劉海鋒,成 庚,劉進縣,楊成亮,楊國偉

(1.酒鋼集團 甘肅東興鋁業(yè)有限公司,甘肅 嘉峪關 735100;2.酒鋼集團 技術中心鋁業(yè)研究院,甘肅 嘉峪關 735100)

國家發(fā)展改革委2021年8月27日發(fā)布《關于完善電解鋁行業(yè)階梯電價政策的通知》(發(fā)改價格〔2021〕1239號)，從2022年1月1日起，實行階梯電價分檔標準(鋁液綜合交流電耗2022年13,650 kWh/t-Al、2023年13,450 kWh/t-Al、2025年13,300 kWh/t-Al)，高于分檔標準的，每超過20千瓦時，鋁液生產(chǎn)用電量每千瓦時加價0.01元，不足20千瓦時的，按20千瓦時計算。加之“碳達峰、碳中和”目標也從中長期嚴格要求鋁電解可持續(xù)節(jié)能降耗，其中開展電解槽保溫節(jié)能是當今和未來鋁行業(yè)一項重要技術途徑。

1 電解槽底部保溫節(jié)能技術

電解槽在生產(chǎn)過程中的能量利用率約為50%,其中,電解槽底部散熱占總散熱的7%,約占電解鋁能耗的3.5%(相當于大約450 kWh/t-Al的噸鋁能耗),鋁行業(yè)一直在努力降低電解槽底部熱損失。

電解槽設計理念是陰極炭塊以上的電解槽側(cè)部需要適當散熱(以形成合理的爐幫厚度[1]和伸腿長度),陰極炭塊上表面以下的側(cè)部和底部需要適度保溫,以保持電解質(zhì)初晶溫度等溫線位于陰極炭塊下面，850℃等溫線位于耐火材料層(防滲料或防滲磚等)中部。而500 kA電解槽在設計時已經(jīng)做了充分的內(nèi)襯保溫,再進一步開發(fā)電解槽底部保溫節(jié)能技術,則在電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)[2]前提下,加強槽底外部保溫和降低槽電壓[3],實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1.1 電解槽爐底外部保溫

雖然爐底保溫材料可以貼著爐底槽殼外面設置,以實現(xiàn)保溫效果最大化,但這種方法只能在很短的時間內(nèi)用于爐底溫度異常低的特殊情況,而不可作為正常生產(chǎn)電解槽爐底持續(xù)保溫措施,否則可能會很快(數(shù)十小時左右)導致爐底鋼板溫度過高而發(fā)紅。本文中所使用的底部保溫節(jié)能技術所采用的電解槽爐底外部保溫結構見圖1(立面圖)、圖2(剖面圖)所示。

圖1 電解槽爐底外部保溫結構的立面圖

圖2 電解槽爐底外部保溫結構的A-A向剖面圖

其中,鋪設在電解槽底部搖籃架槽底工字鋼下沿上部的電解槽底外部增設保溫材料層為硅酸鈣板、陶瓷纖維板、硅酸鋁纖維毯等環(huán)保型保溫材料,厚度為10～80 mm,鋪設層數(shù)至少為一層。保溫材料用支桿支撐在工字鋼下沿,保溫材料與電解槽爐底留有間隙,并且可以按需要調(diào)節(jié)縫隙和兩端開口度,以便調(diào)節(jié)保溫程度。

1.2 電解槽節(jié)能技術

為了實現(xiàn)電解槽節(jié)能，確保電解槽等溫線符合設計原則，需要保持合理的陰極鋼棒溫度和爐底溫度。為此,對陰極鋼棒和爐底溫度進行持續(xù)監(jiān)測,通過槽電壓調(diào)整而將陰極鋼棒和爐底溫度控制在上述合理范圍之內(nèi),實現(xiàn)電解槽節(jié)能降耗。

1.2.1 溫度監(jiān)測

槽底保溫節(jié)能技術的一個關鍵點是控制陰極鋼棒溫度在合理范圍,以控制初晶溫度等溫線始終位于陰極炭塊下面,還要控制爐底溫度升高在許可范圍之內(nèi),而不導致鋼棒溫度異常升高。為了及時監(jiān)測電解槽陰極鋼棒和爐底溫度,在陰極鋼棒A面和B面以及爐底鋼板中央分別安裝在線測溫探頭,所測鋼棒和爐底溫度通過無線傳輸方式,上傳到專用的無線測溫系統(tǒng),進行數(shù)據(jù)存儲、處理和圖表顯示。

1.2.2 電壓調(diào)整

在確保熱平衡基礎上,需要保持陰極鋼棒溫度260～310℃,以始終保持初晶溫度等溫線位于陰極炭塊下面,加保溫之后的爐底溫度由設計值60～80℃升高到上限不超過230℃,而仍然能夠保持陰極鋼棒溫度處于260～310℃的正常范圍之中,則需要相應地逐步穩(wěn)定降低電解槽電壓降,實現(xiàn)槽底保溫節(jié)能降耗。

2 工業(yè)試驗研究

從2021年3月17日至11月9日,在某鋁廠3臺500 kA電解槽(4#、5#、6#)上開展工業(yè)試驗,與3臺對比槽(18#、25#、27#)進行對比。

2.1 在線測溫系統(tǒng)布點試驗

進行試驗應本著既能夠起到在線監(jiān)測電解槽爐底和鋼棒溫度,又降低在線監(jiān)測系統(tǒng)的投資和運行維護費用的原則。電解槽在正常生產(chǎn)過程中,底部作為一個整體,各處溫度基本處于均衡狀態(tài),通過工業(yè)試驗選定在線測溫系統(tǒng)適宜的布點方案,以便經(jīng)濟合理地選用在線測溫系統(tǒng)。

2.1.1 爐底在線測溫系統(tǒng)布點試驗

為了驗證底部每個陰極下面的爐底溫度均勻分布情況,在4#試驗槽的每個陰極下面的爐底中間位置安裝在線測溫系統(tǒng),4#試驗槽爐底溫度平均值見表1所示。

表1 4#試驗槽爐底加保溫材料之后的平均溫度 ℃

從表1看出,爐底加保溫后,全部爐底溫度范圍為118.4℃(22號爐底)～205.7℃(6號爐底),平均值159.1℃。12號爐底(有穿槽母線而不加保溫材料)162.3℃,14號爐底(沒有穿槽母線而加保溫材料)172.3℃,平均值167.3℃。12號、14號爐底溫度平均值較全部爐底溫度平均值高8.2℃。

爐底加保溫與未加保溫相比,12號爐底升高1.4℃,14號爐底升高27.9℃,平均升高14.6℃。全部加保溫爐底平均值較12號、14號爐底未加保溫溫度平均值升高6.5℃。12號、14號爐底溫度平均升高值較全部爐底溫度平均升高值高8.1℃。

通過分析可見,居于爐底中間位置的12號、14號爐底溫度基本居于全部爐底溫度的中間值附近,12號、14號爐底溫度變化基本可以代表該槽爐底溫度變化。因此,其它2臺試驗槽和3臺對比槽只在12#和14#爐底中間位置安裝在線測溫系統(tǒng)。

2.1.2 陰極鋼棒在線測溫系統(tǒng)布點試驗

為了驗證不同鋼棒溫度之間的差異情況,分別在4#試驗槽的A面和B面的24號與28號鋼棒安裝在線測溫系統(tǒng),4#試驗槽陰極鋼棒平均溫度見表2所示。

從表2看出,A面和B面的24號與28號鋼棒溫度基本一致,A面和B面的24號鋼棒溫度變化可以代表該槽鋼棒溫度變化。

因此,其它2臺試驗槽和3臺對比槽只在A面和B面的24號鋼棒安裝在線測溫系統(tǒng)。

表2 4#試驗槽陰極鋼棒平均溫度 ℃

2.2 鋼棒和爐底溫度變化

2021年3月17日至11月9日,在3臺試驗槽和3臺對比槽進行工業(yè)對比試驗,取得了預期的效果,試驗槽和對比槽的鋼棒與爐底溫度變化見表3所示。

表3 試驗槽和對比槽鋼棒、爐底平均溫度變化 ℃

從表3可以得出以下結論:

(1)試驗槽爐底加保溫之后,平均溫度升高19.9℃,較對比槽升高12.5℃,試驗槽加爐底保溫節(jié)能效果明顯;

(2)爐底加保溫材料效果良好,也使得試驗槽陰極鋼棒溫度較對比槽相對少降低了4.3℃,這有助于穩(wěn)定保持合理的等溫線位置以及維持電解槽的穩(wěn)定優(yōu)化運行[4-5],有利于保持電解槽穩(wěn)定的熱平衡。

2.3 槽電壓匹配降低

試驗槽在增加了槽底保溫材料的同時,匹配降低槽電壓,改善了槽子熱平衡,使電解槽更趨穩(wěn)定,電流效率也因而提高。試驗槽和對比槽主要技術條件及電耗變化見表4所示。

表4 試驗槽和對比槽主要技術條件和電耗變化

從表4看出:

(1)試驗槽爐底加保溫后,較加保溫前平均槽電壓降低16 mV,較同期對比槽平均槽電壓降低27 mV;

(2)試驗槽爐底加保溫后,較加保溫前電流效率提高0.72%,較同期對比槽電流效率提高1.18%;

(3)試驗槽爐底加保溫后,較加保溫前鋁液直流電耗降低161 kWh/t-Al,較同期對比槽鋁液直流電耗低262 kWh/t-Al。

3 試驗槽取得的效益

試驗槽爐底加保溫后,較加保溫前鋁液直流電耗降低161 kWh/t-Al,整流效率97%,鋁液可比交流電耗降低161 kWh/t-Al÷97%=166 kWh/t-Al,含稅電價0.37元/kWh,降低生產(chǎn)成本166 kWh/t-Al×0.37元/kWh÷1.13=54.35元/t-Al。3臺槽年創(chuàng)經(jīng)濟效益為0.3355×500 kA×89.58%×24 h/(t·天)×365天/年×3臺×10-3×54.35元/t-Al×10-4=21.46萬元,也為達到階梯電價標準做出一定貢獻。

4 結 語

經(jīng)過500 kA工業(yè)電解槽試驗研究,得出以下主要結論:

(1)電解槽底部搖籃架工字鋼下沿以及端部加裝保溫,有效改善了爐底溫度,為充分合理調(diào)控鋁水平等技術條件,實現(xiàn)槽電壓降低、電流效率提高和噸鋁電耗降低奠定了有利基礎。

(2)槽底加保溫所匹配的在線測溫監(jiān)控技術,穩(wěn)定等溫線和槽殼及鋼棒溫度,有效防止等溫線過度下移和槽殼及鋼棒溫度過高,有效避免槽殼發(fā)紅、電解槽內(nèi)襯材料性能遭電解質(zhì)侵蝕破壞等生產(chǎn)安全環(huán)保事故風險。