浅谈500kA电解槽氧化铝浓度及槽温对能耗的影响

居镜松

摘要：高耗能行业是国民经济的重要组成部分，其高耗能属性主要由产品性质和工艺特点决定。“双碳”目标提出以来，电解铝被列为高耗能行业。电解的成本电耗是最大的一项指标，在吨铝成本中占很大比率，其比率视电价与电耗的不同而有差异，一般占成本的30%--40%。在确保电解槽高效平稳的基础上降低吨铝直流电耗。通过分析确定500kA电解槽氧化铝浓度及槽温对电解槽平稳运行的重要意义，是致使电解过程中能耗升高的要因之一。本文就氧化铝浓度及槽温对电解槽的影响展开探究。

关键词：工艺 电解槽 节能降耗 电流效率 低氧化铝浓度

1.前言

电解铝行业是我国经济发展的支柱，也是高能耗，高污染的行业。近年来国家在各产业政策和环保法规的制定上，对电解铝加以约束。如何节约能源已成为电解铝行业研究的主要问题。本文就电解槽运行过程中，通过较低的氧化铝浓度和适宜的温度控制，来提高电流效率和降低槽电压，从而达到节能降耗的目的给出自己的看法。

2.节能的途径

铝电解直流电单耗=2980×平均电压÷电流效率，由上式我们不难看出降低铝电解能耗的关键就是降低槽电压和提高电流效率。

表1  槽电压和电流效率的关系

电流效率	90%	91%	92%	93%	94%	95%
平均电压（V）	3.715	3.756	3.797	3.839	3.880	3.921
直流电耗	12300kWh/t-Al

从上表中，我们不难看出，若电耗相同，槽电压越高，则电流效率越高。而如何保证在取得较低的电耗和较高的电流效率时，获得较理想的槽电压。这是一个我们需研究的课题。

图1 极距与电流效率的关系

为了能够得到可靠的数据，我们在500kA系列电解以极距为中心，取了一个月的平均值进行了对比分析，如下表：

表2  某某公司500kA系列极距、电流效率和槽电压的对比

极距（cm）          4.2           4.4         4.5            4.6        4.8

电流效率(%)         93           93.3         93.5           93.8       93.8 平均电压(V)        3.90          3.96         3.992          4.042      4.087

从图1和表2我们不难看出，在一定范围的极距，电流效率会随着极距增加而增加，在超过一定的极距大小后电解槽电流效率就没有太大的变化[1]。联系极距和电流效率、槽电压三者间的关系，通过降低极距来降低槽电压，显著的恶化了电流效率，能耗反而上升。因此我们必须解决降低极距来降低槽电压后恶化了电流效率的问题。

降极距以外的降电压措施在近年来我们已经取得显著节能成效：降低AE系数及AE持续时间；降低阳极电压降,这些被称之为矮树下的果实，现在已经基本摘干净了，但大树上的果实更加丰硕，我们怎么来获取。如何实现高耗型向低耗型的转变，已是当今国内外铝电解专家研究的课题。在不改变现有电解槽设计的条件下，通过调整工艺参数并相应地升级计算机控制系统，可以达到节能的目标！我们在500kA系列电解槽上做了实验。

表3 某某公司的500kA系列电解槽改进前后数据对比如下：

	改进前	改进后	可实现
平均电压（V）	4.065	4.022	3.98
槽温（℃）	955	946	943
电流效率（％）	94	93.8	93.5
极距（cm)	5.0	5.0	4.6
直流电耗(kWh/t-Al)	12886.91	12777.78	12684.91

我们改进的工艺技术要点：完善氧化铝浓度控制技术，用低氧化铝浓度来生产；适当提高电流强度和铝水平；选择合适的槽温是关键；根据电解质成分确定分子比；保证电解质对氧化铝的溶解能力；以建立规整稳定炉膛内型并保持炉底基本干净作为工艺控制目标；努力提高职工的操作水平，精细化操作是持续稳定的保证；在电压稳定的基础上积极降低槽电压，节能降耗才是根本。

3.工艺思路

合适的槽温匹配适宜的分子比，得到较好的过热度——温度波动小；

低氧化铝浓度——低浓度波动；

低AE系数与低AE持续时间——低干扰 ；        

此技术，我们且称之为“临界稳定技术”。

图2 铝和二氧化碳的浓度曲线

2Al（液）+3CO2（气）=Al2O3 （固）+3CO（气）

从以上反应方程式来看，一方面是阳极气体CO2在电解质中溶解及其小气泡向阴极界面扩散与铝液接触发生二次反应，另一方面是阴极产品铝液在电解质中溶解并向阳极界面扩散与CO2接触发生二次反应。但到底谁是二次反应的控制性环节呢？查有关资料表明CO2气体在冰晶石--氧化铝熔液中的溶解度是很小的，只有10-5～10-6mol/cm3，所以铝主要是被CO2气泡所氧化。因此如何控制阳极气泡的逆向扩散是工艺的核心内容，那么我们现在来分析CO

2气体在电解质中的行为，以提高对CO2气体的认识。

当氧化铝浓度较高的时候，阳极与电解质的表面张力较小， CO2在电解质中的溶解度增大，更主要的是阳极底掌下的气泡直径小、 CO2在电解质中的浮力小，在电解质流动过程中CO2气泡向铝液界面逆向扩散的机率大幅度提高，因此 CO2的溶解和气泡逆向扩散发生二次反应变的更加简单。

图3 二氧化碳气泡与Al2O3含量的关系

当氧化铝浓度较低的时候，阳极与电解质的表面张力较大， CO2在电解质中的溶解度降低，更主要的阳极底掌下的气泡直径增大、 CO2在电解质中的浮力提高，在电解质流动过程中CO2气泡向铝液界面逆向扩散的机率大幅度降低，因此CO2与Al发生反应变的更加困难。氧化铝浓度和分子比都较低的时候，Al和CO2在电解质中的溶解度都较小，所以在流体运动和电压稳定的条件下电流效率大幅度提高。在电压稳定的前提下，提高极距的实质作用是提高阳极气泡与铝液界面的距离，减小CO2气泡接触铝液界面诱发二次反应的机率，提高极距对Al和CO2的溶解与扩散并没有根本的影响。因为Al和CO2的溶解和扩散主要取决于铝液和电解质的流速和电解质对二者的溶解能力，决定于溶解度和浓度差。

我们研究CO2表面积与Al2O3浓度的关系，Al2O3浓度与电流效率的关系，温度与电流效率的关系，电流效率与极距和Al的溶解度的关系，工艺控制的成功条件之一是降低氧化铝浓度，适当提高电流密度，以得到足够大的阳极气泡并且不诱发效应。

4.物料平衡

采用饥饿式氧化铝浓度控制思想，保持欠量周期转换到过量周期时浓度不低于1.5% ，过量周期转换到欠量周期时浓度不高于2.5%（可通过计算机控制电解槽的加料间隔实现）。低氧化铝浓度控制有利于氧化铝和炉底沉淀的溶解。有利于降低炉底水平电流改善槽内磁场和铝液运动，为电解生产连续进行提供一个稳定的工作环境。低氧化铝浓度有利于提高电解质与阳极的表面张力，加速气体逸出，从而提高电流效率。

5.热平衡

热平衡是维护稳定炉膛的首要条件。我们在生产管理过程当中，出铝作业、换极作业、氧化铝下料作业等都对电解槽的热平衡产生重要的影响。选择合适的电解质温度和分子比，往往是工艺成功的必然结果，电解质粘度偏高是低过热度的显著特征；低过热度工艺对提高电流效率具有积极的意义，氧化铝在电解质中的溶解度和溶解速率较差，易恶化炉膛。保持合适的过热度是一门非常精细的管理技术，需要可靠的氧化铝浓度控制能力和热平衡控制能力；以此来建立规整稳定的炉膛内型。

极距它既是电解过程中的电化学反应区域，又是维持电解温度的热源中心。铝电解槽只有保持一定的极距才能正常生产。正常生产过程的极距一般在4cm～5cm之间。极距改变1mm，引起槽电压变化约30～40mV 。这就决定了槽电压的是决定电解槽热平衡的重要条件之一。研究表明，降低电解质温度能提高电流效率。众多研究表明，电解质温度每降低10℃，电流效率可以提高1～2%左右（但前提是降低温度不带来其他工艺条件的恶化）。降低电解质温度无疑通过两个途径：降低电解质过热度和降低电解质初晶点。降低电解质初晶温度主要是通过改善和优化电解质的成分，选取低熔点的电解质。在铝电解生产中，调整电解质成分的主要方法是向冰晶石一氧化铝熔体中添加氟化铝、氟化锂等添加剂，以此来降低电解质的初晶温度[2]，进而降低电解温度。我们在某厂500kA系列电解槽上做了实验。

表4 某某公司500kA系列电解槽部分参数

槽号Al2O3%   LiF%    CR    初晶温度(℃)   电解质温度(℃)  电压（V）电流效率%

1105   2.8      2      2.6     942             955          4.04       93.8 2534   2.2     1.8     2.45    933             945           4.0        94

    从上表中我们不难得出结论，随着分子比、初晶温度的降低，电流效率得到提高，随着分子比的降低更有利于阳极周围铝珠的汇集，从而减少了铝的二次反应，使得电流效率提高。低电压、高电流效率的电解工艺，电解槽的热收入会明显降低，除了加强电解槽的保温措施外，另外一个办法就是强化电流，这样既解决了电解槽的热收入问题，又有效提高了企业的产能和经济效益。

提高电流强度虽然对极距有一定影响，但可以通过适当提高铝水平减小铝液层的波动，增加了有效极距来弥补。提高电流强度不但可以提高企业的产能，还有利于提高电流效率，最直观的解释就是在铝液镜面不变的条件下提高了单位面积的铝液产量，从而减少了单位产量的铝液溶解损失。

保持8～15℃的过热度是可以实现的，对于我们的氧化铝质量和电解质成分而言，10～15 ℃更有利于平稳生产；加大对换极作业的热补偿力度 ，才能提高对过热度的控制能力；保持下料

口火眼畅通 ，提高下料口局部对氧化铝的溶解能力，为保持合适的过热度创造条件；保持下料系统稳定并实现均匀下料。

6.结论

通过选择低氧化铝浓度，合适的分子比、槽温、匹配合适的槽电压我们取得了较好的经济技术指标。如下表：

表4 某某公司500kA系列电解槽与400kA系列电解槽

Al2O3%      CR     电解温度(℃)   电压（V）电流效率%   直流电单耗

400kA      2.2      2.5       950           3.994       93          12798 500kA      1.8      2.46      945           4.005       93.5        12765

低氧化铝浓度是组织低电压和合适槽温生产的前提；槽温是形成炉膛的先决条件，好炉膛是低电压高效率的载体；把提高电流强度、提高铝水平和合适的槽温结合起来，是优化电解工艺技术条件的互补性组合；规整稳定的炉膛是确定电解工艺参数的实践依据，我们应根据电解质成分确定分子比，根据炉膛的大小选择合适的温度，根据伸腿的长短确定铝水平，根据电压的稳定性确定极距；炉底是否基本干净，分子比和槽电压是否平稳，过欠加工周期是否均匀稳定是我们管理和维持电解槽平稳运行的主要依据。选择低氧化铝浓度、合适的槽温是我们当下电解铝工艺控制的首选目标，以此达到节能降耗的最终目的。

参考文献:

[1]李昕卉基于模糊聚类的多神经网络铝电解槽工艺参数软测量研究 [J] 2010

[2]黄超 陈铁军 铝电解过程优化控制研究 [J]  2016

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