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铝电解槽稳定高效运行解决方案:铝液流态优化技术
2019-07-20 09:25:43 安装信息网

(专利号:2018220263376)

降低熔体流速有助于提高磁流体稳定性,提高熔体流速有助于改善铝电解槽能量及物料均衡性,在当前节能减排绿色发展的大背景下,铝电解科研工作者更侧重于磁流体稳定性的研究,磁场补偿技术、新型稳流保温技术、阻流阴极技术等大量研究成果应运而生,为推动我国铝电解行业技术及经济指标进步起到了积极作用,然而,这些技术由于在能量及物料均衡性方面缺少足够的优化,很多技术表现为不可持续,电解槽运行后期稳定性明显下降,因此,研发能兼顾磁流体稳定性、能量平衡、物料平衡的技术是广大科研工作者努力攻关的方向。

一、铝液流态优化技术研发意义

主导磁流体运动的主要源泉是垂直磁场与水平电流共同作用产生的电磁力,电解槽铝液层水平电磁力分布如图1所示,铝液层水平电磁力分布的特征是:Fx在槽端部较大,而在槽?#34892;?#22788;较小,Fy在槽大面处较大,而在槽?#34892;?#22788;较小,因进电侧水平电磁力大于出电侧水平电磁力,所以,如图2所示,铝液流场整体趋势呈现两个相对较大的漩涡,局部有一些小的漩涡,进电侧和出电侧的流速较大。

电解槽铝液层水平电磁力分布

图1 电解槽铝液层水平电磁力分布

电解槽铝液层水平流速分布

图2 电解槽铝液层水平流速分布

以上铝电解槽电磁力分?#25216;?#27969;动场特点在现有电解槽中具有普遍性,这种流动场特点主要存在以下问题:(1)、熔体在铝电解槽大小面区域流速较大,大小面区域电流效率较低,同?#20445;?#21152;剧了对侧部炉帮以及炉底的冲刷,严重影响电解槽寿命;(2)、熔体在铝电解槽中部区域流速较小,该区域能量及物料难以快速扩散,导致中部沉淀较多温度较高,能量及物料均衡性有待提高;(3)、角部区域热平衡难以保持,普遍存在伸腿肥大问题。

针对现有铝电解槽熔体流态存在的明显问题,铝电解科研工作者进行了大量的分析研究,磁场补偿技术、新型稳流保温技术、阻流阴极技术等研究成果应运而生,这些技术主要侧重于解决磁流体稳定性问题,而在能量及物料均衡性方面缺少足够的优化,导致电解槽中部沉淀问题以及角部区域伸腿肥大问题更加严重,电解槽运行后期稳定性明显下降。

为彻底解决现有铝电解槽存在的缺陷,我们结合铝电解槽电磁力分布、?#38109;?#28857;分布以及流动场特点,研发了铝液流态优化技术,该技术通过优化中部流速?#31181;?#21608;边流速,有效兼顾了能量平衡、物料平衡以及磁流体稳定性问题,可实现铝电解槽在低电压条件下长期平稳高效运行的目的。

二、铝液流态优化技术原理及实现方法

铝液流态优化技术的核心思想就是分区域控制铝液流速,根据铝电解槽结构特点,如图3所示,我们将电解槽内部分为A、B、C三个区域,其中,A区B区因存在熔体流速快、区域内磁场强度大等特征,因此,该区域应侧重于提升磁流体稳定性,C区中部区域是能量及物料集中区,C区角部区域是散热较大的区域,因此,C区应侧重于能量平衡及物料平衡优化。我们认为,?#31181;艫、B区域熔体流速,可提高该区域磁流体稳定性,优化调整C区域熔体流动方向及流速可提高物料及能量均衡性。

铝液流态优化分区图

图3 铝液流态优化分区图

铝液流态优化技术的具体实现方法是:如图4所示,在铝电解槽阴极表面设置电磁力隔离框,对铝液层水平电磁力实施阻隔,同时将铝电解槽边界推移至电磁力较弱的中部位置,进而改变铝液流动方向,?#31181;?#22823;小面区域铝液流速,优化调整中部区域流速,显著增强磁流体稳定性以及能量及物料均衡性,达到降低电解能耗提高槽寿命的目的,电磁力隔离框可采取对称布置、交叉布置等多种排列方式。

铝液流态优化技术隔离框布置图

图4 铝液流态优化技术隔离框布置图

(图中1、槽壳,2、侧部碳砖,3、人造伸腿,4、阴极,5、电磁力隔离框)

三、铝液流态优化技术积极有益效果

1、在线快速优化铝液流态:降低熔体流速有助于提高磁流体稳定性,提高熔体流速有助于改善铝电解槽能量及物料均衡性,结合现有铝电解槽特点,在综合考虑磁流体稳定性、能量平衡、物料平衡等多方面因素的基础上,提出了分区控制铝液流速的解决方案,最大限度?#31181;?#22823;小面区域流速,优化调整中部区域流速,实现铝电解槽长期平稳高效运行的目的,同?#20445;?#22240;电磁力隔离框能有效阻隔电磁力,这相当于从源头削弱了引起铝液流动的电磁力,与单纯的阻流槽相比,其在降低铝液流速减少阴极电解质-铝液稳态界面变形等方面效果更好。

2、提高磁流体稳定性:冯乃祥新型阴极结构槽的实验中已经证实,铝液的流速被降低,其对重力波的强化就会削弱,铝液的波动就会减少,从而大大增强了磁流体稳定性,为进一步?#39038;?#26497;距降低电压创造条件。

3、提高电流效率:由于阴极电流密度和湍动能耗散率的区域性差异,大小面区域的电流效率明显低于阳极下方区域,铝液流态优化技术能最大限度?#31181;?#22823;小面区域铝液流速,可有效降低该区域湍动能耗散率,提高该区域电流效率,进而提高全槽平均电流效率。

4、延长槽寿命:电解槽内衬破损是影响槽寿命的关键因素,主要包括侧?#31185;?#25439;及底部阴极碳块破损等?#38382;劍?#38477;低铝液流速尤其是周边流速可有效减少侧?#31185;?#25439;以及阴极碳块磨损,起到延长槽寿命的作用。

5、改善能量及物料均衡性:铝电解槽中部区域是能量及物料集中的区域,铝电解槽角部区域是散热较大的区域,通过调整电磁力隔离框的斜度,可优化调整中部区域流动方向及流速,实现将中部物料快速扩散到槽内各区域,防止中部沉淀的积累,同?#20445;?#23558;中部高温熔体的能量快速传递?#20004;?#37096;区域,防止出现角?#21487;?#33151;肥大的问题,进一步减少温度梯度,提高能量均衡性。

6、实现低过热度稳定高效运行:低过热度运行的最大制约因素就在于角部热平衡难以保持,铝液流态优化技术可快速将中部高温熔体热量传递?#20004;?#37096;区域,进一步减少铝电解槽内温度梯度,可实现在更低过热度条件下的稳定高效运行。

7、开创高龄槽节能及异常槽治理新模式:高龄槽与异常槽均存在电流分布偏离理想状态、炉膛不规整等问题,导致铝液流动场紊乱,必须保持高电压高铝水平的高能耗运行状态,铝液流态优化技术可快速提高磁流体稳定性,改善能量及物料均衡性,在高龄槽节能及异常槽治理方面效果显著,可大幅降低高龄槽及异常槽能耗,确保铝电解槽在整个生命周期均保持稳定高效的运行状态。

8、降低生产成本:铝液流态优化技术因其具有提高磁流体稳定性、减少炉底沉淀及炉底压降、减少铝电解槽内温度梯度等多种效果,可实现在低过热度低电压条件下高效运行,实现吨铝节能500KWh以上,同时延长槽寿命方面效果明显,综合测算可实现吨铝成本降低200元以上,对年产80万吨的电解铝厂而言,一年可降低生产成本1.6亿元,按我国2018年电解铝产能3600万吨测算,在全国推广应用此技术可实现节能180亿KWh/年,创造效益72亿元/年。

9、减少CO2排放,实现绿色发展:根据吨铝节能量测算,吨铝可减排当量CO2约500公斤,对年产80万吨的电解铝厂而言,一年可实现减排当量CO2约40万吨,约可产生1200万元/年的碳交易额,在全国推广应用此技术可实现减排当量CO2约1800万吨,可产生5.4亿元/年的碳交易额。

四、铝液流态优化技术相关问题解答

1、铝液流态优化技术投入大吗?

铝液流态优化技术具备投资省、投资回收快的特点,单槽投资成本不足异型阴极的1/10。

2、电磁力隔离框在槽内会漂移吗?

因电磁力隔离框密度及重量大,其在阴极表面附着力是普通阻流块的4倍以上,可有效避免出?#25351;?#21160;漂移现象。

3、电磁力隔离框在槽内寿命长吗?

电磁力隔离框采用的材?#31034;?#26377;不污染铝液、耐冲刷、热稳定好、耐电解?#26159;质?#31561;特点,其在槽内寿命通过调整与槽寿命周期相匹配。

4、电磁力隔离框投放方式简单吗?

电磁力隔离框利用电解槽换极时机采用专用吊具进行投放,投放方式简单,吊运至投放完成时间不超过5分钟,换极人员就可完成投放,无需专?#25490;?#32622;其他人员。

5、铝液流态优化技术会增加工人劳动强度吗?

铝液流态优化技术不会增加工人劳动强度,对于400KA电解槽而言,单槽仅需在6-8组阳极下投放电磁力隔离框,在更换电磁力隔离框位置的阳极?#20445;?#20165;需要求捞块及处理沉淀时不人为大力?#19981;?#30005;磁力隔离框即可,可考虑在更换电磁力隔离框位置的阳极时对捞块及处理沉淀人员进行操作质量工资补贴,?#35789;?#25353;照每槽次补贴50元的标准也不会增加太多成本,反而能进一步提高工人在更换此类阳极的积极性。对于角?#21487;?#33151;肥大的电解槽,采用此技术还可明显降低工人劳动强度。

6、铝液流态优化会导致电解槽出现不稳定吗?

通过异型阴极多年的实验应用表明,在不影响能量平衡及物料平衡的条件下,该技术只会增加铝电解槽运行稳定性,同?#20445;?#30001;于本技术充分考虑了能量及物料平衡问题,因此,可实现在低电压条件下长期平稳高效运行。

7、铝液流态优化与阻流技术有?#21592;?#20248;势吗?

铝液流态优化侧重于通过电磁力阻隔来降低流速,通过调整边界来改变铝液流向及中部流速,该技术兼顾了磁流体稳定性、能量平衡、物料平衡等多方面因素,不会出现电解槽运行后期稳定性下降的问题,因此该技术具有明显的比较优势。

8、铝液流态优化为什么能提高磁流体稳定性?

铝液是不可?#39038;?#27969;体,铝液在不流动的情况下,电磁力不会引起铝液界面变形与波动,因此,铝液界面变形与波动与铝液流动相关,并随着流速增大而增大,?#31181;?#27969;速就能减少波动与变形,同?#20445;?#20943;少对阳极气体溢出产生的重力波的强化,提高磁流体稳定性。

9、铝液流态优化为什么能改善铝电解槽能量及物料平衡?

铝液的流动方向受铝电解槽边界约束,并在铝电解槽边界处有较大的流速,调整边界位置就能改变铝液流向及最大流速的位置,将铝电解槽进电侧及出电侧边界位置向电磁力较弱的槽中线位置移动,进而改变进电侧与出电侧水平电磁力的差值,优化调整中部区域铝液流动方向及流速,改善铝电解槽能量平衡及物料平衡,实现铝电解槽长期稳定高效运行。

五、结论

通过改变阴极结构就可实现磁流体稳定性与能量平衡及物料平衡同步优化,铝液流态优化开创了铝液流动场自由优化设计的新模式,开创了能量平衡及物料平衡在线优化的新思路,电解铝厂可根据各自电解槽的磁场及流动场分布特征,设?#39057;?#25972;电磁力隔离框的布置方式,进而优化铝液流态,让电解铝系列设计缺陷难以改变的?#32431;?#25104;为历史,在全国推广应用此技术可实现节能180亿KWh/年,创造效益72亿元/年, 实现减排当量CO2约1800万吨,可产生5.4亿元/年的碳交易额。

 

供稿:河南新锐明节能科技有限公司

联系方式:张先生(18530076333)、欧先生(18538706911)

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