（四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司，四川眉山 620041）

我國電解鋁產(chǎn)量自2002年起連續(xù)十四年全球第一，2018年我國電解鋁產(chǎn)量為3580萬噸[1]。隨著電解鋁產(chǎn)量的提升，其消耗的電能也大大的增加。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，在我國有色金屬加工行業(yè)中電解鋁工業(yè)所消耗的電能達(dá)到了整個(gè)行業(yè)耗電總量的67.2%，約占我國電力總消耗量的4.93%[2]。由于電解鋁生產(chǎn)過程中電力的消耗費(fèi)用逐年提高，使得電力費(fèi)用在電解鋁生產(chǎn)過程中的成本比例達(dá)到了40%以上，而國外電解鋁的生產(chǎn)成本中電力成本只占25%左右，無法與國外企業(yè)形成有效的競爭，從而導(dǎo)致電解鋁廠產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益低下。因此，有效的控制電解鋁生產(chǎn)過程中的電力成本，加強(qiáng)節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，是提高我國電解鋁廠市場競爭力，提高我國電解鋁廠經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。

1 鋁電解節(jié)能途徑分析

以下是每噸鋁直流電耗公式：

從公式（1）中可以看出，通過降低電解槽平均電壓，或者提高電解槽電流效率，能有效降低噸鋁直流能耗。

根據(jù)噸鋁直流能耗公式（1）可知，當(dāng)電解槽平均電壓處于穩(wěn)定不變的狀況時(shí)，每提高電解槽電流效率1%，就可使噸鋁直流能耗有效的降低140千瓦時(shí)。但是電解槽電流效率與電解槽陰極鋁液的面積、鋁在電解質(zhì)溶液中的擴(kuò)散度、電解質(zhì)的濃度、鋁液的流速、電解質(zhì)溶液的流速、電解槽中陰陽兩極之間的距離以及鋁在電解質(zhì)溶液中的濃度等因素有關(guān)[2]。

通過噸鋁直流能耗公式（1）可知，降低電解槽平均電壓，也可有效的降低噸鋁直流能耗，因此，有效的降低電解槽平均電壓也成為了我國電解鋁廠降低噸鋁直流能耗的重要途徑。

圖1 槽電壓及其電壓和電能分配

本文選取目前最具有代表性的現(xiàn)代電解鋁工業(yè)電解槽平常槽電壓組成示意圖[5]。從圖1中可知，影響電解槽平均電壓的根本因素是在電解槽示意圖中占比達(dá)到38%的電解質(zhì)電壓降。因此，要想有效的降低電解槽平均電壓，首先就要降低電解質(zhì)電壓降，而電解質(zhì)電壓降的大小又受到電解槽兩極之間的距離所影響。

但是當(dāng)極距降低到某一程度時(shí)，會(huì)使得電解槽電流效率出現(xiàn)大幅的下降，如圖2所示[4]。

圖2 電流效率與極距的關(guān)系

2 降低槽電壓關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

2.1 不停電狀態(tài)下電解槽母線改造技術(shù)

目前，在電解槽強(qiáng)磁場與大電流的環(huán)境下進(jìn)行早期母線配置的改造，屬于世界性難題。針對這一技術(shù)問題，四川啟明星鋁業(yè)公司通過大量的研究與實(shí)驗(yàn)從而發(fā)明出了一種在電解槽不斷電的狀態(tài)下對其母線配置進(jìn)行改造的方法。

從圖3中可以清晰的看出，電解槽母線改造對鋁液波動(dòng)影響變化十分明顯，在其改造前對于鋁液的影響波動(dòng)的最大值為44Gauss，而改造其最大值則為25Gauss，直接下降了43%。另外，改造后電解槽母線壓降降低35mV，電解槽停槽壓降降低65mV。

2.2 凸型陰極結(jié)構(gòu)電解槽技術(shù)

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的電解槽其鋁液的波動(dòng)幅度最高可達(dá)5.9mm，在使用陰極異型凸臺后，其鋁液的波動(dòng)幅度的最大值為4.8mm，較之為使用異型凸臺的電解槽鋁液波動(dòng)幅度減低了18.6%[6]。同時(shí)由于鋁液波動(dòng)幅度的減小，電解槽兩極之間的極距也能得到有效的減小。

圖3 電解槽母線改造前后其鋁液層磁場變化柱形圖（單位：Gauss）

圖4 母線改造前后電解槽母線壓降、停槽壓降變化情況(單位：mv)

當(dāng)對電解槽陰極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，在其鋁液的水平出現(xiàn)下降后，其流速也下降了15%左右。因此，凸型陰極槽的應(yīng)用，可以有效降低電解槽內(nèi)鋁液波動(dòng)幅度以及流動(dòng)速度，從而為降低電解槽平均電提供了有利的條件。

2.3 全保溫型電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)技術(shù)

在低電壓狀態(tài)下對鋁電解槽進(jìn)行熱電數(shù)學(xué)模型解析，同時(shí)對不同結(jié)構(gòu)與不同工藝的鋁電解槽的熱場進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算與分析，從而對其外殼形狀、殼外溫度以及在其表面形成的熱流場有著清晰的認(rèn)識，進(jìn)而得出電解槽在低電壓狀態(tài)下，傳統(tǒng)的底部保溫、側(cè)部散熱的設(shè)計(jì)，無法有效地對其進(jìn)行保溫。只有不斷優(yōu)化和加強(qiáng)其底部保溫，同時(shí)也需將其側(cè)部設(shè)計(jì)由散熱轉(zhuǎn)變?yōu)楸兀瑥亩纬扇轿坏娜卦O(shè)計(jì)理念，提升電解槽的保溫性能。

從圖5中可以看出，在進(jìn)行保溫改造前，電解槽各區(qū)域的平均溫度到達(dá)了183℃。但是通過加強(qiáng)保溫后，各區(qū)域的穩(wěn)定明顯下降了40℃，這樣說明電解槽在進(jìn)行電解槽保溫加強(qiáng)后，其散熱溫度明顯降低。

圖5 電解槽保溫前后槽殼表面溫度變化情況對比（單位：℃）

2.4 預(yù)焙陽極深度開槽技術(shù)

通過對電解槽周圍電解質(zhì)流場進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，將其中多余的陽極氣體進(jìn)行排放，然后在進(jìn)行電解槽陽極的深度開槽，從而促進(jìn)陽極碳塊氣膜電阻壓降的降低。

圖6 不同陽極碳塊壓降對比（單位：mV）

通過預(yù)焙陽極深度開槽技術(shù)，使其開槽深度達(dá)到300mm，占整個(gè)陽極電解槽高度的50%，比之未進(jìn)行開槽的陽極電解槽其陽極碳塊的壓降明顯的下降了62mV。因此，陽極深度開槽技術(shù)，可以有效的降低電解槽陽極電壓。

3 保障低電壓下電解槽取得較高電流效率的關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

在低電壓實(shí)際生產(chǎn)中，隨著電壓降低，能量輸入減少，電解槽過熱度減小，電解槽在高鋁水和低過熱度條件下加劇了爐底沉積的形成，以及側(cè)部出現(xiàn)伸腿過長等冷態(tài)化現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響電解槽的運(yùn)行狀態(tài)。

因此，在電解槽低電壓工藝的實(shí)施應(yīng)在其內(nèi)部低鋁水的情況下進(jìn)行。四川啟明星鋁業(yè)在2006年開發(fā)成功的能量與物料雙平衡鋁電解槽計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，已不適合鋁電解槽的低電壓生產(chǎn)運(yùn)行需要，必須進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。要確保電解槽穩(wěn)定高效健康運(yùn)行，必須建立適宜的工藝技術(shù)規(guī)范，雙平衡控制技術(shù)才能建立合適的計(jì)算機(jī)控制規(guī)范。如前所述電流效率不僅是控制的結(jié)果，也是制定其他技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)。不同電流效率需要不同的工藝技術(shù)參數(shù)的組合見表1，為克服低電壓低過熱度的影響，對電解槽進(jìn)行保溫措施以減少熱損失，以及生產(chǎn)中工藝技術(shù)的及時(shí)調(diào)整，從而有效的對其在運(yùn)行的過程中電壓與熱損失的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行判定。

表1 工藝技術(shù)規(guī)范示意表

4 節(jié)能的總體效果

4.1 降電壓效果

通過對上訴關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，可知當(dāng)電解槽電流效率的損失低于3%時(shí)，對其進(jìn)行整體的將電壓節(jié)能技術(shù)可以將電解槽平均電壓有效的從4.22V降至3.87V，其陰陽兩極的距離也由5cm以上降至4.2cm～4.5cm。同時(shí)電解質(zhì)壓降也降低至250mV，其他部位的壓降也有著明顯的下降。通過對能量和物料雙平衡控制技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，使得試驗(yàn)槽的電流效率能夠長期穩(wěn)定在92%以上。

4.2 節(jié)能效果

表2 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后節(jié)能效果對比

5 結(jié)論

通過上述電解槽四場優(yōu)化節(jié)能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，將試驗(yàn)電解槽槽電壓由4.22伏降低到3.87伏，電流效率保持在92%以上，由此實(shí)現(xiàn)噸鋁能耗降低約730kW·h/t-Al。