综述铝电解槽降低电耗的措施

魏记涛

新疆神火煤电有限公司 831799

摘要：众所周知，工业铝电解槽的电能消耗与槽电压和电流效率两个方面因素有关，通过降低槽电压，提高电流效率可达到降低电耗的目的。本文结合实例，根据铝电解生产实际工艺技术条件及操作内容，提出了降低电解槽平均电压的一些措施和方法，通过该类措施的执行可有效降低电解槽生产电耗，并可取得一定的经济效益。

关键词：铝电解槽：降低电耗：措施

前言

近年来，伴随着我国工业化进程的不断加大和地方经济的不断发展，能源供应日益紧张。因此节能降耗工作已成为各电解铝企业当前和今后的首要工作。 在电解铝企业的每项能耗中，铝电解生产消耗电力占总能耗的99%左右，因此节电重点在电解工艺节电上。工业铝电解槽的电能消耗，同平均电压和电流效率两个因素有关，如式(1)： W=2.98*平均电压*1000/电流效率(1) 本文将从如何降低电解槽平均电压进行讨论，从而实现电解生产过程中的节能降耗，提高经济效益。 1电解槽平均电压的组成 平均电压是指槽电压与槽电压量程以外的导线中的电压降，以及由于系列中发生效应而分摊到每台电解槽的电压(即效应分摊电压)，实际就是每台电解槽本身的电压与分摊的电压之和。因此，电解槽平均电压可划分为两部分：①能量平衡计算体系内的电压降；②能量平衡计算体系以外的电压降，具体由反电势(E_反)、电解质电压降、阳极电压降、阴极电压降、降效应分摊电压和导电母线电压6部分组成。一般情况下导电母线的电压降受其材质影响不会发生较大的变化，因此将主要针对前5个组成部分进行进行讨论。

1.1反电势

1.1反电势(E_反)=E₁-E₂+E₃+E₄=2.233-1.026+0+0.5=1.7V (2) 式中：E₁-用热力学计算的氧化铝分解电压(惰性阳极上的)，V： E₂-碳与阳极反应而致的去极化电压(生成CO₂)，V； E₃-浓差过电压(邻近阳极效应时才明显)，V； E₄-氧碳反应过电压、气膜电阻型过电压和势垒过电压之总和。在正常的Al₂O₃；浓度(4~6%)之下，反电势约占电解槽平均电压的40%左右。 1.2电解质、阳极及阴极电压降

电解质电压降同极距、电流密度、电解质本身的电阻率、阳极浸入电解液的深度等若干因素有关。电解槽的电压平衡指出，电解质电压降占平均电压降的35~40%，即为1.5~1.7V。 根据实践经验，当电解槽的阳极电流密度一定，阳极焙烧温度一定，并且阳极炭块的质量稳定，阳极炭块与阳极导杆的结合部分结合紧密的情况下，电解槽的阳极电压降也基本上是个定数^[2]。 铝电解槽的槽底电压降^[3](即阴极电压降)是指槽内铝液至阴极钢棒之间的电压降，一般为0.3V。这包括铝液-炭块(阴极)、炭块本身、炭块阴极钢棒以及阴极钢棒本身的电压降。

1.3效应分摊电压 电解质在冰晶石-氧化铝融盐电解中，阳极效应是发生在阳极上的一种特殊现象，发生阳极效应时电解槽能量消耗剧增，是影响平均电压的一个因素。 2降低电解槽平均电压的措施 通过电解槽平均电压的组成可知，反电势、电解质电压降各占到了平均电压的40%左右，其他四项之和只占到了平均电压的20%^[4]，因此降低平均电压应要从反电势及电解质电压降着手。 2.1降低反电势的措施 反电势=理论可逆分解电压+阳极过电压+阴极过电压 (3)其中，阳极过电压最大，要降低反电势，主要降低阳极的过压降。通过添加碱金属、卤化物(如Ca F₂、CaCO ₃、MgF₂) ，以及AlF₃，保持恒定的Al₂O₃浓度可以减少阳极过电压。具体措施如下： (1)日常管理中减少打壳下料系统的故障率。要求电解槽检修人员定期检查打壳下料系统的风管、电磁阀、密封圈等，减少打壳下料风管堵塞现象，保证正常下料。 (2)缩短下料间隔，增加下料次数。电解槽一次下料量过多，就会延长氧化铝的溶解时间，形成结壳，导致电解槽内氧化铝浓度不均匀。增加打壳下料点数，缩短下料间隔，可以有效降低氧化铝溶解时间，保持稳定的Al₂O₃浓度。 (3)精确电解质水平和铝水平的测量方法。在推算电解槽下料间隔的过程中，电解质水平和铝水平起到了关键的作用，而一般的两水平测量方法只是将探钩插入电解槽内，进行简单的测量，容易产生误差，从而影响电解槽的控制。因此采用上测法，即制作统一的测量框架，控钩以测量框架为基准进行测量，可以做到测量数据的有效性和可比性。 2.2降低电解质压降的措施 电解质压降主要受电解质的导电率和极距的影响。正常情况下，电解质中炭粒的含量为0.04%，对电解质导电率的影响不过1%。但电解质中的碳渣增多，尤其是二次反应产庄的细炭粒对电解质的导电率影响大，达到0.6%时导电率大约降低10%。此外，电解质中悬浮的Al

₂O₃颗粒也会影响电解质的导电率。具体措施为： （1）采用弱酸电解质(分子比为2.2-2.4)。减少电解质对炭粒的湿润性；也可以添加锂盐和氯化钠。氯化钠本身具有良好的导电性，故添加少量NaCl(约4%) 可提高冰晶石-氧化铝熔液的导电性， 降低电解质压降。 （2）适量添加氟化镁。氟化镁本来会稍微降低电解质的电导率，但是，在工业电解质里它能够增大电解质对炭粒的表面张力，对炭粒湿润不良，从而使炭粒漂浮起来，这就间接的提高电解质的导电性。此外，添加氟化镁还能降低电解质的熔点并减少铝在电解质里的溶解损失，因此有助于提高电流效率并节省电能。 (3)加强操作管理。在日常操作时，要求电解工人勤捞电解质中的炭渣，以减少槽中炭渣量，提高导电率，减小电解质压降。 2.3降低电解槽平均电压的其他措施 2.3.1减少阳极压降的措施 (1)使用焙烧，组装合格的阳极组块。 (2)上卡具前，尽可能刷干净导杆与阳极母线压接处，并拧紧卡具， 防止卡具压降偏高。 (3)尽可能减小钢-炭压降，加足极上保温料，用Al₂O₃，覆盖住钢爪-炭块的接触部位上，可以提高Fe-C接解点的温度，有效地减少Fe-C压降。极上保温料厚18cm左右较为合适，这可以减少电解槽散热量。 2.3.2减少阴极电压降的措施 降低阴极电压降主要是控制槽底沉淀和结壳的形成。保持稳定的技术条件，使电解槽在自适应状态下建立槽底热平衡，提高阴极部分的导电率，在实际生产中要降低阴极电压降，必须从阴极材料中选择、电解槽的砌筑、电解槽的日常管理等方面着手，要求做到： (1)选用导电性能良好的阴极碳块，降低阴极电压降。 （2）选用半石墨化或石墨化的阴极炭块，可以有效地降低阴极电压降。 （3)在正常生产中，稳定适宜的技术条件是保持炉底压降最低，保持炉底干净，使其不产生沉淀或结壳以降低炉底压降的最好措施。 2.3.3降低效应分摊电压的措施 目前电解铝行业，普遍在推行低效应系数生产甚至无效应系数生产，该方法可明显降低平均电压。某公司180kA电解一系列有生产槽隔260台， 原月平均效应系数为0.5次/槽·d， 效应持续时间为5~6min， 2018则年推行低效应系数生产技术后，月平均效应系数降低为0.01次/槽·d以下，效应持续时间降低小于3min；效应电压为25V，每月减少电能消耗为[180kAx25Vx(5-3) min) /60h] x[260台x30dx(05-0.01) 次/槽·]=57.33万kW·h 由此可见，通过降低电解槽效应系数和缩短效应持续时间降低生产电耗潜力是巨大的。 3结束语 总而言之，铝电解生产是一个十分复杂又相互关联的生产过程，从某一单方面入手开展节能降耗工作是不能取得良好的效果的。因此，就需要从日常生产管理过程中的每个环节、多方面入手，以加强日常操作质量，保持电解槽平稳为前提，确定稳定的分子比，保持规整的炉膛内型，通过尽可能的减小阳极压降，阴极压降，反电势，电解质压降，以及降低效应系数等措施的综合应用才能使节能降耗工作产生明显的经济效益。 参考文献 [1]周维国等.现代大型预焙糟技术[M].沈阳：东北大学出版社，1995. [2]刘正.铝电解槽电压平衡测试与分析[J].有色金属设计，2010(1). [3]田应甫，编著.大型预焙铝电解槽生产实践[M.湖南：中南工业大学出版社，2003.3. [4]霍庆发，编著.电解铝工业技术与装备[M沈阳：辽海出版社，2002.

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