200kA節(jié)能型鋁電解槽熱平衡診斷及工藝優(yōu)化

（中國鋁業(yè)股份有限公司青海分公司，青海 西寧 810108）

1 熱平衡診斷

熱平衡診斷主要是以電解槽體系電壓為能量收入，以電解反應(yīng)能耗、電解槽各部分散熱損失為能量支出，分解得出電解槽的散熱結(jié)構(gòu)[1-3]。同時(shí)，參考電解槽各部分的壓降分布、溫度分布和槽膛內(nèi)形等測(cè)試結(jié)果，以此來評(píng)價(jià)電解槽的熱平衡狀況[4-8]。

1.1 熱平衡測(cè)試

某企業(yè)200kA系列的電流強(qiáng)度為215kA，部分電解槽大修后采用節(jié)能技術(shù)，設(shè)定電壓約3.85V，系列的電解質(zhì)體系以及測(cè)試槽的主要工藝技術(shù)參數(shù)見表1和表2。

表1 200kA電解系列的電解質(zhì)體系

由于氧化鋁原料的原因，電解質(zhì)體系中的整體鋰鉀鹽含量達(dá)到7%，再加上采用衍射法化驗(yàn)電解質(zhì)成分，造成分子比化驗(yàn)值虛高。

表2 測(cè)試槽的工藝參數(shù)匯總表

由表2可知，節(jié)能槽的熔體區(qū)槽殼和陰極鋼棒的平均溫度基本正常，但5777#和6604#槽底板平均溫度為179℃和142℃，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值70℃，易導(dǎo)致槽底部散熱偏大、爐底偏冷的現(xiàn)象，應(yīng)該給予足夠重視。

其中，5777#的爐幫厚僅4.8cm，再加上槽底板平均溫度高達(dá)179℃，爐膛易出現(xiàn)畸形，應(yīng)密切關(guān)注該電解槽，在每次換極時(shí)及時(shí)跟蹤測(cè)量爐膛內(nèi)形，看是否存在爐幫薄而伸腿肥大的趨勢(shì)。

在覆蓋料厚度相同的情況下，三臺(tái)節(jié)能槽的排煙量從-16%～-5%，均低于工區(qū)平均值，這與節(jié)能槽的低槽電壓設(shè)置有直接關(guān)系；但排煙量偏差較大，可能會(huì)造成系列電解槽上部散熱差異性較大，給熱平衡的統(tǒng)一管理帶來一定困難。

1.2 熱平衡復(fù)核

建立200kA節(jié)能槽熱平衡模型，根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行熱平衡復(fù)核計(jì)算。節(jié)能槽的溫度分布和爐膛內(nèi)形見圖1和圖2，模擬值與測(cè)試值對(duì)比見表3。

圖1 200kA節(jié)能槽截面溫度分布

圖2 200kA節(jié)能槽爐膛內(nèi)形

表3 200kA節(jié)能槽熱平衡計(jì)算表

極間壓降V 2.920 2.933陰極壓降V 0.336 0.335電解溫度℃ 922 925爐幫厚度cm 9.0 10.2伸腿長(zhǎng)度cm 11.6 12.7側(cè)壁溫度℃ 266 233

計(jì)算得到200kA節(jié)能槽電壓3.853V，其中極距4.6cm，陰極壓降0.335V，電解質(zhì)溫度為925℃，槽殼熔體區(qū)平均溫度為233℃。

爐幫最薄厚度為10.2cm，伸腿長(zhǎng)度12.7cm。與測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，熱平衡模擬所得陰極壓降、電解溫度、側(cè)壁溫度和爐幫厚度與測(cè)試值吻合，證明熱平衡計(jì)算結(jié)果正確可靠。

1.3 熱平衡診斷分析

根據(jù)測(cè)試和模擬結(jié)果，建立電解槽的散熱結(jié)構(gòu)，并由此來診斷熱平衡狀況。200kA節(jié)能槽的散熱結(jié)構(gòu)分布見表4和圖3。

表4 200kA節(jié)能槽散熱結(jié)構(gòu)表

三臺(tái)節(jié)能槽的上下散熱比例大致為60:40，其中煙氣帶走熱約占總散熱量的32%。5759#槽底散熱量為5.1%，在正常范圍內(nèi)。

但5777#和6604#電解槽的槽底散熱量過大，分別占到整體散熱量的11.1%和15.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了正常水平，需要引起特別關(guān)注。

圖3 節(jié)能槽散熱結(jié)構(gòu)分布

2 工藝優(yōu)化措施

三臺(tái)200kA節(jié)能槽平均電壓3.853V，平均出鋁效率92.1%，噸鋁直耗12467kWh；上下散熱比例約為60:40，煙氣帶走熱約占32%；爐幫厚度約9.0cm，伸腿長(zhǎng)約11.6cm，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定，爐幫稍薄，伸腿略長(zhǎng)。但從散熱結(jié)構(gòu)來看，大修后僅兩年多的5777#和6604#電解槽的槽底板溫度偏高，槽底部散熱量偏大，若不及時(shí)處理則會(huì)影響后期的技術(shù)指標(biāo)和槽壽命。

圖4 爐底保溫現(xiàn)場(chǎng)圖

針對(duì)上述節(jié)能槽底部散熱偏大的問題，首先排查全系列的槽底板溫度，對(duì)超過120℃的電解槽采取了底部保溫的優(yōu)化措施。

其次優(yōu)化電解槽爐膛內(nèi)型，調(diào)整氟鹽加入量，調(diào)整分子比和過熱度，使電解槽有利于爐幫生長(zhǎng)，從而達(dá)到增厚爐幫的目的。

最后在操作上進(jìn)行改進(jìn)，特別是覆蓋料要規(guī)范，達(dá)到操作要求標(biāo)準(zhǔn)；換極時(shí)盡量縮短時(shí)間，減少電解槽散熱；槽蓋板整齊嚴(yán)實(shí)，保證良好的保溫效果。

3 優(yōu)化效果

通過前面的分析，找出了200kA系列節(jié)能型鋁電解槽熱平衡方面存在的問題，并有針對(duì)性地制定了改進(jìn)措施，具體的優(yōu)化效果見表5。優(yōu)化前和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)都是三臺(tái)200kA節(jié)能槽平均值。

表5 200kA節(jié)能槽優(yōu)化效果

由表5可以看出，優(yōu)化后槽電壓基本不變，爐幫厚度增加了5.5cm，伸腿減少了3.2cm，散熱電壓降低了17mV，特別是爐底散熱降低了35mV，電流效率提高了0.8%，噸鋁直流電耗降低了114kWh，取得了良好的優(yōu)化效果。

4 結(jié)語

本文對(duì)某企業(yè)200kA系列節(jié)能型鋁電解槽從電解質(zhì)成分、運(yùn)行參數(shù)、爐膛內(nèi)型、散熱分布等方面詳細(xì)分析和診斷了熱平衡狀態(tài)，指出了熱平衡方面存在的問題，根據(jù)問題制定了針對(duì)性的改進(jìn)措施，優(yōu)化后槽電壓基本不變，爐幫厚度增加了5.5cm，伸腿減少了3.2cm，散熱電壓降低了17mV，特別是爐底散熱降低了35mV，電流效率提高了0.8%，噸鋁直流電耗降低了114kWh，取得了良好的優(yōu)化效果。本研究可以為鋁電解槽熱平衡分析診斷和節(jié)能降耗提供借鑒和參考。