淺析電解鋁生產(chǎn)節(jié)能降耗措施

1、淺析電解鋁生產(chǎn)節(jié)能降耗措施 惠應(yīng)武 摘要：本文從理論上論述了鋁電解生產(chǎn)中提高電流效率、 降低電 耗、原材料消耗的可能性，并結(jié)合 240KA240KA 鋁電解槽生產(chǎn)的實(shí)際 情況，提出了在鋁電解后產(chǎn)操作過程中提高電流效率、 降低電耗、 原材料消耗的一些措施，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了一定成效。 前言：眾所周知，鋁電解生產(chǎn)過程中，要想提高經(jīng)濟(jì)效益，就 必須降低成本，即降低噸鋁電耗與氟化鋁、氟化鹽、陽級等原材物料 的單耗。 所謂電流效率即當(dāng)電解槽通過一定電量（一定電流與一定時間） 時，實(shí)際產(chǎn)鋁量與理論產(chǎn)鋁量地百分比， 這是鋁電解生產(chǎn)的一個重要 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它涉及到鋁電解的產(chǎn)量與電耗， 而這二者又都對鋁電

2、解生產(chǎn)的成本有著直接的影響。 1.1.電流效率降低的原因 1.11.1 二次反應(yīng)，即已電解出來的鋁又溶解或機(jī)械地混入電解質(zhì) 中，并被循環(huán)著的電解質(zhì)帶到陽極空間或電解質(zhì)表面， 為陽極氣體中 的 COCO2或空氣中的氧所氧化，造成電流效率降低。這一現(xiàn)象在壓 鋁，兩水平波動較大，電解質(zhì)溫度過高或低時最明顯。 1.2 Na+等其它離子在陰極上放電耗電，這一現(xiàn)象在分子比 較局時容易發(fā)生。 1.3電流空耗，包括 AL+不完全放電，以及電解質(zhì)時的 V V5+、 P P5+、TiTi4+等高價離子不完全放電生成相應(yīng)的低價離子被電解質(zhì)轉(zhuǎn) 移到陽級空間后，又再氧化成高價離子，即: A L3+ + 2e = + 2

3、e = A L+ （陰極上） A LA L+ - - 2e = 2e = A L3+ （陽極上） 如此循環(huán)，造成電流空耗。這種現(xiàn)象在陰極表面的電子密度 （即電流密度）較小時，如 AE過多，爐溫過高、化爐膛時，或 整流所突然限電時比較明顯。 1.3.2漏電 通常是爐幫結(jié)殼熔化，并且電解質(zhì)面上有大量炭渣時發(fā)生， 即電流有可能連接槽殼與格子板之間， 及鐵渣箱體與槽殼接觸等 均可造成漏電損失。 在上述這些造成電流效率降低的原因當(dāng)中原鋁二次反應(yīng)是 電流效率降低的主要原因。 2.提高電流效率的措施 既然電流效率降低的主要原因是熔解鋁的再氧化（二次反 應(yīng)）損失，那么提局電流效率的措施可以從控制鋁損失過程中探

4、 索。 首先鋁熔解，即已電解出的原鋁通過鋁液（陰極）與電解質(zhì) 之間擴(kuò)散層擴(kuò)散到電解質(zhì)中去的過程，根據(jù) 邱竹賢鋁電解 冶金工業(yè)出版社1988推出來的公式： 門（電流效率）=1 KZF（CO Cx ）D/ a D 陽X 100 （1） 可得出，凡是能夠減小擴(kuò)散系數(shù) D與鋁的溶解度CO,及增 加陰極電流密度D陰與擴(kuò)散層厚度a的所有因素，均可使電流效 率門提高，反之則降低。 2.1電解質(zhì)溫度 電解質(zhì)溫度正常與否，對電解槽電流效率等工作指標(biāo)有著決 定性的影響，根據(jù)我廠實(shí)踐中的多次測量表明， 電解質(zhì)溫度每升 高10C,電流效率大約降低1 2%這是因?yàn)殡S著電解質(zhì)溫度的 降低： 靠近陰極（鋁液）的電解質(zhì)中溶解

5、鋁的速度降低。即 CO /減小。 動粘度增大，陰極氣體體積減小，從而使擴(kuò)散層厚度增加， 即門增加。 擴(kuò)散系數(shù)（D）減小。 由（1）式可知，電流效率門增大。 但是，電解質(zhì)溫度過低也是不利的，它使電解質(zhì)發(fā)粘，致使 鋁珠與電解質(zhì)分離困難，反而易于鋁的損失，使電流效率降低。 在一定的條件下有一個最適宜的溫度， 高于此或低于此電流效率 都會降低，如圖1所示。 240KA大面四點(diǎn)進(jìn)電中間下料槽的鋁電解生產(chǎn)，當(dāng)電解質(zhì)的 溫度控制在950- 960 C為最佳，電流效率可達(dá) 90%Z上。 在操作管理過程中，必須供料正常，嚴(yán)格控制突發(fā) AE,并 及時熄滅正常 AE,平時要加強(qiáng)保溫工作，防止溫度大起大落， 適時適量

6、補(bǔ)充冰晶石，添加 A1岳，以期平穩(wěn)保持兩水平，保持 一定的分子比，即把電解質(zhì)溫度控制在 950- 960C之間。 溫度c 圖 1 T1 T隨溫度變化曲線 2. 2極距 極距是指炭陽極與陰極（鋁液）之間的距離， 極距增大，電解質(zhì) 攪拌強(qiáng)度將減弱，因?yàn)橄嗤年枠O氣體量所攪拌的兩極間的液體量增 加，攪拌減弱，則使擴(kuò)散層厚度（3 3）增加，使用使鋁損失減少，電 流效率提高。 反之，極距過度縮短將使電流效率急劇下降， 這是由于陽極上氣 體直接接觸鋁液面而造成鋁液的直接氧化損失所致。 但極距超過某一限度，電流效率變化不大，多次測量表明：45mm 45mm 的極距最適合 240KA240KA 電解槽生產(chǎn)。

7、因此，不能企圖以提高極距的方式來取得高電流效率， 如圖 2 2 所 示。而相反，應(yīng)是力求使極距保持在實(shí)際所能允許的最小值，否則隨 著極距增加，不但不能提高電流效率，反而使槽電壓徒然升高， 加大 電耗、最終還是不利于降低產(chǎn)品成本。 實(shí)踐證明，采用 45mm45mm 左右的極距可以取得 90%90%以上的電流效 率。 在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，必須嚴(yán)格電壓管理，電壓一經(jīng)設(shè)定，就 不要隨便頻繁變更，更不要隨便手動調(diào)整電壓；另外， AEAE 時，一定 要保證工序質(zhì)量，一定要嚴(yán)格使用兜尺設(shè)置好每一塊新極之極距， 壁 免極距大起大落。 100%100% 極距（L L） 圖 2 Y2 Y隨極距變化曲線 2.32

8、.3 電解質(zhì)成分 2.3.1 CR 2.3.1 CR （即 NaF/AIF3NaF/AIF3 之重量比） 當(dāng)CR小于1.5,有過剩 AIF3AIF3 時，電流效率開始提高，這是 由于此時鋁液與電解質(zhì)之間界面張力（a a）增大，有利于分散于 電解質(zhì)中的鋁珠匯集，且鋁的溶解度減小的緣故。 同時在酚性電 解質(zhì)中，NaNa+的放電及鋁自電解質(zhì)中取代鈉的反應(yīng)減弱。即： NaNa+AL=3Na +2+AL+AL=3Na +2+AL3+ 減弱。 但電解質(zhì)過酸，又使生成低價氟化鋁反應(yīng)增強(qiáng)， 增加鋁的損 失，即： 2AL+AIF 3=3AIF 增強(qiáng) 因此，鋁電解生產(chǎn)一般采用弱酸性電解質(zhì)，其分子比（ CR） 在1

9、.251.35之間 要保持住一定的分子比（CR）。平時操作時要嚴(yán)格控制陽極 效應(yīng)系數(shù)，以及AE持續(xù)時間，保持規(guī)整的爐膛，避免爐溫升高， 加速AIF3的揮發(fā)損失，從而提高 CR。觀察電解質(zhì)液顏色大致判 斷及定期取電解質(zhì)試樣分析結(jié)果，適當(dāng)補(bǔ)充添加 ALF ,使電解 CR穩(wěn)定地保持在1.21.30之間。 2.3.2 AI2O3 濃度 據(jù)邱竹賢鋁電解冶金工業(yè)出版社 1988所述，在冰晶 石ALO熔體中，在5% （重量）A I2O3時，電流效率最低， 大于或小于此電流效率均能升高，大型預(yù)焙槽生產(chǎn)，采用 AI2O3 濃度：2.53.0%較適宜。 采用的23%AI2O3濃度進(jìn)行生產(chǎn)，并且采用一次NB/5分鐘

10、， 下料量7.21kg/次，AEB每次下料100kg左右的加料制度，在避 開電流效率最低時 AI2O3濃度的同時，又能有效地防止 AI2O3濃 度過高，避免形成爐底沉淀，或結(jié)晶殼，降低電流效率。 要保持一定的AI2O3濃度的前提條件是自動供料系統(tǒng)必須能 正常供料，在這個先決條件下，電解生產(chǎn)現(xiàn)場管理，操作必須嚴(yán) 格遵守NB、AEB制度，不得無故調(diào)整 NB間隔和AE間隔，也 不得無故手動 NB、AEB。 2.4電流密度 2.4.1陰極電流密度 當(dāng)電流強(qiáng)度不變，陰極面積即鋁液面積發(fā)生變化 （爐中”伸 腿”收縮或長大）時，或者陽極面積不變，電流強(qiáng)度改變，陰極電流 密度都會改變。 為了取得較高電流效率，

11、陰極電流密度不能過高， 也不能過 低，因?yàn)殛帢O電流密度過低時， 由于單位陰極面積上的電子密度 過小，AI3+產(chǎn)生不完全放電： AI3+2e = AI + 陰極電流密度過高時，則發(fā)生 Na+大量放電，兩者都會造成 電流無謂的消耗，從而降低了電流密度。 因而陰極電流密度有一個對應(yīng)最高電流密度的臨界值一臨 界陰極電流密度。 而臨界陰極電流密度又與鋁電解生產(chǎn)中的電解質(zhì)溫度及極 距有關(guān)，溫度升高或極距縮小時，陰極電流密度均增大。 因此陰極電流密度與爐膛形狀有直接的關(guān)系，生產(chǎn)實(shí)踐表 明，規(guī)整的爐膛，即爐底干凈，側(cè)部又能形成一定的爐幫，且伸 腿既不長大也不收縮，剛好在陽極投影線之外，就能保持一定的 陰極電流

12、密度。而生產(chǎn)操作中控制好 AE系數(shù)，AE時間，保持 一定的兩水平、防止電解質(zhì)溫度大起大落； 保持一定的電解質(zhì)萬 分，平穩(wěn)CR、CaF2%；不要隨便手動調(diào)整電壓，保持供料正常， 不要無故手動NB、AEB,就能形成規(guī)整的爐膛。 2.4.2陽極電流密度 電流強(qiáng)度不變，加寬陽極，或陽極面積不變，電流強(qiáng)度波動 均可使陽極電流密度改變。 陽極電流密度增大晨，陽極氣體的析出量增加，對電解質(zhì)液 攪拌加強(qiáng)，使溶解金屬的擴(kuò)散系數(shù)增大（ a減小），二次反應(yīng)加 快，電流效率將降低；陽極電流密度減小時，陽極氣體的析出排 出的速度減弱，攪拌減小時，電流效率提高，但陽極電流密度保 持過小，則系列電流強(qiáng)度也將變小，不利于強(qiáng)化

13、生產(chǎn)，最終電流 效率也無法保證。因此，在系列電流設(shè)計(jì)值 240KA的前提下， 保持陽極電流密度為0.72A/cm2。 要使陽極電流密度穩(wěn)定，在生產(chǎn)操作過程中必須嚴(yán)格 AC工 序質(zhì)量，嚴(yán)格使用兜尺設(shè)置好新極極距， 盡可能使所有陽極底掌 保持在同一個平面上，并采取必要的措施（如劃線、擰緊卡具等）， 防止新極下滑，加足極上 AI2O3,以加強(qiáng)保溫，使新極很快達(dá)到 滿負(fù)荷，從而可以避免陽極電流密度波動。 2. 5鋁液水平 在鋁電解生產(chǎn)過程中，陽極下部總是會有一些多余的熱量產(chǎn) 生，這就使陽極下部較側(cè)部溫度為高，二次反應(yīng)加快，從而影響 電流效率的提高，這時，如果槽內(nèi)鋁液水平較高時，則可較快地 使這部分多余

14、的熱量疏導(dǎo)出去（鋁液導(dǎo)熱性好） ，從而減少這個 溫度差，提高了電流效率。 但鋁液水平過高也是不利的，因?yàn)檫@不僅使?fàn)t膛爐溫偏低， 爐膛過深，陰極電流密度增大，降低電流效率，而且傳熱量加大、 熱損失過大、也使電耗增加。實(shí)踐證明，保持 17- 18cm的鋁水 平可以得90%以上的電流效率。 因此，必須嚴(yán)格按規(guī)程下指示量，實(shí)施 TAP作出時一定要 嚴(yán)格按指示量出準(zhǔn)，堅(jiān)決杜絕在這臺槽多出了， 再在另一臺槽少 出的“互補(bǔ)”現(xiàn)象，同時盡量不要壓鋁，以免造成鋁液水平波動。 3.降低電耗措施 3.1工業(yè)電解槽的電耗分配 完成鋁電解生產(chǎn)中的反應(yīng)： AI2O3+2C=2AI+CO 2+CO 必須要供給以下五部分的熱

15、量： 第一部分：用來補(bǔ)償反應(yīng)過程的自由能變所消耗的能量。 第二部分：用來補(bǔ)償反應(yīng)過程的束紳能所消耗的能量。 第三部分：用來補(bǔ)償反應(yīng)物（AI2O3、C）由溫度ti （室溫） 升高到電解溫度（t3）的熱粉變化所消耗的能量。 第四部分：電解槽外部線路上的電能損失。 以上第一至第三部分的電能消耗為保持電解槽在所要求條 件下，連續(xù)而穩(wěn)定地進(jìn)行生產(chǎn)，理論上所應(yīng)付出的最低電能，是 必不少的；第五部分的電能消耗與工程設(shè)計(jì)、施工有關(guān)。 因而只有第四部分的電能消耗直接與鋁電解生產(chǎn)操作有關(guān)， 我們在生產(chǎn)操作過程中只有努力降低這部分的電能消耗， 才能有 效地降低電耗。 3.2降低電耗的因素 電耗只取決于電解槽平均電壓

16、及電流效率兩個因素: w=2980/V 平 / r （KWh/TAC） 式中：葉電耗(KWh/TAI) r 一小數(shù)表示的電流效率 由上式可見，凡能降低平均電壓與提高電流效率的各種因 素，都是降低電耗的因素。 設(shè) r =0。90 V平由4.16V升高到4.17V 則 W=2980/W 2V 平 1/ r =2980/001/0.90 =33.11KWh/TAl 即電耗增加33.11KWh/TAl 設(shè)V平=4.16V不變，當(dāng)r自0.90增加到0.91,即電流效率 增加1%f: w=2980/V 2 - r / r 1 r 2 =151.4KWh/TAI 即電流效率提高了 1洞降低電耗151.4KWh/TAI 當(dāng)V平=4.16不變，r自0.90增加到0.89時, w=2980 X 4.16/ - 0.01/0.90(0.90 - 0.01) =-155 KWh/TAI 即當(dāng)電流效率降低1%寸，增加電耗155 KWh/TA