰極組結構優化設計

技術團隊還對陰極組結構的電-熱-應力多維耦合模型開展仿真研究,優化陰極炭塊燕尾型鋼棒槽結構,有效消除澆鑄組裝過程中局部熱應力集中,抵抗高溫鐵水熱沖擊。陰極組電-熱-應力模型以及澆鑄組裝后的陰極組如圖5 所示。

圖5 陰極組電-熱-應力仿真模型以及澆鑄組裝后的陰極組

為了增加陰極組抗滲透性,在陰極炭塊下部新增防滲層設計,位于傳統防滲層以上,阻止電解質向下滲漏。該設計既保證電解槽具有極高的磁流體穩定性和極低的陰極壓降,又為電解槽陰極組和內襯的長壽命提供保障。

2.3 內襯熱平衡優化設計

改造前的240 kA 電解槽采用傳統散熱型內襯結構設計。隨著槽齡的增大,電解槽的區域與整體熱平衡情況普遍較差,工作電壓偏高,平均陰極壓降超過325 mV,非電解反應區物理壓降和熱損失偏高;內襯爐膛情況較差,電解槽底板溫度偏高。

上述母線優化技術和新式節能陰極結構技術的應用,為降低電解槽運行極距和電壓提供了基礎,但電解槽能否長期在低極距、低電壓和更高電流密度下高效穩定運行,還與內襯熱平衡的匹配密切相關[8-9]。本項目優化設計后的電解槽陰極壓降值較低,再疊加低極距運行,陰極區域產熱量相對較少;另一方面,由于全石墨化陰極炭塊導熱系數更大,導致陰極區域散熱量又相對較大。在此情況下,配套的內襯結構設計必須盡量減少陰極區域底部和側部的散熱,以保障電解槽在低極距、低電壓和更高電流密度下的良好熱平衡,為延長電解槽內襯健康壽命創造條件。

技術團隊利用精準的熱平衡仿真模擬計算模型,通過全面升級內襯底部、側部和角部等各功能區材料、結構形式和砌筑工藝,并選擇具有良好保溫性能、耐熱沖擊、機械性能穩定、耐電解質及鈉蒸汽腐蝕的新型保溫材料和防滲材料,優化內襯熱平衡,以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀。

本項目優化設計并強化電流后的電解槽內襯熱平衡模擬溫度分布云圖和爐幫情況見圖6。模擬結果顯示:運行電流強化至260 kA 后,電解槽在3.945 V 左右的目標電壓下,通過合適的工藝條件調節,可以獲得良好的等溫線分布和爐膛形狀。

圖6 優化設計并強化電流后電解槽溫度分布云圖和爐幫形狀

表1 列出了改造后電解槽電壓分布和熱損失情況。仿真模擬結果顯示,優化設計后,非電解反應區物理壓降和熱損失得到有效控制,電解槽平均電壓可大幅降低,從4.029 V 降低至3.945 V,且電壓分布和能量平衡情況良好。

表1 優化設計后電解槽電壓分布和熱損失情況

2.4 節能環保型上部結構優化設計

本項目為節省改造成本,綜合評估后確定,最大化利舊原有陽極提升機構、陽極大母線、門型立柱和大梁主體結構;但上部結構集氣系統由下煙道集氣結構升級為上煙道集氣結構,以降低排煙阻力和提高集氣效率。

技術團隊通過仿真軟件對新設計的上煙道集氣結構進行建模和計算,優化上煙道各個集氣罩相對位置,使電解槽長度方向集氣更加均勻。借助仿真模擬手段對煙氣壓力和流場分布進行循環優化,新設計的上煙道集氣系統負壓為191 Pa,遠小于傳統下煙道形式的320 Pa 左右,大幅度降低了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。此外,將煙道中煙氣流速控制在13～15 m/s,匯總煙管出口煙氣流速控制在17～18 m/s,避免含塵煙氣的沉積。

優化設計后的集氣系統煙氣壓力和流場分布仿真計算結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 優化后上部集氣系統負壓分布

圖8 優化后上部集氣系統流動場分布

2.5 精細化燃氣焙燒啟動技術

該系列電解槽采用雙陽極配置,改造前一直采用焦粒焙燒啟動方式,焙燒過程中電流分布難以均勻控制,且耗電量偏高。

結合改造后全石墨化陰極電阻率低、發熱少散熱快的特點,且考慮到小容量槽型焙燒過程中槽底上拱量相對較小,將焦爐焙燒啟動方式調整為可均勻控溫、更加節省電能和降低成本的精細化燃氣焙燒焙燒啟動方式。采取如下措施優化焙燒過程溫度控制,防止升溫過快或局部過熱導致碳素材料內部熱應力集中,產生過多孔隙、裂縫或損傷。

1)采用階段式升溫制度;

2)200～300 ℃是電解槽附著水的主要排除階段,適當放緩升溫速率,給予充分的緩慢排水時間;

3)600～700 ℃是碳素材料集中焦化的時期,同樣適當放緩升溫速率,保證充分焦化。

4)焙燒總時間從72 h 延長至96 h,適當壓縮目標溫度950 ℃高溫段的保溫時間至3 h 以內。

2.6 低鋁水、低電壓精準生產工藝管理技術

結合改造后石墨化陰極電解槽電熱平衡的設計要求和現場實際,技術團隊和生產管理團隊共同商定并嚴格執行精細化、標準化、數字化管理方案,打破國內系列化電解槽普遍采用高鋁水生產現狀,將實際生產運行管理與電解槽設計理念有機結合,率先開發出低鋁水、低電壓精準生產工藝管理技術。進入正常生產穩定期后,改造前后電解槽的主要生產運行工藝條件對比如表2 所示。

表2 改造前后電解槽正常生產穩定期工藝條件窗口對比

3 技術應用效果

改造升級后的260 kA 電解槽已于2022 年8 月陸續投運,截止到目前,電解槽已穩定運行超過200天,考察期(近2 個月)內電解槽主要工藝技術指標平均值與改造前的對比情況如表3 所示。

表3 改造前后電解槽主要工藝技術指標平均值對比

考察期內,電解槽平均陰極壓降198 mV,完成電流效率94.35%,完成鋁液直流電耗12 463 kW·h/t-Al。改造后的系列電解槽表現出了明顯的節能優勢,平均鋁液直流電耗與升級前相比降低了近880 kW·h/t-Al,電解槽運行電流由240 kA 強化至260 kA,陽極電流密度由0.733 A/cm2提高至0.794 A/cm2,年原鋁產能增加近14 000 t,獲得了經濟效益。

4 結語

借助采用網絡化設計的高穩定性磁場升級技術、新式節能陰極結構技術和“健康長壽命”內襯熱平衡技術,可有效提高電解槽的磁流體穩定性,并實現鋁液水平電流和陰極壓降雙重大幅降低,為電解槽在低極距、低電壓和更高電流密度下穩定運行創造條件。

在不改變現存電解鋁廠主體布局的情況下,對該240 kA 系列電解槽的母線、內襯和上部結構實施針對性的改造升級,改造后的系列電解槽平均鋁液直流電耗與改造前相比降低了近880 kW·h/t-Al,且運行電流由240 kA 強化至260 kA,陽極電流密度由0.733 A/cm2提高至0.794 A/cm2,年原鋁產能增加近14 000 t,節能增產效果顯著。該技改項目的實踐,對其他現存電解鋁廠的技術升級、節能增效具有一定的參考意義。