铝电解低电压综合节能技术实施条件与应用实例

铝电解低电压综合节能技术

实施条件与应用实例

铝电解低电压节能课题组

中国铝业郑州研究院

二 0 一 0 年六月九日

背景

气候变化引发低碳经济，节能减排是低碳经济重要组成部分。 2009 年 3 月，公司在兰州召开部分电解铝企业控亏增盈会议提出瓣开揉碎、全程对标。 2009 年 5 月，国务院发布《有色金属产业调整和振兴规划》， 12500 千瓦时已成为

电解铝新的能耗标准。从 2009 年 10 月，中铝公司接连召开了氧化铝、电解铝结构调整专题会议，确定了效益

优先、创新优先、存量优先的原则。

2010 年 1 月，熊总在《人民日报》刊发文章——《全方位推进国有企业结构调整》。明

确提出指出：工艺技术向生产过程生态化、资源能源减量化转变 2010 年 5 月国务院、各部委密集出台全面清理高耗能企业的优惠电价措施。

现状

节能减排不再是一种义务，而成为企业生存的途径

国外低电压节能技术

背景现状

Hydro 试验中心有 6 台 400kA 试验槽。我们有幸成为 Hydro 外，获准参观该试验槽首批客人。

该试验槽目前运行电压 3.8-3.9V ，电流 426kA 。阳极电流密度0.95cm2 ，直流电耗 12300kW.h/t(Al) 左右，效应系数 0.02 次 / 槽日，效应持续时间 0.5min ，是目前综合指标最优的电解槽。

低碳经济的推进，国外以高电流密度、低电压节能为主要目标

国内低电压节能技术

国内某厂 200kA 级槽运行电压情况

背景现状


国内低电压节能技术国内低电压节能技术

背景现状


低电压节能技术的要点

降低卡具、立柱压接压降

与换极操作、导杆矫直、打磨清理、车间环境相关

05

10152025303540

0 5 10 15 20

208

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20

/ mV各点卡具压降 / mV卡具压降平均值

一般有 40kW.h/t-Al 的节能空间


A B C D E F G H I

210kA 160kA 200kA 200kA 90kA 200kA 280kA 300kA 300kA

26.9 37.4 53.6 56 46.5 55.1 35.1 55.7 42.6

降低钢爪压降 (mV)

与钢爪尺寸、腐蚀相关降低炉底压降 (mV)

与材质、操作、工艺、控制系统相关

210kA 160kA 200kA 200kA 90kA 200kA 280kA 300kA 300kA

370 386.8 378.6 382.7 355.5 378.3 383.6 365.7 291.8




降低铁炭压降

78 54

与磷生铁配方、管理相关

铁碳压降差 24mV一般有 80kW.h/t-Al 的节能空间


减少阳极氧化，降低电解质压降


在电解槽阳极、阴极质量相同的假设条件下，电流分布越均匀，在相同槽

电压情况下，电解槽最小极距则越大。极距均匀，可降低极距，从而降低电解

质压降。

低电压节能技术的要点降低电解质压降

均匀极距，降低电解质压降一般有 300kW.h/t-Al 的节能空间

使用开槽阳极，有利于阳极气泡逸出按照气泡最短路经逸出，阳极开槽，可以缩短气泡逸出路径，从而降低阳极气膜压降，开槽阳极可以降低气膜压降 30-80mV。

低电压节能技术的要点降低阳极过电压阳极开槽降低阳极过电压一般有 100-150kW.h/t-Al 的节能空间

低电压节能技术的要点降低电解质压降（深度节能）提高铝液，降低电解质压降

磁场好的电解槽极距可低达 3cm以下。


90

91

92

93

94

95

96

2. 25 2. 3 2. 35 2. 4 2. 45 2. 5

分子比每降低 0.1 ，电流效率提高 1% 左右，当分子比为 2.1 左右时，电流效率

可达 95% 。但分子比的降低，电解质导电率降低。最后追求的是系统平衡。当杂

质含量高时，需考虑氧化铝溶解性能，不能引起炉底沉淀

电解质成分、电流效率


直流电耗不降低的情况下，电流效率与槽电压之间的关系（初始条件为槽电压 3.98V，电流效率 92%）

槽电压降低 43mV，其电流效率不得降低 1%，否则直流电耗反而会升高。该结果也显示在此条件下，要保持槽日产量不变，电流需强化 1%。

低电压节能技术的要点能量平衡


在散热损失不变的情况下，电流效率变化 1% ，相当于槽电压变

化 16.4mV ，电流强化 1% ，相当于槽电压变化 18mV ，两者相加

为 34mV 左右，即在此条件下，电解槽依然会走冷行程。而电解槽

电压变化 10mV ，对能量平衡的影响相对有限，因此，采用能量平

衡的方法来判断参数调整是否有效，存在不足。

电流效率快速检测技术来判断实施效果非常必要。

理论分析表明：提高铝水，可以降低极距。但是实际操作中，铝水平的提高

常常带来许多负面影响。如伸腿过长、炉膛内型畸形等使电解槽铝液中水平电流

大幅增加，电解槽铝液不仅没有稳定，反而引发其它问题。

因此，保持良好的炉膛内型将是继续降电压的关键。依据炉膛内型情况，实

施区域能量平衡调整，是确保极距有效降低的重要手段。

极距有效降低的问题


1、数据分析持续改进法

利用数据挖掘方法，评价槽电压等因素对电流效率的影响，如果槽电压与电流效率的相关性很弱，则降低槽电压可以适当降低。

低电压节能技术的要点效果判断


利用电流效率快速检测方法，快速确定当前情况下最佳极距。


2、电流效率快速检测法


3、类比法

在槽型结构相同的条件下，可以采用类比法确定槽电压。

4、尝试法（不推荐）

多数企业均采用尝试法来确定槽电压，即尝试着降低槽电压，观察出铝量、

槽温、铝水平、电解质水平等的变化。如果铝水平不降低、槽温不升高则认

为有效。

磁场：垂直磁场小于 Gs ，对于 350kA 以上的电解槽磁场小于 Gs 。

控制方面：分子比波动应小于 ±0.05；氧化铝浓度波动的标准差小于 0.5%；电解温度波动要小于 ±5℃ 。

原材物料：符合行业标准的要求

实施低电压节能技术的条件

满足上述条件的基础上，槽电压可以达到 3.9V 以下，按传统电流效率计算方法测算的直流电耗可小于 12500kW.h/t(Al) 。

磁场不同，电解槽可获得的指标不同，电流密度、槽电压密切相关，各企业应根据效益最大化原则，匹配工艺技术条件

对电解槽保温结构需按照稳定铝液的基本要求来重新设计，所以，需要 1-3万元资金，对电解槽能量平衡进行改造。

0

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40

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508

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2

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0 5 10 15 20

/ mV各点卡具压降 / mV卡具压降平均值

508# 电解槽卡具压降散点图（ Y 轴单位为 mV ）良好的换极与导杆管理下的卡具压降散点图

卡具压降平均值为 19.5mV ，可降低 13mV

节能潜力某厂 300kA 电解槽实施事例

低电压节能技术实施的事例

10111213141516171819202122

0 20 40 60 80 10010. 011. 012. 013. 014. 015. 016. 017. 018. 019. 020. 021. 022. 0

0 10 20 30 40 50 60 70

残极高度测试结果散点图标准残极高度散点图残极高度为 11cm 左右的占 3.3% ，其余 96.7% 的残极高度均在 13cm 以上；



　铝水平/cm

极距 /cm极间压降

/mV分子比过热

度 /℃电解温度

/℃

相关度 R2 0.0366 0.1524 0.228 0.4878 0.0517 0.1134

相关度排序 6 3 2 1 5 4

影响幅度 0.0144 0.7408 0.0019 -1.9768 0.0251 0.0284

极间压降和极距，但影响幅度较小，如极间压降变化 1000mV ，电流效率仅提高 1.9%；极距变化 1cm ，即相当于槽电压变化350mV ，电流效率变化 0.74% 。分子比与电流效率的关系相关性最强，且影响幅度最大。按照聚类分析的办法分析可知，出铝口铝水平在 27-29cm 左右是比较适宜的。



跟踪槽瞬时效率测试结果槽号电流效

率 /%电压 /V 电流 /kA 电解温度 /℃ 铝水平 /cm 电解质水平 /cm

138 91.76 4.030 308.6 936.0 26.0 18.0

238 93.27 3.990 308.5 931.0 29.0 18.0

308 93.50 4.033 308.6 936.2 28.0 21.0

608 92.59 4.045 308.9 937.0 28.0 21.0

508 90.09 4.015 308.9 939.0 26.0 14.0

438 88.34 4.070 308.7 957.2 27.0 11.0

平均 91.59 4.031 308.7 939.4 27.3 17.2

扣除 438、 508 后，平均电流效率92.78% 。

过程跟踪某厂 300kA 电解槽实施事例


19. 5

13. 3

1211. 4

9. 69. 1

8

10

12

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16

18

20

项目

实施

前

2月 3月 4月 5月 6月

时间

(mV)

卡具

压降

实施效果某厂 300kA 电解槽实施事例




2009年与 2008年相比阳极毛耗降低 24.2kW.h/t(Al)



2009年与 2008年相比电流效率约有升高

实施效果300kA 电解槽实施事例


2009年与 2008年相比能耗降低 232.4kW.h/t(Al)

（ 1 ）减少电能消耗产生的效益通过本项目实施，在电流效率没有受到影响的情况下，可以明显降低铝液直流电

耗。 2009年铝液直流电耗完成 12994.3kwh/t-Al ，较 2008年平均 13226.7kwh/t-Al下降了 232.4kwh/t-Al ，系列产量按 2009年实际产量 22.8万吨、电价按 0.42 元 / 度和实际整流效率 97.3％计算，全年减少电能消耗节约电费 2287万元。

（ 2 ）降低阳极毛耗产生效益通过本项目实施，铝液阳极毛耗得到明显降低。 2009年铝液阳极毛耗完成 491.5kg/t-

Al ，较 2008年平均 515.7kg/t-Al 相比降低了 24.2kg/t-Al ，全年节约阳极 4332吨，按照阳极价格 2500 元 /吨、残极价格 1200 元 /吨计算，全年节约阳极产生效益 717.2万元。

两项合计，全年直接效益 3004万元。



200kA 电解槽实施事例


2009年与 2006年相比，槽日产量增加 96kg ，增产 6.3% ，阳极毛耗降低 33kg ，铝锭综合电耗降低 762kW.h/t-Al ，低达13901kW.h/t-Al ， 2010 年 1-3 月，槽电压继续降低，综合能耗达到13717kW.h/t-Al ，但时间短，还有待进一步考察。

　 2006 2007 2008 2009 2010.1-32009-2006

电流强度 (kA) 204.27 211.65 214.65 213.99 214.22 9.714

平均槽电压 (V) 4.180 4.121 4.107 4.099 4.045 -0.081

槽日产量（吨 / 槽日） 1.517 1.585 1.613 1.613 1.619 0.096

综合电耗（ kW.h/t-Al) 14663 14096 13980 13901 13717 -762

阳极毛耗 (kg/t-Al) 517.7 493.7 480.8 484.6 484.6 -33.0

电流效率（%） 0.9220 0.9297 0.9328 0.9358 0.9383 　直流电耗（ kW.h/t-Al) 13510 13209 13118 13052 12848 　综合 -直流（ kW.h/t-

Al)1153 887 862 849 869 　

低电压节能技术实施的事例162kA 实施效

果阳极电流密度 0.77A/cm2 ，槽龄最长 2900天。

电压平衡情况　　两端进电

阳极

卡具 8.9

铝导杆 20.9

钢爪 45

阳极碳块 277.2

小计 369.4

母线合计 267.1

极　　间 2889.5

炉　底 340.3

总　计 3866.3

槽号槽电压平均值标准差

107 3.85 3.6 0.1

102 3.89 3.79 0.26

极距

槽号项目平均值

两端进电电解质 18

铝水平 23

两水平

低电压节能技术实施的事例162kA 实施效

果

平均槽电压 3.88V ，铝液直流电耗为 12366 kW.h/t(Al) 。

以下是几家低电压企业 2010年一季度的指标状况（槽电压在 4V 左右）

200kA 电解槽以连城分公司为最好 13717kW.h/tAl ，与去年同期相比节电

374kW.h/tAl ，槽日产量增加 9kg；

350kA 电解槽以兰州分公司为最好 13768kW.h/tAl ，与去年同期相比节电

463kW.h/tAl ，槽日产量增加 104kg；

兰州分公司 200kA 电解槽与去年同期相比节电 502kW.h/tAl ，槽日产量增加 7kg；

华鹭铝业 200kA 电解槽与去年同期相比节电 422kW.h/tAl ，槽日产量增加 15kg 。


观念转变是前提

科学技术是支撑

精益管理是保障

降本增效是目标

能效对标是企业获得良好指标的重要途径

结束语

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铝电解低电压综合节能技术 实施条件与应用实例

铝电解低电压综合节能技术实施条件与应用实例