710 mm高陽(yáng)極在500 kA鋁電解槽上的應(yīng)用

郭 彬 劉 馳

(內(nèi)蒙古錦聯(lián)鋁材有限公司， 內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200)

0 前言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保及碳排放的重視，對(duì)電解鋁行業(yè)的碳氧化合物減排和有害廢氣的無組織排放的要求越來越嚴(yán)格，水電、風(fēng)能、太陽(yáng)能光伏及電解新技術(shù)、新材料等方面開始引起電解鋁行業(yè)的重視。如何減少化石能源使用，降低單位產(chǎn)品能源消耗，減少碳排放，成為近期同行專家學(xué)者們探討的熱點(diǎn)。

鋁的生產(chǎn)一直采用熔鹽電解法，預(yù)焙電解槽所用陰、陽(yáng)兩極均由炭素材料制備。陽(yáng)極在使用過程中需要定期更換，存在煙氣無組織排放、熱量散失、炭塊利用率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，同時(shí)頻繁的更換陽(yáng)極作業(yè)也給電解槽的穩(wěn)定性帶來了影響[1]。如何最大限度地延長(zhǎng)炭塊的使用周期，減少對(duì)電解槽的擾動(dòng)、減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度、降低炭耗、減少煙氣無組織排放和熱量散失，成為電解鋁行業(yè)亟需研究的課題。

1 國(guó)內(nèi)對(duì)陽(yáng)極高度認(rèn)識(shí)

據(jù)文獻(xiàn)[2]記載，陽(yáng)極炭塊的高度決定換極周期、炭耗、陽(yáng)極炭塊壓降、電解槽散熱和保溫等指標(biāo)。理論上，當(dāng)殘極高度一定時(shí)，陽(yáng)極炭耗隨陽(yáng)極高度的增加而減少，而換極周期隨陽(yáng)極高度的增加而延長(zhǎng)[2]。

近30年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家對(duì)陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)和綜合成本之間的關(guān)系進(jìn)行了理論研究，并取得很好的成果?？傮w結(jié)論是陽(yáng)極加高有利于節(jié)能減排和降低成本，但也提到陽(yáng)極高度增加是有限度的，不能無限制加高，要充分考慮陽(yáng)極加高后壓降升高對(duì)成本、操作和槽況的影響。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，中國(guó)的電解鋁企業(yè)對(duì)陽(yáng)極高度的認(rèn)識(shí)也日益加深，陽(yáng)極高度逐步增高，從500 mm、550 mm、580 mm、600 mm、620 mm到目前的650 mm，陽(yáng)極的使用周期也從25～28 d逐步延長(zhǎng)到35～39 d。眾所周知，電解槽進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，環(huán)境、槽型、管理、操作等方面相互干擾，影響因素很多，工況也極其復(fù)雜，電壓和能量平衡很難測(cè)定，實(shí)際計(jì)算時(shí)均在某一假定條件下進(jìn)行。

某企業(yè)結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行情況，把陽(yáng)極高度從650 mm分步提升到了710 mm。陽(yáng)極加高后，經(jīng)過三個(gè)周期的運(yùn)行，陽(yáng)極炭耗從461 kg/t-Al降低到449 kg/t-Al，換極周期從33 d增加至37 d，同時(shí)電解槽煙氣的無組織排放也同比例減少，散熱降低，全電流導(dǎo)電速度沒有明顯差異，電解槽針振/擺動(dòng)值由15.58/5.25 mV降低至14.16/4.49 mV，電解槽穩(wěn)定性提高，沒有出現(xiàn)前期預(yù)想的電耗增高、導(dǎo)電速度明顯變慢的情況，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

2 710 mm高陽(yáng)極在500 kA電解槽上的應(yīng)用分析

某500 kA電解槽系列運(yùn)行槽360臺(tái)，電流強(qiáng)度強(qiáng)化至518 kA，年產(chǎn)量50萬t，陽(yáng)極48組，兩種高度電解槽的主要陽(yáng)極指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 兩種陽(yáng)極高度500 kA鋁電解槽指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)歐姆定理R=ρL/S(R為電阻，Ω；ρ為電阻率，Ω·m；L為高度，m；S為底面積，m2)[3]，陽(yáng)極高度增加后，電阻會(huì)增加，陽(yáng)極壓降升高，電耗增加。通過計(jì)算也可以看出這種變化趨勢(shì)。

2.1 陽(yáng)極壓降升高增加的電耗

2.1.1 兩種電解槽的陽(yáng)極平均高度差

假設(shè)炭碗深度[4]為115 mm，陽(yáng)極消耗速度為15.1 mm/d，殘極高度[5]為150 mm，陽(yáng)極更換周期為33 d，陽(yáng)極在槽上電阻率為55 μΩ·m，陽(yáng)極電流密度為0.833 A/cm2。

1)使用650 mm高陽(yáng)極，則：

陽(yáng)極最小工作面高度=殘極高度-炭碗深度=150-115=35 mm。

陽(yáng)極最大工作面高度=新極高度-炭碗深度=650-115=535 mm。

陽(yáng)極平均高度=(陽(yáng)極最小工作面高度+陽(yáng)極最大工作面高度)/2+殘極高度=(35+535)/2+150=435 mm。

2)使用710 mm高陽(yáng)極，則：

陽(yáng)極最小工作面高度=殘極高度-炭碗深度=150-115=35 mm。

陽(yáng)極最大工作面高度=新極高度-炭碗深度=710-115=595 mm。

陽(yáng)極平均高度=(陽(yáng)極最小工作面高度+陽(yáng)極最大工作面高度)/2+殘極高度=(35+595)/2+150=465 mm。

3)兩種電解槽的陽(yáng)極平均高度差=465-435=30 mm。

2.1.2 陽(yáng)極壓降升高增加的電耗

根據(jù)壓降計(jì)算公式V=R×ρ×H(V為增加的電壓降，mV；ρ為陽(yáng)極電流密度，A/cm2；H是陽(yáng)極增加的高度，mm)[1]， 陽(yáng)極高度從650 mm提升到710 mm，壓降為V=55×10-6×0.833×104×30=13.74 mV。

在極距不變的前提下，按照1 mV增加噸鋁電耗3.2 kW·h，噸鋁電耗增加3.2×13.74=44 kW·h/t-Al。

電價(jià)按0.35元/kW·h，整流效率按0.98計(jì)，則每年產(chǎn)生負(fù)收益:44/0.98×50×0.35×104=785.71萬元。

2.2 陽(yáng)極加高前后導(dǎo)電速度分析

為了對(duì)比兩種不同高度陽(yáng)極的導(dǎo)電速度，跟蹤了陽(yáng)極更換后8～128 h兩種高度各7臺(tái)槽同一時(shí)刻的陽(yáng)極電流分布情況，結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種高度電解槽的陽(yáng)極電流分布對(duì)比

從跟蹤結(jié)果來看，兩種高度電解槽的陽(yáng)極電流分布導(dǎo)電趨勢(shì)一致，差異較小。48 h之內(nèi)，650 mm陽(yáng)極導(dǎo)電速度稍慢于710 mm陽(yáng)極，這主要與所選槽所處通風(fēng)狀態(tài)有關(guān)。所選的710 mm陽(yáng)極電解槽處于中部，通風(fēng)散熱條件較差；所選的650 mm陽(yáng)極電解槽靠近端頭通廊，通風(fēng)散熱條件較好。48 h以后，兩種電解槽的陽(yáng)極電流分布交錯(cuò)，沒有明顯差異。為了驗(yàn)證這次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了二次跟蹤，實(shí)踐證明：這兩種高度的電解槽陽(yáng)極電流分布沒有明顯區(qū)別，大小沒有規(guī)律，主要影響因素應(yīng)該與電解槽本身的冷熱有關(guān)。

2.3 陽(yáng)極加高前后電解槽穩(wěn)定性

陽(yáng)極加高并換極后，跟蹤了兩種高度各7臺(tái)槽的穩(wěn)定性指標(biāo)。650 mm陽(yáng)極電解槽和710 mm陽(yáng)極電解槽的針振/擺動(dòng)情況見表2。

從表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)的表現(xiàn)來看，加高陽(yáng)極后，不僅換極情況減少了，而且擾動(dòng)也減少。710 mm陽(yáng)極的7臺(tái)槽穩(wěn)定性指標(biāo)均優(yōu)于650 mm陽(yáng)極電解槽，表明710 mm陽(yáng)極電解槽穩(wěn)定性較好，有利于提高電流效率。實(shí)際電耗也驗(yàn)證了減少槽干擾后，電解槽的電流效率提高，效率提高降低的電耗抵消了一部分陽(yáng)極增高導(dǎo)致的壓降電耗。

表2 兩種高度電解槽的針振/擺動(dòng)對(duì)比

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

3.1.1 減少的陽(yáng)極塊數(shù)量和節(jié)約的炭耗

1)減少陽(yáng)極數(shù)量為：(年產(chǎn)量×加高前炭耗/加高前陽(yáng)極單重)-(年產(chǎn)量×加高后炭耗/加高后陽(yáng)極單重)=(50×104×461/1.22)-(50×104×449/1.33)=20 137塊。

2)節(jié)約炭耗重量：年產(chǎn)量×兩種高度陽(yáng)極的單重之差=50×104×(461-449)=6 000 t。

按照目前市場(chǎng)炭塊價(jià)格3 600元/t，則每年可節(jié)約炭塊費(fèi)用：

3 600×6 000=2 160萬元

3.1.2 減少的陽(yáng)極組裝費(fèi)用

1)材料費(fèi)。陽(yáng)極組裝時(shí)，在中頻爐熔鐵和澆注過程中存在鑄造燒損。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]，陽(yáng)極組裝燒損占炭塊重量的5‰。因此，全年可節(jié)約磷生鐵：

5‰×20 137×1.22=122.8 t

按照目前磷生鐵市場(chǎng)價(jià)4 000元/t，則每年可節(jié)約磷生鐵費(fèi)用：

122.8×4 000=49.12萬元

2)電費(fèi)。按照行業(yè)炭塊平均電耗70 kW·h/t，電價(jià)0.35元/kW·h算，可節(jié)約電費(fèi)：

70×20 137×1.22×0.35=60.19萬元

3)人工費(fèi)。安裝陽(yáng)極的人工費(fèi)按30/塊元算，可節(jié)省人工費(fèi)：

30×20 137=60.41萬元

3.1.3 減少的殘極清理和換極費(fèi)用

按殘極清理費(fèi)用12元/塊，換極費(fèi)用100元/塊計(jì)算，每年可節(jié)約殘極清理費(fèi)用和換極費(fèi)用總和為：

(12+100)×20 137=225.53萬元

3.1.4 減少的運(yùn)輸費(fèi)用

陽(yáng)極使用數(shù)量減少，殘極、保溫料也會(huì)同步減少，無形之中減少了車輛的往返運(yùn)輸油耗和修理費(fèi)用，綜合按1塊陽(yáng)極0.7L油耗的費(fèi)用計(jì)算，油價(jià)按5.8元/L計(jì)算，則每年節(jié)約費(fèi)用：

0.7×5.8×20 137=8.18萬元

3.1.5 減少的換極附加電壓消耗

眾所周知，換極是對(duì)電解槽影響最大的操作，若沒有換極，電解槽運(yùn)行會(huì)非常平穩(wěn)[3]。為了防止換極導(dǎo)致電解槽擺動(dòng)，該鋁廠換極增加了120 mV、80 mV、40 mV各1 h的附加電壓。因此，減少的換極電能消耗為：

減少陽(yáng)極數(shù)量×電流×附加電壓×附加時(shí)間×電價(jià)=20 137×518×(0.12+0.08+0.04)×1×0.35=87.62萬元

由此可見，陽(yáng)極由650 mm加高到710 mm后，可以明顯產(chǎn)生的效益包括材料費(fèi)用、電費(fèi)、直接人工和運(yùn)輸費(fèi)用，合計(jì)總額為：2 160+49.12+60.19+60.41+225.53+8.18+87.62-785.71=1 865.33萬元。

3.2 環(huán)保效益

從前文分析可以看到，進(jìn)一步加高陽(yáng)極后，換極周期延長(zhǎng)了4 d，減少了炭素制品的使用量約6 000×0.88(凈耗與毛耗之比)=5 280 t，不僅減少了使用陽(yáng)極的碳排放，還減少了炭素制作過程的碳排放。由于換極數(shù)量減少20 137塊，換極打開槽罩板的機(jī)會(huì)減少了10.8%，無形之中，HF、SO2等有害氣體的排放也會(huì)同步減少，環(huán)保意義重大。

4 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐表明，500 kA鋁電解槽采用710 mm加高陽(yáng)極對(duì)槽子穩(wěn)定性和電耗影響較小，使用后可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。在電解技術(shù)日益發(fā)展的當(dāng)下，在一定條件和范圍內(nèi)，加高陽(yáng)極的使用對(duì)我國(guó)鋁工業(yè)“碳達(dá)峰”和“碳中和”具有積極意義。