鋁電解槽穩(wěn)定高效運(yùn)行解決方案：鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)
（專利號(hào)：2018220263376）
降低熔體流速有助于提高磁流體穩(wěn)定性，提高熔體流速有助于改善鋁電解槽能量及物料均衡性，在當(dāng)前節(jié)能減排綠色發(fā)展的大背景下，鋁電解科研工作者更側(cè)重于磁流體穩(wěn)定性的研究，磁場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)、新型穩(wěn)流保溫技術(shù)、阻流陰極技術(shù)等大量研究成果應(yīng)運(yùn)而生，為推動(dòng)我國鋁電解行業(yè)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)步起到了積極作用，然而，這些技術(shù)由于在能量及物料均衡性方面缺少足夠的優(yōu)化，很多技術(shù)表現(xiàn)為不可持續(xù)，電解槽運(yùn)行后期穩(wěn)定性明顯下降，因此，研發(fā)能兼顧磁流體穩(wěn)定性、能量平衡、物料平衡的技術(shù)是廣大科研工作者努力攻關(guān)的方向。
一、鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)研發(fā)意義
主導(dǎo)磁流體運(yùn)動(dòng)的主要源泉是垂直磁場(chǎng)與水平電流共同作用產(chǎn)生的電磁力，電解槽鋁液層水平電磁力分布如圖1所示，鋁液層水平電磁力分布的特征是：Fx在槽端部較大，而在槽中心處較小，F(xiàn)y在槽大面處較大，而在槽中心處較小，因進(jìn)電側(cè)水平電磁力大于出電側(cè)水平電磁力，所以，如圖2所示，鋁液流場(chǎng)整體趨勢(shì)呈現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)較大的漩渦，局部有一些小的漩渦，進(jìn)電側(cè)和出電側(cè)的流速較大。
圖1 電解槽鋁液層水平電磁力分布
圖2 電解槽鋁液層水平流速分布
以上鋁電解槽電磁力分布及流動(dòng)場(chǎng)特點(diǎn)在現(xiàn)有電解槽中具有普遍性，這種流動(dòng)場(chǎng)特點(diǎn)主要存在以下問題：(1)、熔體在鋁電解槽大小面區(qū)域流速較大，大小面區(qū)域電流效率較低，同時(shí)，加劇了對(duì)側(cè)部爐幫以及爐底的沖刷，嚴(yán)重影響電解槽壽命；(2)、熔體在鋁電解槽中部區(qū)域流速較小，該區(qū)域能量及物料難以快速擴(kuò)散，導(dǎo)致中部沉淀較多溫度較高，能量及物料均衡性有待提高；(3)、角部區(qū)域熱平衡難以保持，普遍存在伸腿肥大問題。
針對(duì)現(xiàn)有鋁電解槽熔體流態(tài)存在的明顯問題，鋁電解科研工作者進(jìn)行了大量的分析研究，磁場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)、新型穩(wěn)流保溫技術(shù)、阻流陰極技術(shù)等研究成果應(yīng)運(yùn)而生，這些技術(shù)主要側(cè)重于解決磁流體穩(wěn)定性問題，而在能量及物料均衡性方面缺少足夠的優(yōu)化，導(dǎo)致電解槽中部沉淀問題以及角部區(qū)域伸腿肥大問題更加嚴(yán)重，電解槽運(yùn)行后期穩(wěn)定性明顯下降。
為徹底解決現(xiàn)有鋁電解槽存在的缺陷，我們結(jié)合鋁電解槽電磁力分布、下料點(diǎn)分布以及流動(dòng)場(chǎng)特點(diǎn)，研發(fā)了鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)通過優(yōu)化中部流速抑制周邊流速，有效兼顧了能量平衡、物料平衡以及磁流體穩(wěn)定性問題，可實(shí)現(xiàn)鋁電解槽在低電壓條件下長期平穩(wěn)高效運(yùn)行的目的。
二、鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法
鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)的核心思想就是分區(qū)域控制鋁液流速，根據(jù)鋁電解槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖3所示，我們將電解槽內(nèi)部分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，其中，A區(qū)B區(qū)因存在熔體流速快、區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度大等特征，因此，該區(qū)域應(yīng)側(cè)重于提升磁流體穩(wěn)定性，C區(qū)中部區(qū)域是能量及物料集中區(qū)，C區(qū)角部區(qū)域是散熱較大的區(qū)域，因此，C區(qū)應(yīng)側(cè)重于能量平衡及物料平衡優(yōu)化。我們認(rèn)為，抑制A、B區(qū)域熔體流速，可提高該區(qū)域磁流體穩(wěn)定性，優(yōu)化調(diào)整C區(qū)域熔體流動(dòng)方向及流速可提高物料及能量均衡性。
圖3 鋁液流態(tài)優(yōu)化分區(qū)圖
鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法是：如圖4所示，在鋁電解槽陰極表面設(shè)置電磁力隔離框，對(duì)鋁液層水平電磁力實(shí)施阻隔，同時(shí)將鋁電解槽邊界推移至電磁力較弱的中部位置，進(jìn)而改變鋁液流動(dòng)方向，抑制大小面區(qū)域鋁液流速，優(yōu)化調(diào)整中部區(qū)域流速，顯著增強(qiáng)磁流體穩(wěn)定性以及能量及物料均衡性，達(dá)到降低電解能耗提高槽壽命的目的，電磁力隔離框可采取對(duì)稱布置、交叉布置等多種排列方式。
圖4 鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)隔離框布置圖
（圖中1、槽殼，2、側(cè)部碳磚，3、人造伸腿，4、陰極，5、電磁力隔離框）
三、鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)積極有益效果
1、在線快速優(yōu)化鋁液流態(tài)：降低熔體流速有助于提高磁流體穩(wěn)定性，提高熔體流速有助于改善鋁電解槽能量及物料均衡性，結(jié)合現(xiàn)有鋁電解槽特點(diǎn)，在綜合考慮磁流體穩(wěn)定性、能量平衡、物料平衡等多方面因素的基礎(chǔ)上，提出了分區(qū)控制鋁液流速的解決方案，最大限度抑制大小面區(qū)域流速，優(yōu)化調(diào)整中部區(qū)域流速，實(shí)現(xiàn)鋁電解槽長期平穩(wěn)高效運(yùn)行的目的，同時(shí)，因電磁力隔離框能有效阻隔電磁力，這相當(dāng)于從源頭削弱了引起鋁液流動(dòng)的電磁力，與單純的阻流槽相比，其在降低鋁液流速減少陰極電解質(zhì)-鋁液穩(wěn)態(tài)界面變形等方面效果更好。
2、提高磁流體穩(wěn)定性：馮乃祥新型陰極結(jié)構(gòu)槽的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)，鋁液的流速被降低，其對(duì)重力波的強(qiáng)化就會(huì)削弱，鋁液的波動(dòng)就會(huì)減少，從而大大增強(qiáng)了磁流體穩(wěn)定性，為進(jìn)一步壓縮極距降低電壓創(chuàng)造條件。
3、提高電流效率：由于陰極電流密度和湍動(dòng)能耗散率的區(qū)域性差異，大小面區(qū)域的電流效率明顯低于陽極下方區(qū)域，鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)能最大限度抑制大小面區(qū)域鋁液流速，可有效降低該區(qū)域湍動(dòng)能耗散率，提高該區(qū)域電流效率，進(jìn)而提高全槽平均電流效率。
4、延長槽壽命：電解槽內(nèi)襯破損是影響槽壽命的關(guān)鍵因素，主要包括側(cè)部破損及底部陰極碳?jí)K破損等形式，降低鋁液流速尤其是周邊流速可有效減少側(cè)部破損以及陰極碳?jí)K磨損，起到延長槽壽命的作用。
5、改善能量及物料均衡性：鋁電解槽中部區(qū)域是能量及物料集中的區(qū)域，鋁電解槽角部區(qū)域是散熱較大的區(qū)域，通過調(diào)整電磁力隔離框的斜度，可優(yōu)化調(diào)整中部區(qū)域流動(dòng)方向及流速，實(shí)現(xiàn)將中部物料快速擴(kuò)散到槽內(nèi)各區(qū)域，防止中部沉淀的積累，同時(shí)，將中部高溫熔體的能量快速傳遞至角部區(qū)域，防止出現(xiàn)角部伸腿肥大的問題，進(jìn)一步減少溫度梯度，提高能量均衡性。
6、實(shí)現(xiàn)低過熱度穩(wěn)定高效運(yùn)行：低過熱度運(yùn)行的最大制約因素就在于角部熱平衡難以保持，鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)可快速將中部高溫熔體熱量傳遞至角部區(qū)域，進(jìn)一步減少鋁電解槽內(nèi)溫度梯度，可實(shí)現(xiàn)在更低過熱度條件下的穩(wěn)定高效運(yùn)行。
7、開創(chuàng)高齡槽節(jié)能及異常槽治理新模式：高齡槽與異常槽均存在電流分布偏離理想狀態(tài)、爐膛不規(guī)整等問題，導(dǎo)致鋁液流動(dòng)場(chǎng)紊亂，必須保持高電壓高鋁水平的高能耗運(yùn)行狀態(tài)，鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)可快速提高磁流體穩(wěn)定性，改善能量及物料均衡性，在高齡槽節(jié)能及異常槽治理方面效果顯著，可大幅降低高齡槽及異常槽能耗，確保鋁電解槽在整個(gè)生命周期均保持穩(wěn)定高效的運(yùn)行狀態(tài)。
8、降低生產(chǎn)成本：鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)因其具有提高磁流體穩(wěn)定性、減少爐底沉淀及爐底壓降、減少鋁電解槽內(nèi)溫度梯度等多種效果，可實(shí)現(xiàn)在低過熱度低電壓條件下高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)噸鋁節(jié)能500KWh以上，同時(shí)延長槽壽命方面效果明顯，綜合測(cè)算可實(shí)現(xiàn)噸鋁成本降低200元以上，對(duì)年產(chǎn)80萬噸的電解鋁廠而言，一年可降低生產(chǎn)成本1.6億元，按我國2018年電解鋁產(chǎn)能3600萬噸測(cè)算，在全國推廣應(yīng)用此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能180億KWh/年，創(chuàng)造效益72億元/年。
9、減少CO2排放，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展：根據(jù)噸鋁節(jié)能量測(cè)算，噸鋁可減排當(dāng)量CO2約500公斤，對(duì)年產(chǎn)80萬噸的電解鋁廠而言，一年可實(shí)現(xiàn)減排當(dāng)量CO2約40萬噸，約可產(chǎn)生1200萬元/年的碳交易額，在全國推廣應(yīng)用此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)減排當(dāng)量CO2約1800萬噸，可產(chǎn)生5.4億元/年的碳交易額。
四、鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)相關(guān)問題解答
1、鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)投入大嗎？
鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)具備投資省、投資回收快的特點(diǎn)，單槽投資成本不足異型陰極的1/10。
2、電磁力隔離框在槽內(nèi)會(huì)漂移嗎？
因電磁力隔離框密度及重量大，其在陰極表面附著力是普通阻流塊的4倍以上，可有效避免出現(xiàn)浮動(dòng)漂移現(xiàn)象。
3、電磁力隔離框在槽內(nèi)壽命長嗎？
電磁力隔離框采用的材質(zhì)具有不污染鋁液、耐沖刷、熱穩(wěn)定好、耐電解質(zhì)侵蝕等特點(diǎn)，其在槽內(nèi)壽命通過調(diào)整與槽壽命周期相匹配。
4、電磁力隔離框投放方式簡單嗎？
電磁力隔離框利用電解槽換極時(shí)機(jī)采用專用吊具進(jìn)行投放，投放方式簡單，吊運(yùn)至投放完成時(shí)間不超過5分鐘，換極人員就可完成投放，無需專門配置其他人員。
5、鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)會(huì)增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度嗎?
鋁液流態(tài)優(yōu)化技術(shù)不會(huì)增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于400KA電解槽而言，單槽僅需在6-8組陽極下投放電磁力隔離框，在更換電磁力隔離框位置的陽極時(shí)，僅需要求撈塊及處理沉淀時(shí)不人為大力撞擊電磁力隔離框即可，可考慮在更換電磁力隔離框位置的陽極時(shí)對(duì)撈塊及處理沉淀人員進(jìn)行操作質(zhì)量工資補(bǔ)貼，即使按照每槽次補(bǔ)貼50元的標(biāo)準(zhǔn)也不會(huì)增加太多成本，反而能進(jìn)一步提高工人在更換此類陽極的積極性。對(duì)于角部伸腿肥大的電解槽，采用此技術(shù)還可明顯降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
6、鋁液流態(tài)優(yōu)化會(huì)導(dǎo)致電解槽出現(xiàn)不穩(wěn)定嗎?
通過異型陰極多年的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，在不影響能量平衡及物料平衡的條件下，該技術(shù)只會(huì)增加鋁電解槽運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)，由于本技術(shù)充分考慮了能量及物料平衡問題，因此，可實(shí)現(xiàn)在低電壓條件下長期平穩(wěn)高效運(yùn)行。
7、鋁液流態(tài)優(yōu)化與阻流技術(shù)有對(duì)比優(yōu)勢(shì)嗎?
鋁液流態(tài)優(yōu)化側(cè)重于通過電磁力阻隔來降低流速，通過調(diào)整邊界來改變鋁液流向及中部流速，該技術(shù)兼顧了磁流體穩(wěn)定性、能量平衡、物料平衡等多方面因素，不會(huì)出現(xiàn)電解槽運(yùn)行后期穩(wěn)定性下降的問題，因此該技術(shù)具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)。
8、鋁液流態(tài)優(yōu)化為什么能提高磁流體穩(wěn)定性?
鋁液是不可壓縮流體，鋁液在不流動(dòng)的情況下，電磁力不會(huì)引起鋁液界面變形與波動(dòng)，因此，鋁液界面變形與波動(dòng)與鋁液流動(dòng)相關(guān)，并隨著流速增大而增大，抑制流速就能減少波動(dòng)與變形，同時(shí)，減少對(duì)陽極氣體溢出產(chǎn)生的重力波的強(qiáng)化，提高磁流體穩(wěn)定性。
9、鋁液流態(tài)優(yōu)化為什么能改善鋁電解槽能量及物料平衡?
鋁液的流動(dòng)方向受鋁電解槽邊界約束，并在鋁電解槽邊界處有較大的流速，調(diào)整邊界位置就能改變鋁液流向及最大流速的位置，將鋁電解槽進(jìn)電側(cè)及出電側(cè)邊界位置向電磁力較弱的槽中線位置移動(dòng)，進(jìn)而改變進(jìn)電側(cè)與出電側(cè)水平電磁力的差值，優(yōu)化調(diào)整中部區(qū)域鋁液流動(dòng)方向及流速，改善鋁電解槽能量平衡及物料平衡，實(shí)現(xiàn)鋁電解槽長期穩(wěn)定高效運(yùn)行。
五、結(jié)論
通過改變陰極結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)磁流體穩(wěn)定性與能量平衡及物料平衡同步優(yōu)化，鋁液流態(tài)優(yōu)化開創(chuàng)了鋁液流動(dòng)場(chǎng)自由優(yōu)化設(shè)計(jì)的新模式，開創(chuàng)了能量平衡及物料平衡在線優(yōu)化的新思路，電解鋁廠可根據(jù)各自電解槽的磁場(chǎng)及流動(dòng)場(chǎng)分布特征，設(shè)計(jì)調(diào)整電磁力隔離框的布置方式，進(jìn)而優(yōu)化鋁液流態(tài)，讓電解鋁系列設(shè)計(jì)缺陷難以改變的狀況成為歷史，在全國推廣應(yīng)用此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能180億KWh/年，創(chuàng)造效益72億元/年, 實(shí)現(xiàn)減排當(dāng)量CO2約1800萬噸，可產(chǎn)生5.4億元/年的碳交易額。
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