某企业新型稳流保温铝电解槽节能技术能量平衡优化

胡清韬，李昌林，王俊青，焦庆国，周彩群

（1.中国铝业郑州有色金属研究院有限公司，河南 郑州 450041；2.国家铝冶炼工程技术研究中心，河南 郑州 450041）

1 前言

铝电解行业历来被认为是高耗能行业，生产1吨铝消耗13000kWh以上，降低铝电解能耗是国家﹑政府﹑行业和铝电解技术人员共同关注的课题。2009年国务院办公厅发布了有色金属产业调整和振兴规划，提出重点骨干电解铝企业吨铝直流电耗下降到12500千瓦时以下的目标。2011年工业和信息化部发布的铝工业“十二五”发展规划也将“十二五”末吨铝直流电耗目标确定为12500kWh以下。这给行业带了空前的压力，行业的铝电解技术人员加快了铝电解节能技术的研究。

中铝郑州研究院长期致力于铝工业重大关键共性技术的开发，开发了一系列具有重大影响的铝工业核心技术。郑州研究院铝电解方向专业技术人员基于前期的研究基础﹑多年技术服务和对电解铝工艺技术设备的深入理解，开发了新型稳流保温铝电解槽节能技术，技术思路如图1所示。该技术以高导电稳流钢棒为核心，优化了电解槽的阴极结构，大幅降低了水平电流，保证了电解槽可以在更低电压下稳定运行。槽电压的降低减少了电解槽的能量输入，为了保持电解槽的能量平衡，对电解槽的内衬结构进行了更加科学的设计，减少了电解槽的散热。现场的技术人员对筑炉材料﹑筑炉质量严格把关，确保电解槽长期稳定高效运行[1,2]。

图1 新型稳流保温铝电解槽节能技术思路

新型稳流保温铝电解槽节能技术在国内多家企业进行了应用，获得了良好的节能效果，电解槽的直流电耗降低500kWh/t-Al左右，部分企业的铝液直流电耗降低至12500kWh/t-Al以下。电解槽能耗的降低必须有能量平衡的支撑，电解槽能量平衡优化是本技术的核心内容之一，本文主要介绍了该技术能量平衡优化的思路﹑措施和在某企业应用的具体效果。

2 新型稳流保温铝电解槽节能技术能量平衡优化

2.1 能量平衡优化思路[3,4]

（1）确定电解槽高效运行时的电解质成分，测定电解质初晶温度；

（2）铝电解内衬材料的测试与优选；

（3）根据测试所得内衬材料的导热性能进行电解槽内衬设计，槽内衬中电解质初晶等温线的位置应在阴极碳块底部，以减少电解质的渗漏，使耐火材料﹑保温材料避免受到电解质的侵蚀。

（4）基于电解槽运行参数的控制，确保侧衬材料表面形成足够厚度的保护性炉帮和伸腿，减少侧部散热又避免侧部漏炉。适当调整电解槽上部散热，优化电解槽能量平衡设计，电解槽总散热损失不超过1.65V；

2.2 内衬的优化设计

根据某企业的实际情况确定电解槽高效运行时的电解质成分，测定其电解质的初晶温度为922℃。根据电解槽设计要求选择筑炉材料，对筑炉材料的关键性能指标进行检测，确保筑炉材料达到要求。

原设计底部内衬材料自上而下依次是：450mm厚30%石墨阴极；180mm厚干式防渗料；132mm厚轻质保温砖；60mm厚硅酸钙板；10mm厚玻璃纤维板。底部各层内衬上表面温度仿真计算结果如表1所示。

表1 原设计底部各层内衬上表面温度计算结果

原设计防渗料上表面温度910.2℃，与电解质初晶温度922℃相差较大，电解槽的保温有提升潜力。新技术将底部阴极碳块改为50%电煅无烟煤+50%石墨质阴极碳块，底部保温层内原两层轻质保温砖不变，防渗料厚度170mm，最下层为60mm硅酸钙板改为80mm，取消原设计10mm厚陶瓷纤维板。能量平衡优化后底部各层内衬上表面温度仿真计算结果如表2所示。

表2 优化后底部各层内衬上表面温度计算结果

能量平衡优化后922℃初晶等温线相对原设计下移，位于阴极碳块底部，保温效果增强，同时依然可以有效减少电解质的渗漏。

2.3 电解槽上部能量平衡优化

电解槽上部能量主要通过烟气和覆盖料传导出去，为了保证电解槽净化系统的效果，保持原有净化系统烟气流量不变，新型稳流保温铝电解槽节能技术采用优化覆盖料粒度的方法降低电解槽上部散热[5,6]，覆盖料的粒度由技术应用前的平均20mm降低至10mm以下，为减低上部散热提供了重要的支撑。

3 新型稳流保温铝电解槽节能技术能量平衡应用效果

为了科学测算电解槽的能量平衡变化，采用日本进口的HFM-215N型热流计参照中华人民共和国有色金属行业标准YS/T 480-2005测量了电解槽表面温度和散热[7]，并根据相应的方法计算电解槽区域散热。

3.1 槽壳温度降低

槽壳表面温度是电解槽运行状况的间接体现，本部分通过对新型稳流保温槽和对比槽的电解槽钢窗口温度和炉底温度的测试，来定性比较两种槽型的侧下部保温性能优劣。

从表3可以看出，新型稳流保温槽A面钢窗口平均温度210℃，B面钢窗口平均温度216℃，钢窗口平均温度213℃；对比槽A面钢窗口平均温度258℃，B面钢窗口平均温度253℃，钢窗口温度255℃。新型稳流保温槽钢窗口平均温度较对比槽低42℃。

表3 新型稳流保温槽和对比槽钢窗口温度(℃)

由表4可知，对比槽槽底板平均温度103℃，温度极差32℃，标准差8.5℃；对比槽炉底板温度高于设计值，说明对比槽内衬材料的热工性能有一定的改变，影响了保温效果。新技术槽槽底板平均温度68℃，较对比槽槽降低35℃，温度极差17℃，标准差3.7℃。新技术槽炉底热工状况良好，温度较为均匀，说明热场内衬设计合理。

表4 新型稳流保温槽和对比槽炉底温度(℃)

表5 新型稳流保温槽和对比槽能量平衡

3.2 电解槽散热降低

根据行业标准方法[7]对电解槽能量平衡进行了测试和计算，将电解槽散热区域分为阳极区和阴极区，阳极区分为槽罩和上部结构；阴极区分为阴极区侧部和阴极区底部。结果表明，新型稳流保温槽总散热折合电压1.644V，槽罩散热0.313V﹑占总散热比例19.04%，上部结构散热0.624V﹑占总散热比例37.96%，阳极区散热0.937V﹑占总散热比例57.00%；阴极区侧部散热0.593V，占总散热比例36.07%，阴极区底部散热0.114V，占总散热比例6.93%，阴极区散热0.707V﹑占总散热比例43.00%。对比槽总散热折合电压1.793V，槽罩散热0.370V﹑占总散热比例20.64%，上部结构散热0.643V﹑占总散热比例35.86%，阳极区散热1.013V﹑占总散热比例56.50%；阴极区侧部散热0.617V，占总散热比例34.41%，阴极区底部散热0.163V，占总散热比例9.09%，阴极区散热0.780V﹑占总散热比例43.50%。新型稳流保温槽和对比槽整体散热分布基本合理，新型稳流保温槽总散热较普通槽降低149mV，其中阳极区散热减小0.076V，阴极区散热减小0.073V。新型稳流保温槽较对比槽散热降低一方面因为能量平衡优化，阴极区侧部散热降低24mV，阴极区底部散热降低49mV；同时由于工艺参数的调整阳极区散热也有较大幅度的降低，槽罩散热降低57mV，上部结构散热降低19mV。

测试结果表明，新型稳流保温铝电解槽节能技术能量平衡优化后，槽壳表面大幅降低，温度分布均匀；散热降低149mV，各区域散热分布合理，优化效果显著。

4 结论

新型稳流保温铝电解槽节能技术根据某企业的实际情况确定电解槽高效运行时的电解质成分，测定了电解质的初晶温度。根据电解槽设计要求选择筑炉材料，对筑炉材料的关键性能指标进行检测，确保筑炉材料达到要求。通过仿真对内衬结果进行了优化设计，基于工艺制度调整优化了电解槽散热分布。新型稳流保温铝电解槽节能技术应用后，电解槽钢窗口平均温度较对比槽降低42℃，炉底板平均温度较对比槽降低35℃。电解槽总散热较对比槽降低149mV，其中阳极区散热减小0.076V，阴极区散热减小0.073V。新型稳流保温槽较对比槽散热降低一方面因为能量平衡优化阴极区散热显著降低，另一方面由于工艺参数的调整阳极区散热也有较大幅度的降低。