1、新型稳 流保温铝电解槽 节能技术 的工业 推广应用 张亚楠 ， 柴登鹏 ， 史志荣 ， 侯光辉 ， 汪艳芳 ， 白卫国 （中国铝业郑州有色金属研究院有限公司， 郑州 450041） 摘要： 在 大量铝电解槽物理场研究的基础上，中国铝业郑州有色金属研究有限公司 开发了新型稳流保温铝电解槽节能技术 ， 该技术的目标在于降低电解铝吨铝能耗。 基于模拟仿真计算结果，集成铝阴极稳流优化技术、电压平衡优化技术、热场设计优化技术、工艺参数匹配优化技术，形成了新型稳流保温铝电解槽的设计准则。新型稳流保温铝电解槽节能技术自 2013 年起在 200500 kA系列 800 多台电解槽上推广实施。新型稳流保温铝电
2、解槽稳定运行电压 3.753.85 V，电流效率 92.0%94.0 %， 吨铝 直流电耗 12 20012 500 kWh。 关键词 ： FHEST；直流电耗；铝电解；槽电压；电流效率 中图分类号： TF821 文献标志码： A 文章编号： 1007-7545（ 2018） 07-0000-00 Industrial Application of Energy-saving Technology Based on Steady Flow and Heat Preservation ZHANG Ya-nan, CHAI Deng-peng, SHI Zhi-rong, HOU Guang-hu
3、i, WANG Yan-fang, BAI Wei-guo (Zhengzhou Non-ferrous Metals Research Institute Co. Ltd., CHALCO, Zhengzhou 450041, China) Abstract： Energy-saving technology based on steady flow and heat preservation (FHEST) has been developed by Zhengzhou Non-ferrous Metals Research Institute Co. Ltd., CHALCO aimed
4、 at low D.C. power consumption for aluminum reduction. Based on numerical simulation modeling, integrated design with aluminum cathode steady flow, low pressure drop cathode assembly technology, redesign the contralateral lower isotherm distribution and operation acknowledge, new design criterion is
5、 established for FHEST. About 800 above cells from 200 kA to 500 kA based on FHEST have been rebuild in several smelters in China since 2013. The FHEST cells produce steadily with cell voltage of 3.753.85 V, current efficiency of 92.0%94.0%, and D.C. power consumption of 12 20012 500 kWh/t-Al. Key w
6、ords： FHEST; D.C. power consumption; aluminum electrolysis; cell voltage; current efficiency 电解铝行业是我国工业领域中的能耗大户， 2016年我国电解铝行业铝锭综合交流电耗平均 吨铝 13 562 kWh，其电力总耗电量占全国消费总量的 7.5%左右。 近年来， 铝电解节能技术在国内蓬勃发展，主要有 新型结构铝电解槽技术 1-2、 异型阴极铝电解槽技术 3、降低水平电流技术 、 新型稳流保温铝电解槽节能技术 4-7等 。 随着 电解铝新节能技术的 应用实施 和 国家 产业结构 政策 的调整 ，我 国电
7、解铝行业 铝锭 平均直流电耗已经从 2001年的 吨铝 14 085 kWh 下降到 2016 年的 13 000 kWh。 然而，随着生活水平的提高，环保意识日益增强，在全球关注节能减排、倡导低碳绿色的经济背景下，我国电解铝行业的产业结构优化、节能政策频频出台。面对国家节能减排环保政策以及电力成本的制约压力，国内电解铝企业亟需进一步降低铝电解能耗指标。 中国铝业郑州有色金属研究有限公司在大量铝电解槽物理场研究的基础上，通过模拟仿真计算、 实验室 研究、中试、扩大试验及技术产业推广， 开发 了新型稳流保温铝电解槽节能技术（ FHEST 技术）。 自 2013 年起 该技术 在 200500 k
8、A系列 800 多台电解槽上推广实 施。新型稳流保温铝电解槽稳定运行电压 3.753.85 V，电流效率 92.0%94.0 %， 吨铝 直流电耗 12 20012 500 kWh。 1 FHEST技术开发思路 FHEST 技术 思路如图 1 所示。 主要是通过 对 阴极内衬 结构和 材料 以及 阴极组 的结构、 材料 和 规格 进行 改良，达到 降低 阴极铝液层的水平电流和 电解槽阴极压降 、实现电解槽低电压高效率 稳定 运行的目的 ；同时 通过对阴极内衬的保温性能进行 改良， 使得阴极内衬等温线分布得到 优化 ； 减少电解槽的电能输入和热能损失， 最终使电解槽的热工状态得到 改善 ， 实现
9、大幅节能。 收 稿日期 ： 2018-04-18 基金项目 ： 2017年中国铝业股份有限公司产业化推广项目（中铝股份科字 2016595号） 作者简介 ：张亚楠（ 1987-），女，河南禹州人，工程师 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2018.07.005 图 1 FHEST技术思路 Fig.1 Technical ideas of FHEST 由图 1可见， FHEST技术 主要包括： 1）铝阴极稳流优化 技术 ：优化铝液中的电流分布，降低铝液所受电磁力，降低铝液的流速和界面变形，提高阴极铝水的稳定性；优化阴极碳块中的电流分布，避免碳块中的热应力集中，有利于
10、提高槽寿命。 2）电压平衡优化 技术：优化阴极结构和材料选型，开发稳流高导钢棒，结合低阴极压降组装技术，降低阴极压降，进而降低槽电压。 3）热场设计优化技术：根据电解槽区域能量自耗和电解质成分的初晶温度优化设计槽内衬，优化等温线分布，形成理想的炉膛，提高阴极寿命，降低侧下部散热。 4）工艺参数匹配优化技术：通过理论推导和科学计算，结合现场实践，合理匹配电解槽工艺技术参数，确保电解槽 低电压 高效率稳定运行。 FHEST技术确保电解槽运行槽电压 3.753.85 V，极距 4 cm以上，炉帮厚度 15 cm以上，通过极距保证、铝阴极稳定性提高和二次 反应界面缩小，实现了铝电解槽低电压高效率运行。
11、 2 工业化 试验 2013年 12月， FHEST技术在 国内某铝厂 350 kA系列大修电解槽上进行 工业 试验 ，首批试验槽为 3台 。表 1为 350 kA FHEST 技术 电解 槽 与传统技术对比试验槽 稳定运行指标 情况 。 由表 1 可见， FHEST 技术电解槽稳定运行平均槽电压为 3.887 V，电流效率为 91.5%， 吨铝 直流电耗为 12 659 kWh。相比 传统 技术对比试验槽， FHEST技术电解槽稳定运行平均槽电压低 204 mV，电流效率高 0.9个百分点 ， 吨铝 直流电耗低 791 kWh。可见， FHEST技术在 350 kA系列大修电解槽上节能效果明
12、显。 表 1 350 kA FHEST技术电解槽与传统技术 指标 对比 Table 1 Comparison of technical indexes between FHEST test cells and traditional cells at 350 kA 指标 FHEST 技术槽 对比试验槽 槽电压 /V 3.887 4.091 炉帮厚度 /cm 18.7 10.7 电解温度 / 951 956 铝液高度 /cm 23 28 极距 /cm 4.2 5.0 槽电压摆幅 /mV 5 18 阳极效应 系数 /(次 槽 -1 d-1) 0.065 0.17 阴极压降 /mV 265 341
13、电流效率 /% 91.5 90.6 吨铝 直流电耗 /kWh 12 659 13 450 3 工业化推广实施 自 2013 年起， FHEST 技术 开始 在国内电解铝企业推广应用。到目前为止， FHEST 技术已在 240500 kA 约800 多台电解槽上成功实施。 表 2 为 FHEST 技术在国内 5 家电解铝企业的实施效果情况。 可以看出 ， 5 家电解铝企业实施 FHEST 技术后，较实施前均取得吨铝节电 500 kWh 以上的效果。到目前为止， FHEST 技术共推广产能约 40万 t，平均电价按 0.32元 /kWh计，每年可产生直接经济效益近 0.64亿元， CO减排当量约
14、20万 t，产生碳交易额 600万元。 表 2 FHEST技术工业推广实施 前后吨铝直流电耗 Table 2 D.C. power consumption before/after application of FHEST /kWh 企业 系列 电流 /kA 实施前 实施后 节电效果 1 350 1 3665 12 639 -1 026 2 400 1 3050 12 543 -507 320 1 3133 12 465 -668 3 500 1 3200 12 593 -607 4 400 1 3000 12 480 -520 5 240 1 3030 12 170 -860 2017年 中
15、国铝业股 份 有限公司 下属 8家电解铝企业的大修槽统一采用 FHEST技术， 计划推广槽台数 536台，截止 目前已启动 470 台 FHEST 技术槽。相比同系列电解槽， FHEST 技术电解槽 平均吨铝节电 503 kWh 以上 。2018年中国铝业股分有限公司计划推广 FHEST技术槽台数 776台，截止目前已启动 76台。 4 FHEST技术电解槽性能指标 2015年 6月， FHEST技术开始在河南中孚铝业有限公司 400 kA和 320 kA大修槽上实施，计划推广 200台，目前 200台 FHEST技术电解槽已全部启动 完成。 图 2为河南中孚铝业有限公司 16台 400 kA
16、系列 FHEST技术槽在 2015年 12月 12日 至 2017年 8月 24日期间的关键性能指标变化情况。 图 3为河南中孚铝业有限公司 400 kA系列 FHEST技术槽。 图 2 400 kA系列 FHEST技术槽关键 技术 指标 Fig.2 Key technical indexes of 400 kA FHEST test cell 图 3 河南中孚铝业有限公司 400 kA系列 FHEST技术槽 Fig.3 400 kA FHEST test cell in Henan Zhongfu Aluminum Co. Ltd. 5 结 语 新型稳流保温铝电解槽节能技术 （ FHEST
17、技术） 自 2013 年起开始在国内电解铝企业推广应 用，到目前为止， FHEST 技术已在 240500 kA约 800 多台电解槽上成功实施。新型稳流保温铝电解槽稳定运行电压 3.753.85 V，电流效率 92.0%94.0%， 吨铝 直流电耗 12 20012 500 kWh，实现了铝电解槽低电压高效率运行。 参考文献 1 顾松青 ， 刘 凤 琴 ， 杨宏杰 ，等 . 一种铝电解槽的阴极结构 ： CN200920109237.8P. 2010-03-17. 2 LIU F Q， GU S Q， WANG J M， et al. Application of new structure
18、reduction cell technology in Chalcos smeltersJ. Light Metals， 2011： 509-512. 3 冯乃祥 . 一种异形阴极碳块结构铝电解槽 ： CN200710010523.4P. 2007-10-17. 4 杨晓东 ， 周东方 ， 刘雅锋 ，等 . 一种大幅降低铝电解槽铝液中水平电流的结构 ： CN201020566373.2P. 2011-06-15. 5 ZHOU D F， YANG X D， LIU W. Development and application on the metal flow pattern (retard
19、ing flow) optimization energy-saving technologyJ. Light Metals， 2011： 27-33. 6 LI W X， ZHANG Y F， CHAI D P， et al. Simulation and optimization of cathode current distribution to reduce the horizontal current in the aluminum liquidJ. Light Metals， 2014： 495-501. 7 SHI Z R， CHAI D P， HUANG H B， et al. Technology research on decreasing the aluminum surface waves and reducing the cathode voltage drop in aluminum electrolysis cellJ. Light Metals， 2016： 613-616. (a)电解温度和摆幅 ； (b)铝水平和电解质水平 ； (c)阳极效应系数和阴极压降 ； (d)槽电压和电流效率 ； (e)吨铝 直流电耗
