摘 要 結合生產實踐，通過在供電系統和電解工藝上同時采取措施來進行節能，以此降低電解槽的能耗。
" h: K4 V8 F$ g. r! ]5 u關鍵詞預焙電解槽 電解工藝   供電系統    節能途徑
0 N, Q& e' h! a) X# {" i0 _1概述: g) @& f( g6 k+ h; Q* g, t( h6 w
電耗在噸鋁成本上一般占30％～40％，電耗主要由工藝用電和供電系統的損耗兩部分組成，供電系統的損耗一般占電耗的5％左右，工藝用電占絕大的部分。所以如果做好電解工藝的節能降耗工作，降低噸鋁直流電耗，就能有效提高經濟效益，節省電能的潛力主要是減少電解槽的熱損失量，良好的電解槽熱平衡狀態是電解槽設計者和生產技術管理者的追求目標，它是鋁電解槽實現高效、低電能消耗的技術保證，其途徑主要是降低設定電壓，降低AE系數，優化技術條件，提高電流效率等方面。但同時要求供電系統不斷提高整流效率，保證穩定供電，提高功率因數。
2 A6 ?) {1 |2 N; O; |$ P: E2工藝節電. E+ g; N3 m- g0 l3 p; E9 _
提高電流效率' g6 D! p) D3 {- u- B$ W8 |3 \
對于鋁電解生產者來說，提高電流效率、降低電耗是大家共同關心和為之奮斗的永恒課題。在電解生產中導致電流效率的下降的主要原因是鋁的二次反應，見下式。
- T/ c/ _; Y9 o3 eAl+CO2→AL2O3+CO           2 x1 n; T. s; H7 H" o; O
造成鋁損失的關鍵因素是鋁溶解度和擴散速度，影響鋁的溶解度和擴散速度的關鍵因素是電解槽的爐膛和電解溫度的過熱度，電解溫度越高，鋁的溶解量增多；過熱度即電解槽的測量溫度與初晶溫度之差，電解質的流動性變了，從而擴散速度加快。所以，采用低溫電解法來提高電流效率，利用添加劑來降低電解質的初晶溫度，從而降低電解溫度。另外低分子比電解質也可以減少鈉離子的放電機會，從而提高電流效率。
9 M  \6 d1 Q& I（1）規整的爐膛。良好的爐膛，要求爐底有一層稀沉淀，側部有規整的爐幫。在160kA電解槽上，側部槽幫不易形成的原因之一是經常為處理爐底的沉淀而提高電壓，增加熱輸入或降低鋁液，減少散熱。從這個意義上講，必須把好與熱量有關和與物料有關的技術條件，才能談及維持槽膛。
, }6 M- c  F% o% s, p# B1） 規整的爐膛內形，電流磁場分布均勻，防止側部跑電(水平電流少)。0 }- j& B% M% O6 p1 v# g& r+ u
2） 鋁水波動小，工作電壓較平穩(減少二次反應)。
& e0 s$ c% l7 O* y# [. V3） 防止陽極病態出現，如長包、掉角、掉塊等。
3 e7 n- f' J$ b- J( a/ z4） 爐底壓降低，降電耗。0 j$ h) I+ `! r3 x
5）創造較穩定的生產條件，有利于持續高效生產。" ]( T! q6 |+ E$ C5 Y: e, O
（2）低溫電解。力爭低溫生產。降低電解溫度有兩重含義，一是降低電解初晶溫度，二是降低電解質過熱度。電解質的初晶溫度與其成分是有關的。電解質中添加MgF2、LiF(或Li2C03)、AlF3都能降低初晶溫度。目前已開展這方面的試驗。但降低初晶溫度而添加的鹽類，會使AL2O3在電解質的溶解度下降。因此，在添加物濃度較高的情況應考慮減少定時加料的加料量以減少槽底沉淀。調整電解質成分，分子比2.3～2.4，氟化鎂1.2％～3％，氟化鈣2％～4％，降低電解質初晶溫度，從而降低電解溫度，保持適當的過熱度。
( R3 z: x) @4 B" F% b" m3 l電解質的過熱度一般為15～20℃。這時電解質的物理性質已能滿足電解生產的需要，無須再高，超過20℃的都要降下來。降低過熱度的前提條件是保持槽子的穩定，必須使干擾造成的電解質溫度波動小于過熱度。措施是加強保溫，減少熱收入。目前國外先進槽的過熱度已降到10℃左右。
& s5 w. f* j9 {/ W1 L適當提高鋁水平，降低陽極中心溫度，從而減少鋁的二次反應，提高電流效率。提高電流效率后必須補充能量，以保障好電解槽的熱平衡。加厚保溫料(9～1lcm)，小頭加厚14～16cm，電解槽側部涂保溫材料。盡量降低無為的功耗。
0 ~2 I0 T( t* I. s) `1 s% T2．2降低效應系數5 F$ |' {& Z* z3 S
電解槽的效應是消耗電能的一個方面，隨著電解技術的不斷發展，人們對效應的認識在轉變，效應對電解槽是有害無利的，而效應系數的降低有利于節能降耗，目前，國外的一些鋁電解企業的效應系數控制到0.01次/槽.日，還有少數企業達到無效應生產，國內企業效應系數也由原來的0.3次/槽.日降低到現在的0.1次/槽.日以下，僅此一項每年可節約大量成本，同時為了進一步做好節能降耗工作，將效應持續時間由5～6min縮短為2～3min。
+ u( F( \, `' Y5 r降低效應系數主要是從升級優化模糊控制系統、改進供（下）料系統、優化工藝技術條件等方面著手。! R6 U5 X$ r; j! X0 F
（1）改進供（下）料系統。對電解槽上部料箱和打殼下料機構進行改進，避免了因冒料、大堆料等造成的供料不足而引起的突發效應。6 }! c7 P: G" ?7 a
（2）升級優化模糊控制系統。陽極效應的發生與氧化鋁濃度有關，控制系統改進的目標是把氧化鋁濃度控制在比較低的較窄的濃度區間而又不至于發生效應的低濃度區1.5%～3.0％。原智能模糊控制系統設計，理論上在等效應時，根據效應距今時間長短逐步拉大實際加料間隔，直到效應發生，進入下一周期。由于控制算法誤差較大，對氧化鋁濃度的控制不夠精確，造成濃度效應偏多。因此為了進一步達到控制效應的目的，對效應控制算法也進行了改進。改進后，將AE等待時間從原來120～144h延長至400h，如此可以將效應系數降低到每天0.08～0.09次/槽，實踐證明改進后的控制系統大大提高了效應的可控率 。) z* w" w1 O" _2 ?
（3）合理調整工藝技術條件。合理匹配工藝技術條件，槽溫、分子比、兩水平、設定電壓優化組合可以有效地控制了陽極效應的發生。效應系數明顯降低，槽況良好，噸鋁直流電耗明顯降低。8 [* g  k) |! k( ^" J
2.3降低設定電壓
& d- B1 h! P- m電耗在噸鋁成本上占很大比率，一般占成本的30％～40％。為了研究降低噸鋁直流電耗的途徑和方法，首先要找出影響噸鋁電耗的主要因素。在電流基本穩定的情況下，電壓的高低決定電解槽熱收入多少，是電解槽能量平衡的重要因素，槽溫是一臺電解槽的各種參數是否匹配的綜合反映，只有槽溫穩定在940~950℃,電解槽才能具有好的經濟技術指標。
5 A3 y8 c4 M8 h. U( @電解槽的工作電壓與槽的電耗關系：4 z6 |. o- G. Q" Q4 I# w2 `% a
W＝V平均電壓/0.3356η                                 
5 Y8 g; T0 t% \" j; {式中 W——噸鋁平均電耗（kW.h/tAl） ) G  E; a" j% u8 @6 ~
η——電流效率（%） # T5 v% j+ L0 g& `  m
V平均電壓——單槽的平均電壓（V）% Q4 Z5 O( s* N# f9 I
噸鋁直流電耗決定于兩個因素，一是平均電壓，二是電流效率，平均電壓的降低和電流效率的提高，皆能使噸鋁電耗降低。故可以通過降低平均電壓來降低噸鋁直流電耗。
; c1 a. `; Q" T （1）降低平均電壓主要減少無效電壓。平均電壓由三個部分組成：
! q& e2 I" U# [+ e/ `V平＝V工作＋V效應＋V黑
" |+ W% ~# C: o! i) ^! {$ I& UV黑 也叫線路損耗電壓，降低黑電壓可以通過改善導體的接觸點和電解槽的絕緣性能，增加導電母線的截面積著手，但要增加對設備的投入資金，所以潛力不大。/ |1 g" e' x5 I: ?& k6 T
若電解槽使用絕緣條可取得較好的經濟效益。如某公司電解母線黑電壓為50mV，若使用絕緣條后可將黑電壓降到36mV，平均電壓降了14mV(平均電流180kA、電流效率93％，整流效率95％)、年可節約交流電量5579704kWh ,年創效益167萬元。$ D( o2 H9 r4 w( d
(2)陽極效應分攤的電壓。效應電壓是指發生效應的電壓分擔值(V效應)如果陽極的質量不過關，效應在鋁電解生產中也有一定的益處的。當電解槽發生陽極效應時，電解質對炭渣濕潤性不良，利于炭渣從電解質中分離出來，改善電解質的性質和補充熱平衡。在冰晶石-氧化鋁熔鹽電解中，陽極效應是發生在陽極上的一種特殊現象。當其發生之時，槽電壓從4.1～4.2 V左右升高到20～50V，因而能量消耗增加到5～12倍。這是影響平均電壓的一個因素。
' _. w" P* g: s; S: y陽極效應分攤的電壓按照下式來計算：
6 e4 c3 T. f9 k0 l△U效應＝k（U效應－U槽）T/1440
+ ]* ^! ^0 K. f; Y+ C$ W式中 k ——陽極效應系數，次（槽.d）-1  
0 a6 `4 m  i' o9 H6 P, E      U效應——陽極效應發生時的槽電壓，V . Y- e! m% N' N; Q
      U槽——平時的槽電壓，V ! H# X% m2 x6 ~/ t( F3 W
      T——陽極效應延續的時間，min & T+ z. Q6 d1 x4 @
如果   k=1.0次/（槽.d），U效應=30V，U槽＝4V，T＝3min1 J  m. ], e5 k. k! B
則   △U效應＝（30-4）×3/1440＝0.050(V)(即50mv)
  o4 v0 y* Q$ J. Y) Y) K+ A, B    以160kA電解槽為例，一臺電解槽發生一次陽極效應要多消耗電能548.8MJ。: Q; U2 P1 V4 m! R
    從該式看來，減小k，縮短T，或降低U效應，都可以使△U效應減低。在一二十年以前，每槽每日陽極效應次數為2～3次，現在已減少到0.05～0.1次。采取模糊自動控制下料的電解槽的效應系數大為降低。9 I! d2 u8 z; h0 q- S
（3）槽工作電壓(即表電壓)的組成是：
) I; f5 q2 X( {% B8 vV工作＝E＋V陽極＋V電解質＋V陰極＋V母線＋V接點( N# h" Y- b8 G1 B& {( I/ I% f& _
其中，陽極壓降、電解質壓降、陰極壓降都有較大的壓縮性。. S& }. f/ ]+ @5 ?7 @
1）降低陽極壓降，必須嚴格控制陽極的比電阻。因陽極的比電阻每升高10Ωmm2/m，陽極電壓降要升高50mV左右，所以提高陽極的導性能，降比電阻10Ωmm2/m，可以節省直流電耗170kwh/tAl左右。提高陽極工作質量，嚴格控制陽極工藝技術條件，以保證陽極工作正常，陽極電流分布均勻，陽極壓降低，另外，增加陽極母線片數，損壞的母線及時焊好，改善棒頭的接觸點，磨亮陽極棒表面，以及使用長度和直徑符合標準的陽極棒，杜絕使用大肚子棒、短棒、細棒，以減少陽極電阻率，降低陽極壓降。另外，不影響極距和電解槽熱平衡的情況下，降低陽極轉接電壓，縮短陽極轉接電壓的控制時間，均能降低平均電壓。
. z( V0 d  D8 z( i! w2）電解質壓降主要受電解質的導電率和極距的影響。 正常情況下，電解質中炭粒的含量為0.04％，對電解質導電率的影響不過1％。但電解質中的炭渣增多，尤其是產生的細炭粒對電解質的導電率影響大，達到0.6％時導電率大約降低10％。此外，電解質中懸浮的AL2O3顆粒也會影響電解質的導電率。采用弱酸電解質，并添加MgF2減少電解質對炭粒的濕潤性；也可以添加鋰鹽和氯化鈉，提高電解質的導電率，降低電解質壓降。另外，不影響電流效率、電解槽熱平衡，保證槽電壓不擺動的情況下，適當地縮小極距，也能降低電解質壓降。
& `# k' Q: O! d3 {8 q3）通過降低電解槽的熱損失來降低平均電壓。鋁電解中輸入的能量，除供給分解AL2O3等必需的能量以外，全部散失。前者稱理論能耗，約占全部能耗的47％，后者稱熱損失能耗，約占53％，理論能耗是必須的，所以，為了節能必須從減少熱損失著手。殼面熱損失占總熱損失的10％，約為800kWh/tAl左右。節約這部分熱損失主要是加厚殼面的保溫料，應增加到10cm左右。其表面溫度可以從150～200℃降到100℃以下，可節約直流電100～200kW.h/tAl。+ K, T& P4 [) S* y8 T" e8 |
2.4 減少電解槽的熱損失量
" P3 Y% Q6 e, w$ Q      當電流恒定時，如果降低體系電壓（亦即減少電解槽的能量收入），則為保持既定溫度下的能量平衡，必須相應地減少能量支出，這主要是減少熱量損失。提高電流效率也是這樣。當電流效率提高時，用于補償電解所需的電能增多了，為要保持電解槽的能量平衡，必須相應地提高電壓或者減少熱損失量。換言之，在降低體系電壓或提高電流效率的時候，應考慮到電解槽能量平衡所發生的變化，其中，采取減少熱損失量的辦法是最適宜的。在電流恒定的條件下，減少熱損失量是降低電壓的先決條件。: w& |2 Q8 G% o! Z
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        為要減少電解槽熱損失量，可采取下列辦法：增大槽底部和陰極棒導出部位的保溫能力，加強槽面特別是陽極炭塊上面的保溫。如圖1是槽面氧化鋁覆蓋層的厚度對于槽面熱損失量的影響曲線。