鋁電解系列強化電流生產實踐

葛貴君,曲士民,祝元兵,趙煜

(1.內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司,內蒙古 通遼 029200;2.國家電投集團內蒙古能源有限公司,內蒙古 通遼 028011)

某電解鋁企業依托內蒙古通遼北部霍林河地區豐富的煤炭資源優勢,始終致力于循環經濟建設和打造產業協同優勢,按照“用煤發電,用電煉鋁,以鋁帶電,以電促煤”的發展思路,已形成86萬噸電解鋁產能、配套20萬噸炭素產能和年消耗1000萬噸劣質煤的180萬千瓦火電裝機、40萬千瓦風電裝機及自備電網、監控指揮中心的循環經濟產業集群,構建了高載能產業清潔發展示范區,經濟、社會、環境效益顯著,得到了廣泛認可。

為進一步發揮存量資產優勢,提高企業整體技術經濟指標,進一步優化系列技術表現。強化電流生產成為企業提質增效的有效技術路線。如國外Prechiney AP30系列電解槽技術通過優化電解槽技術將系列電流由最初的280 kA強化至350 kA或更高[1];中鋁蘭州分公司通過技術優化將試驗槽由350 kA電解槽強化至403 kA[2]。該公司根據電力供應情況及生產實際,并結合沈陽鋁鎂設計院有限公司對現有300 kA、350 kA、400 kA電解系列強化電流的可行性分析,分階段實施強化電流生產,成功實現提質增效和節能降耗目標。本文對300 kA、350 kA、400 kA電解系列強化電流的研究分析方法、方法舉措和實施效果做了介紹,為鋁行業推廣強化電流生產提供可靠參考價值和經驗。

1 強化電流前生產狀況

該公司三個電解系列總產能86萬噸/年,分為300 kA、350 kA、400 kA三個電解系列生產車間,共計918臺電解槽,正常生產總負荷1392 MW。現有與三個電解系列生產配套的110 kV和220 kV整流變電所、炭素車間、陽極組裝車間、鑄造車間和凈化車間。

其中:300 kA電解系列產能22萬噸/年,284臺電解槽。該系列電解槽采用的50%石墨含量陰極炭塊,側部采用碳化硅結合氮化硅復合材料炭塊,所使用陽極為單桿雙極六鋼爪與炭塊結合型,陽極炭塊尺寸為1570 mm×660 mm×640 mm,電解槽大面加工寬度為300 mm,中縫寬度為200 mm,強化前電流強度303 kA,鋁水平23.5 cm,電解質水平17 cm,電流效率92.05%,單槽日產量2246 kg,總用電負荷366 MW。該系列電解槽設計平均壽命為1800天,從強化前生產運行和設備使用情況看,該系列電解槽實際運行平均壽命為2446天,槽齡最長運行3334天。

350 kA電解系列產能26萬噸/年,276臺電解槽。該系列電解槽采用的陰極炭塊,側部炭塊與300 kA電解系列相同，陽極陽極炭塊,電解槽大面加工寬度,中縫寬度也與300 kA電解系列相同。,強化前電流強度375 kA,鋁水平22.5 cm,電解質水平18 cm,電流效率92.15%,單槽日產量2782 kg,總用電負荷437 MW。該系列電解槽設計平均壽命為1800天,從強化前生產運行和設備使用情況看,該系列電解槽實際運行平均壽命為2273天,槽齡最長運行3003天。

400 kA電解系列產能38萬噸/年,358臺電解槽。該系列電解槽采用的50%石墨含量陰極炭塊,側部采用碳化硅結合氮化硅復合材料炭塊,所使用陽極采用單桿四鋼爪與炭塊結合型,陽極炭塊尺寸為1580 mm×660 mm×640 mm,電解槽大面加工寬度為300 mm,中縫寬度為200 mm,強化前電流強度400 kA,鋁水平24.9 cm,電解質水平18 cm,電流效率92.35%,單槽日產量為2974 kg,總用電負荷589 MW。該系列電解槽設計平均壽命為1800天,從強化前生產運行和設備使用情況看,該系列電解槽實際運行平均壽命為2547天,槽齡最長運行3004天。

表1 300 kA、350 kA、400 kA電解系列強化電流前運行狀況

2 強化電流可行性分析

該公司三個電解系列強化電流評估分析原則:電解槽陰極母線電流密度控制在1.0 A/cm2以內;在產電解槽熱平衡結果滿足電流強化條件;整流機組滿足電流強化條件。

2.1 陰極母線電流密度分析

該公司300 kA電解系列由256臺先期設計電解槽和28臺續建電解槽組成、350 kA電解系列由248臺先期設計電解槽和28臺續建電解槽組成,槽周母線分兩種配置;400 kA電解系列由328臺先期設計電解槽和30臺續建電解槽組成,先期設計槽與續建槽母線配置基本相同。

通過對三個系列電解槽陰極母線進行電流密度核算,300 kA電解系列在現運行電流393 kA下運行時,先期設計槽的陰極母線電流密度在0.85 A/cm2以內、續建槽的陰極母線電流密度在0.88 A/cm2以內;350 kA電解系列在現運行電流375 kA下運行時,先期設計槽的陰極母線電流密度在0.94 A/cm2以內、續建槽的陰極母線電流密度在0.91 A/cm2以內;400 kA電解系列在現運行電流400 kA下運行時,先期設計槽與續建槽的陰極母線電流密度在0.91 A/cm2以內,三個電解系列母線系統電流密度均有一定強化空間。從陰極母線系統電流密度角度考慮,在不改變現有母線配置的情況下,300 kA電解系列母線系統運行電流可強化至315 kA,強化后先期設計槽的陰極母線電流密度控制在0.89 A/cm2以內、續建槽的陰極母線電流密度控制在0.92 A/cm2以內;350 kA電解系列母線系統運行電流可強化至385 kA,強化后先期設計槽的陰極母線電流密度控制在0.96 A/cm2以內、續建槽的陰極母線電流密度控制在0.94 A/cm2以內;400 kA電解系列母線系統運行電流可強化至410 kA,強化后先期設計槽與續建槽的陰極母線電流密度控制在0.95 A/cm2以內。

2.2 電解槽熱平衡模擬分析

基于對該公司三個電解系列現強化電流后的電解槽熱平衡模擬分析結果,在陽極炭塊質量及供電整流系統滿足條件的前提下,300 kA、350 kA、400 kA電解系列運行電流理論上可強化至315 kA、385 kA、410 kA,強化電流需分兩個階段實施。每個階段穩步進行電流強化,結合生產實際對現有生產技術條件(如極距、設定電壓、覆蓋料厚度、兩水平、分子比等)進行相應調整。同時,重點監測電解槽母線系統各個節點的壓降和溫度、陽極炭塊質量和陽極工作狀態以及老齡槽、病槽、破損槽、異常槽工作狀態。若發現有異常點,需立即停止增大電流并查找原因,對于出現脫極或鋁液中鐵硅含量明顯增加出現險情的電解槽應果斷采取措施,必要時立即停槽,確保電解系列的生產運行安全。下圖1,2,3 分別為300 kA,350 kA,400 kA電解熱平衡仿真模擬結果。

圖1 300 kA電解系列強化電流至315 kA運行電解槽熱平衡模擬結果

圖2 350 kA電解系列強化電流至385 kA運行電解槽熱平衡模擬結果

圖3 400 kA電解系列強化電流至410 kA運行電解槽熱平衡模擬結果

2.3 整流機組

強化電流最大值應在整流機組額定負荷之內,并預留電流波動空間,同時強化幅度高整流柜溫度會有升高現象,故在強化過程中要選擇適宜的幅度。根據電流強化后電解槽的運行狀況,結合整流所設備涉及電壓、電流安全裕度及實際運行情況,在“N+1”模式下,即300 kA電解系列6臺整流機組、350 kA電解系列6臺整流機組、400 kA電解系列7臺整流機組全部正常運行時,完全能夠滿足三個電解系列分別強化電流至315 kA、385 kA、410 kA的要求。

表2 300 kA、350 kA、400 kA電解系列整流所主要設備運行參數

3 強化電流實施效果

3.1 強化電流實施情況

根據電解系列強化電流可行性分析結果,該公司于2018年8月起分階段對3個電解系列進行強化電流生產。

其中:300 kA電解系列電流由303 kA逐步強化至315 kA,槽工作電壓提高至4.043 V,陽極電流密度提升至0.760 A/cm2。350 kA電解系列電流由375 kA逐步強化至385 kA,槽工作電壓提高至4.072 V,陽極電流密度提升至0.774 A/cm2。400 kA系列電解槽系列電流由400 kA逐步強化至410 kA,槽工作電壓提高至4.017 V,陽極電流密度提升至0.819 A/cm2。

在針對每個系列的特點,同時優化了電解槽的鋁水平,覆蓋料厚度,換極周期等技術參數。

3.2 強化電流工作成效

3.2.1 電解鋁產量質量實現雙提升

(1)通過加強供電整流系統安全穩定運行,穩步實施三個電解系列強化電流生產,強化后電流效率達到93%以上,三個系列每年原鋁總產量較設計總產能增產4萬噸以上,創效1億元以上。

(2)強化電流期間,通過優化工藝技術條件提高電解槽穩定性、改善除鐵裝置降低物料含鐵量、保持適當殘極厚度降低磷鐵化鐵量等措施,三個系列平均原鋁低鐵鋁率較強化前提升25%達到75%以上,原鋁Al 99.85率較強化前提升15%達到50%以上,實現高品質鋁產品銷售創收2600萬元。

3.2.2 電解工藝技術及管理水平顯著提升

(1)針對“電解強化電流生產后,為保持合理極距適當提高電解槽工作電壓,導致直流電單耗升高”的問題,通過提高電解槽工作電壓、降低電解質水平,使電解槽爐底結晶程度進一步提高,電解槽爐底壓降降低15～25 mV,并進一步降低了噪聲噪壓,進而大幅提高了電解槽穩定性,使電解生產保持長期穩定運行。

圖4 300 kA、350 kA、400 kA電解系列電流強度變化曲線

圖5 300 kA、350 kA、400 kA電解系列陽極電流密度變化曲線

圖6 300 kA、350 kA、400 kA電解系列槽工作電壓變化曲線

(2)針對“電解強化電流生產后,為降低碳渣產生量和提高原鋁質量縮短換極周期導致陽極毛耗升高”的問題,通過強化炭素系統產品質量管控,保持電解槽平穩生產,合理安排換極周期等措施,在實現原鋁產量大幅提高、陽極凈耗適當降低的情況下,陽極毛耗僅略有提高。

(3)匹配電解強化電流和低鋁水生產方式,通過將極上保溫料厚度從最初與陽極鋼爪橫梁上沿一平減薄至鋼爪橫梁下沿10 cm,平均減薄保溫料25 cm,有效減少了保溫料庫存(約1萬噸)資金占用。

(4)加強陽極炭塊“入口”質量管控,通過實施自產炭素系統提質提產、狠抓外購陽極炭塊質量把控、適當提高殘極厚度等措施,大幅降低碳渣產生量,不僅實現生產過程中不撈碳渣,更有效促進了危廢治理水平提升。

表3 300 kA、350 kA、400 kA電解系列強化電流工作成效對比表

4 結 論

(1)強化電流生產是在充分利用現有設備情況下,通過提升電解槽鋁產量和穩定電流效率,進而達到提質降本增效目的,具有投資少、見效快、效益凸顯的優點。因此,對于具有煤炭資源稟賦優勢和足夠規模自備電廠的電解鋁企業,應充分發揮鋁電兩側協同效益,實施電解系列強化電流生產,是實現企業綜合效益最大化的有效途徑。

(2)強化電流生產要匹配適宜的電解槽工作電壓,同時為避免電解槽熱平衡因輸入熱量增加而遭到破壞,需采取分階段穩步進行電流強化,同步調整鋁水平、電解質水平、槽工作電壓、換極周期、覆蓋料、分子比、過熱度等關鍵技術條件,并通過加強生產過程管理和陽極炭塊塊量管控,全方位提高電解槽適應性。該公司在上述基礎上,研究應用“兩低一高兩不撈”技術路線(即低鋁水、低保溫料、高電解質,不撈塊、不撈碳渣),不僅使生產經濟技術指標得到進一步優化提升,更大幅降低了職工勞動強度、提高了生產作業質量,企業主要經濟技術指標、生產管理水平、安全環保治理水平和成本管控水平均達到行業領先水平。