電解鋁工業(yè)重大節(jié)能技術(shù)進(jìn)步
(1)開發(fā)并全面推廣應(yīng)用了大型預(yù)焙電解槽成套技術(shù)
1996年鄭州輕金屬研究院成功完成了280kA大型預(yù)焙鋁電解槽工業(yè)試驗，標(biāo)志著我國已基本掌握了大型預(yù)焙槽核心技術(shù)，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用，見圖4-4。
我國所開發(fā)的大型預(yù)焙鋁電解槽技術(shù)包括：
①大型鋁電解槽的物理場仿真模擬技術(shù)：大型槽物理場仿真模擬技術(shù)已經(jīng)在我國鋁電解技術(shù)的研發(fā)與設(shè)計中得到了廣泛使用。特別是在一定電解槽結(jié)構(gòu)和電流密度的作用下，依靠Ansys和電磁流動等軟件的模擬計算，可較為準(zhǔn)確地得出電解槽內(nèi)的水平電流、電磁力場以及流動場的分布規(guī)律，從而為尋找較為合理的電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行參數(shù)的制訂提供重要依據(jù)。通過工業(yè)應(yīng)用的大型預(yù)焙槽實際測定的物理場數(shù)據(jù)又可為模擬計算提供進(jìn)一步優(yōu)化的參數(shù)，從而開發(fā)出更為準(zhǔn)確、貼近實際狀況的模擬計算方法。
300 kA鋁電解槽垂直磁感應(yīng)強度分布見圖4-5。
②大型鋁電解槽用陽極、陰極和內(nèi)襯材料：隨著大型預(yù)焙槽技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，與之相適應(yīng)的優(yōu)質(zhì)、多品種的陰陽極材料及內(nèi)襯材料的生產(chǎn)技術(shù)也得到了大力開發(fā)和應(yīng)用。通過對我國石油焦、煤瀝青等原材料生產(chǎn)條件和產(chǎn)品質(zhì)量及炭陽極生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)技術(shù)的系統(tǒng)研究，成功開發(fā)出了利用國產(chǎn)原材料生產(chǎn)抗氧化性優(yōu)異的炭陽極的成套關(guān)鍵技術(shù)，滿足了我國大型預(yù)焙槽技術(shù)對優(yōu)質(zhì)炭陽極的需求，保證了大型鋁電解槽運行的穩(wěn)定性和高效率。大型預(yù)焙電解槽所需的含有30%、50%的石墨、全石墨質(zhì)陰極、碳化硅-氮化硅結(jié)合的復(fù)合側(cè)襯材料也都得到了大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用，不僅使我國大型鋁電解槽的運行效率得到了提高，而且延長了電解槽壽命。
③大型鋁電解槽用的重大配套裝備：隨著我國鋁電解工業(yè)的迅猛發(fā)展，鋁電解重大配套裝備的生產(chǎn)技術(shù)也得到了快速提升。首先通過國外先進(jìn)裝備的引進(jìn)和消化，結(jié)合我國生產(chǎn)工藝的特點，自主開發(fā)出了大型預(yù)焙槽配套的變壓、整流電氣裝備、上部結(jié)構(gòu)及天車、氧化鋁輸送、下料器以及煙氣凈化裝置等成套鋁電解裝備，并得到了廣泛應(yīng)用。大型預(yù)焙槽配套的變壓、整流電氣裝備已實現(xiàn)國產(chǎn)化，替代了進(jìn)口裝備。目前我國已可以制造幾乎所有與鋁電解槽配套的供電整流設(shè)備。與大型預(yù)焙槽配套的上部結(jié)構(gòu)、天車及氧化鋁輸送、下料器及利用新鮮氧化鋁凈化鋁電解槽煙氣的凈化裝置也都已實現(xiàn)了國產(chǎn)化，確保了我國大型鋁電解槽技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用和穩(wěn)定運行。
2003——2008年，我國相繼成功開發(fā)了300kA、350kA、400kA大型預(yù)焙電解槽設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)，從此步入了全面掌握大型預(yù)焙電解槽技術(shù)的少數(shù)國家之列。此后，我國實現(xiàn)了向印度、哈薩克斯坦、伊朗等國的大型預(yù)焙槽技術(shù)出口。目前我國正在進(jìn)一步開發(fā)500kA超大型電解槽設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)，并已取得了一定成效，年產(chǎn)原鋁38萬t的500kA電解槽生產(chǎn)線已投入工業(yè)運行并正在進(jìn)行優(yōu)化試驗。600kA超大型電解槽也已于2012年投入工業(yè)試驗。
500kA以上的超大型鋁電解槽需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)問題：
①超大型電解槽中鋁液磁流體運行的穩(wěn)定性：大型電解槽的計算機物理場仿真模擬技術(shù)是超大型鋁電解槽設(shè)計技術(shù)的核心。通過計算機軟件的進(jìn)一步研究開發(fā)和動態(tài)仿真模擬計算，研究鋁電解槽內(nèi)磁場、熱場和運動場的變化規(guī)律，尋找合理的磁場分布及可保持鋁液磁流體運行穩(wěn)定性的基本條件和工藝參數(shù)，為超大型鋁電解槽的設(shè)計提供重要依據(jù)。通過相關(guān)仿真模擬軟件的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，我國已能成功地設(shè)計出400kA以上的大型預(yù)焙電解槽，并保持鋁液磁流體運行的穩(wěn)定性。由于計算機軟件仿真模擬都具有一定的誤差，需要通過實驗室試驗和工業(yè)試驗對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證或修正。
②超大型電解槽中氧化鋁濃度的均勻性和擴散速度：由于超大型鋁電解槽尺寸容積的擴大，保持槽內(nèi)氧化鋁濃度的均勻性就成為技術(shù)難點。而這一點又對鋁電解槽的運行穩(wěn)定性和電流效率產(chǎn)生重大影響。通過氧化鋁下料器的小型化設(shè)計，調(diào)整電解槽的控制系統(tǒng)，保持鋁電解槽內(nèi)鋁液一定的流動速度，可以基本實現(xiàn)超大型電解槽內(nèi)氧化鋁濃度的均勻性。
③超大型電解槽的陽極消耗和底掌平面的均勻性：提高炭陽極質(zhì)量，保證使用優(yōu)質(zhì)炭陽極，優(yōu)化電解槽控制系統(tǒng)是實現(xiàn)炭陽極消耗均勻性的關(guān)鍵。這一點對超大型鋁電解槽尤為重要。
④超大型電解槽的電流效率和能耗的先進(jìn)性：超大型鋁電解槽為達(dá)到較高的電流效率，降低能耗，就必然對鋁電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)和下料系統(tǒng)的運作提出更高的要求。特別是如何通過優(yōu)化的計算機模擬和結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功地降低水平電流，提高電流效率，這又是開發(fā)超大型鋁電解槽技術(shù)的關(guān)鍵。
(2)開發(fā)應(yīng)用了鋁電解計算機控制技術(shù)
我國鋁電解工業(yè)通過鋁電解工藝與計算機控制技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了多代大型預(yù)焙槽計算機控制技術(shù)，明顯提高了電解槽運行的穩(wěn)定性，大幅度降低了直流電耗，提高了電流效率，降低了陽極凈耗、陽極效應(yīng)系數(shù)以及溫室氣體排放量。
鋁電解計算機控制技術(shù)的主要研究方法：深入研究大型預(yù)焙鋁電解槽運行規(guī)律和特性，綜合應(yīng)用鋁電解工程領(lǐng)域和專家系統(tǒng)、智能控制、計算機仿真、現(xiàn)場總線、計算機網(wǎng)絡(luò)等交叉學(xué)科領(lǐng)域的方法，開發(fā)出鋁電解智能控制系統(tǒng)。
目前我國鋁電解控制系統(tǒng)中控制軟件的主要特點：通過對槽電壓和槽電阻的計算機檢測，判別電解質(zhì)中氧化鋁濃度的波動，以氧化鋁下料的頻次控制電解質(zhì)氧化鋁濃度的穩(wěn)定。更為先進(jìn)的氟化鋁下料控制技術(shù)也已有所應(yīng)用。
我國鋁電解工業(yè)界研究了低槽電壓下的能量平衡，開發(fā)了一套大型預(yù)焙電解槽低窄氧化鋁濃度控制技術(shù)，提高了對氧化鋁濃度控制的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了鋁電解槽在低槽電壓下的穩(wěn)定運行，同時降低了電解槽的陽極效應(yīng)系數(shù)，減少了氟化物氣體排放。
(3)開發(fā)應(yīng)用了提高大型預(yù)焙電解槽壽命技術(shù)
2005年，針對我國大型預(yù)焙槽壽命短的狀況，提出了提高大型預(yù)焙電解槽壽命技術(shù)的研究項目。通過對影響鋁電解槽壽命關(guān)鍵因素的研究，開發(fā)出了提高大型預(yù)焙電解槽壽命的關(guān)鍵技術(shù)。
延長鋁電解槽壽命的關(guān)鍵技術(shù)：通過強化鋁電解槽控制系統(tǒng)，降低陽極效應(yīng)系數(shù);嚴(yán)格控制電解質(zhì)過熱度，保持電解槽穩(wěn)定運行;大容量電解槽使用高石墨質(zhì)陰極炭塊、碳化硅側(cè)塊，提高鋁電解槽的熱穩(wěn)定性;采用焦粒焙燒啟動技術(shù). 以形成穩(wěn)定規(guī)整的爐幫和陰極等。
所開發(fā)的提高大型預(yù)焙電解槽壽命技術(shù)已經(jīng)使我國電解槽壽命由1300天提高到現(xiàn)在的2500天以上，大大減少了廢槽襯的排放量和鋁電解槽的維修量。
(4)開發(fā)應(yīng)用了優(yōu)質(zhì)炭陽極和內(nèi)襯材料生產(chǎn)技術(shù)
通過對我國石油焦、煤瀝青等原材料生產(chǎn)條件和產(chǎn)品質(zhì)量及炭陽極生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)技術(shù)的系統(tǒng)研究，開發(fā)出了適應(yīng)我國石油焦質(zhì)量特點的多種生石油焦混配原理及均化應(yīng)用技術(shù)，深入研究了煤瀝青性質(zhì)對炭陽極質(zhì)量的影響規(guī)律，系統(tǒng)研究了炭陽極各生產(chǎn)工藝過程的控制參數(shù)與陽極質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性。在這些研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出了利用各種石油焦進(jìn)行混配、改善炭陽極氧化性的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了采用國產(chǎn)原材料即可生產(chǎn)出抗氧化性優(yōu)異的優(yōu)質(zhì)炭陽極，并由此制定了優(yōu)質(zhì)炭陽極生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全面提高了炭陽極質(zhì)量及電解槽運行穩(wěn)定性，從而使我國炭陽極的質(zhì)量及鋁電解炭耗達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前中國優(yōu)質(zhì)炭陽極已經(jīng)大批量出口到世界發(fā)達(dá)地區(qū)的鋁電解廠。
為提高鋁用碳素陰極的性能，降低鋁電解各項消耗，含有30%、50%的石墨及全石墨質(zhì)陰極已大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，石墨化陰極也已成功研制并規(guī)?；a(chǎn)。碳化硅-氮化硅結(jié)合的復(fù)合側(cè)襯材料不僅在國內(nèi)大型槽上得到了廣泛應(yīng)用，滿足了國內(nèi)需求，顯著降低了鋁電解電耗并提高了電解槽壽命，而且已大規(guī)模出口。目前，我國生產(chǎn)的各種規(guī)格的優(yōu)質(zhì)炭陽極、陰極以及側(cè)襯材料譽滿全球(見圖4-6)。我國已成為世界上最大的鋁用碳素出口國。
(5)開發(fā)應(yīng)用了新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽等重大節(jié)能技術(shù)
2005年以來，我國相繼通過改變鋁電解槽陰極炭塊和鋼棒的結(jié)構(gòu)和形狀，并相應(yīng)優(yōu)化電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)等一系列創(chuàng)新技術(shù)，形成了新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽、新型鋼棒結(jié)構(gòu)等重大鋁電解節(jié)能技術(shù)，構(gòu)成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鋁電解重大節(jié)能技術(shù)。這一類技術(shù)使我國鋁電解生產(chǎn)實現(xiàn)了大幅度節(jié)能降耗。新型陰極結(jié)構(gòu)電解槽技術(shù)見圖4-7。
這一類新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽技術(shù)實現(xiàn)了低極距、低水平電流、低槽電壓、低電耗、低陽極效應(yīng)、高電能利用率的鋁電解穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了大幅度節(jié)能減排，噸鋁直流電耗為12000~12300kW·h，達(dá)到了國際領(lǐng)先技術(shù)水平。2011年新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解節(jié)能技術(shù)開始大規(guī)模推廣，我國鋁錠綜合交流電耗逐年下降。我國鋁電解重大節(jié)能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用已引起了世界鋁電解技術(shù)界的高度重視和關(guān)注。
(6)開發(fā)應(yīng)用了低溫低電壓鋁電解新技術(shù)
低溫低電壓鋁電解的核心技術(shù)包括含鋰鹽電解質(zhì)體系的物理化學(xué)性質(zhì)及變化規(guī)律、低溫電解電極過程、低溫下Al，O3溶解性能、分布技術(shù)等參數(shù)，通過工藝試驗，獲得初晶溫度較低的低溫電解質(zhì)體系，并確定了電解槽的電解質(zhì)水平、鋁水平、極距、槽電壓、鋰鹽添加劑等工藝參數(shù)，成功開發(fā)了適合我國國情的低溫電解技術(shù)。建立了大型鋁電解槽“電流場一母線配置一磁流體”耦合模型和仿真系統(tǒng)，通過工業(yè)試驗修正了電磁場和磁流體穩(wěn)定性仿真邊界條件，開發(fā)了使電解槽電磁特性運行于深度穩(wěn)定區(qū)間的母線裝置。低溫低電壓鋁電解技術(shù)在云南鋁業(yè)、中孚實業(yè)林豐鋁電等鋁電解廠進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用，實現(xiàn)了鋁電解大幅度節(jié)能的目標(biāo)。
(7)開發(fā)了大型鋁電解系列不停電(全電流)技術(shù)
該技術(shù)主要針對在電解槽啟動或大修時的停、開槽操作時必須系列停電，因而存在對電網(wǎng)造成沖擊、浪費電能并影響電解槽穩(wěn)定運行的重大技術(shù)難題，成功開發(fā)出鋁電解系列不停電技術(shù)，并研制成功了大型鋁電解槽不停電停、開槽成套裝置。通過低電壓大電流轉(zhuǎn)移的試驗室研究、半工業(yè)性試驗和工業(yè)規(guī)模試驗，開發(fā)了鋁電解系列全電流不停電停、開槽方法、技術(shù)與成套設(shè)備，解決了鋁電解單臺槽檢修必須系列停產(chǎn)的技術(shù)難題。該技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外50多家鋁廠70 多個系列中，產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟社會效益。
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