铝电解技术决策定位

焦作万方铝业股份有限公司 王绍鹏

 

摘要：本文从电解系列的关键绩效指标出发，研究了电解槽电压、槽日产量、吨铝电耗以及电流强度之间的关系，进行能量优化研究，提出了最经济决策定位模型。对于在产系列因企业电价环境不同分析了能量优化策略的异同，对于新建系列电解槽容量选型提出了大胆假设。

关键词：技术决策、电压、电耗、产量、效益、能量优化、槽容量、临界极距、极限极距

从上世纪80年代到本世纪初，国际上大部份铝电解槽均采用0.85A/cm2的阳极电流密度，而槽电压均设定在4.18-4.26V之间，而我国160KA以上的电解槽，阳极电流密度大多在0.72 A/cm2左右，可是也长期将槽电压设定在4.18-4.26V之间，致使我国的大部分电解槽在过高的极距条件下运行，错失了提产降耗的良机。焦作万方280KA示范工程在2000年投产之后，根据我国阳极电流密度0.72 A/cm2的条件与国外0.85 A/cm2进行了对比，实践表明极距过高，从理论与实践分析认为电压设定值不应照搬国外的4.18-4.26V的电压值，因此，逐渐将槽电压设定在4.07V以下，近十年来万方280KA电解槽一直探索走低电压的技术条件，现在，不仅电流上升到300KA以上，而且槽电压也从两年前的4.03V进一步降低到今天的3.9V。

多年的实践经验表明，电解系列生产控制对于企业铝电解厂而言至关重要，面对能源价格的上涨及地域差别，面对产量提升和节能减排的需求，科学的铝电解厂技术管理与决策模式呼之欲出。

1．铝电解厂的关键绩效指标（KPI）

作为原材料产品生产厂、电解厂的主要客户声音来源于股东与社会。股东主要关注盈利能力，社会责任则要求节能减排。电解系列真正的最终目标是：低消耗、高产量。各项消耗指标中以电耗为代表（碳耗、氟盐消耗一般与电耗呈较强的相关性），产量则关注槽日产量，另一个指标则是槽内衬寿命，因为它既影响大修费用和启动用电，也影响有害废弃物的产生量，所以铝电解系列的关键绩效指标（KPI）是：吨铝电耗，槽日产量，槽寿命。

对于既定槽型，电流、电压和电流效率决定了电解槽的电耗和产量指标。这儿要强调的是：

1、电流强度是首要的技术条件，绝不应局限于原设计而不可变化；

2、电流效率是一个重要的中间技术经济指标，但不应孤立存在，并非越高越好；

3、槽寿命是一个长期指标，除了设计、筑炉与焙烧启动之外，取决于正常生产控制稳定性，反映稳定性情况一般选用电解质温度的波动性作为评价指标。

2.效益优先的技术决策定位

2.1技术定位可以计算与优化

由于我国能源相对紧缺，价格持续走高，所以无论从行业要求还是企业自身需求出发，都要求更低能源消耗流水平，低电压、低电耗技术路线作为我国铝电解行业的共识。但是，依然存在一个最优化问题，尤其针对我国地区电价差别较大状况，更有必要。简而言之，我们希望低电耗、高产量，对既定槽型需要考虑三个参数：电压、电流效率、电流强度。如果充分掌握了电解槽的特性，测出了极距——电效关系曲线，那么一切可以计算与优化。

电压与产量/电效、电耗的关系示意图，如图所示：

 

图表 1电耗、产量——电压关系图

 

2.2最经济电压定位

既定的电解槽，由于电流效率随着电压下降，先慢后快，所以，电耗必然存在一个电耗最低点，这个点对应的电压叫电耗最优电压V1。但是，这就是我们将要定位的目标运行电压吗？当然不是，由于其中电流效率的变化带来的产量变化对企业盈利能力的变化，导致了最大盈利点对应电压必然与之有所差异，电流强度不变的情况下，电效与电压之间呈负相关，则产量亦然，如果已知企业的产品完全成本构成，那么这个利润最大点可以求出来。由于产量变化的影响，系列电耗最低点并不一定是最经济点，它们之间往往相差一段距离。

这个点对应电压为V2，这是绝大多的企业最经济电压定位。

图表 2电耗、利润——电压关系图

 

V1与V2的差距取决于电力价格或电力成本在产品总成本中的比例，当电价较低时两者相差较远或者V2较高，反之V1与V2更接近甚至重叠。

2.3最低电耗与阳极电流密度正相关

最低的的直流电耗对应的V1所对应的极距定义为临界ACD，是一个关键。在既定的磁场设计水平等其它条件下，最低的直流电耗对应的临界ACD基本不变。当采取较高的阳极电流密度技术条件时，假设ACD不变则V1升高，最低直耗亦上升，反之则下降。所以单就电耗而言，低阳极电流密度更易实现低电压、低电耗的目标。但是，阳极电流密度并非越低越好。因为有两个边界因素限至，一是热平衡与流体动力学平衡的需要；二是单位产能投资。当电力成本所占比例较低时，尽可能发挥产能是经济的，吨铝电耗并不追求最低，反之电价过高时，则低电流密度有利实现更低的电耗及经济效益。

简而言之，在电价较高地区采取低电流密度技术条件更为经济；而在电价较低地区，更高的阳极电流密度较高的电耗定位或许是最经济的选择。同理，解释了为何国际上普遍存在的高电压、高电效的技术策略定位。总体而言，我国相对较低的阳极电流密度和低电压技术路线是符合国情的技术路线。

2.4既有的电解槽进行能量优化

对既有的电解槽进行能量优化，根据企业成本构成和市场情况，基于当前大部分电解槽型运行现状，一般选择围绕内热基本不变原则、降低电压、强化电流的技术措施。假设临界ACD基本不变，由于强化电流会使V1升高右移，可能实现临界ACD的重叠，当电力成本比重足够低时，V1可能会跑到右侧，意味着为追求高产量效益最大化不惜电耗较高，ACD定位甚至略低于临界值。

 

当然如果电价更高，也可以选择加强保温代替强化电流的方式来确保内热平衡，可以取得更低的电耗和经济效益指标，但是由于在线电解槽只能采取外保温的方式，对于槽壳的影响要谨慎评估。

2.5新建系列的电解槽选型

对于新建系列的电解槽选型，如果抛开热平衡和电解槽动力学的需要，或许阳极密度越低越易实现低电耗的目标；考虑热平衡，那么小型的电解槽散热能力强，而不适宜低电流密度，但是磁场问题挑战性小，最低电耗点对应临界ACD低，或许可以通过强化电流、加强保温等措施实现低能耗目标。热平衡角度看，大型化电解槽或有利于相对低电流密度运行，提高能效利用率，从而实现低电压低电耗目标，但又要面临氧化铝的扩散与溶解的困难。

大胆假设，最节能的电解槽理论上是存在的，应该是容量较大（例如：300kA左右），阳极电流密度适中（例如0.75A/cm2左右）的电解槽，准确的定位还需要工业化生产的实践验证。 

需要说明的是，为了追求单位产能投资降低，电解槽设计日趋大型化，由于电解槽大型化通过加大阳极尺寸同时提升阳极电流密度实现（阳极电流密度0.8以上），因而即使最困难的磁场问题得到合理解决，阳极质量的匹配和氧化铝浓度的均匀分布可能成为制约性问题，影响设计目标的完成。因此，即使在电价较低地区电解槽的大型化亦有极限，并非越大越好。

3．临界极距是关键

本文的临界极距定义为电耗最低拐点所对应的极距。本质是因为低于此极距，由于电效损失超过了电压降低的贡献额时电耗上升。笔者曾研究伴了电解槽的稳定临界极距，命名为“极限极距”。不难理解，电耗临界极距与“极限极距”正相关。

随着极距的降低，在热平衡保持良好下，电流效率一般会略有损失，并且似乎存在一个拐点，这个极距笔者定义之为“极限极距”，当极距低于“极限极距”之后，电流效率会急剧下降。

“极限极距”可以测试，必然要受到电解槽管理状况所影响，但是如果条件相同，它的大小基本反映了一种槽型的磁场设计优劣。我们希望它越小越好，

那么我们的电解槽极限极距究竟为多少？如图所示，已知电解槽其它条件正常，通过短时间内人为降低极距，当电压从正常工作电压V1降到电压V2时，电压开始波动，我们V2将对应的极距判断为“极限极距”。

 

2006年两批次电解槽压槽试验得出以下结论：

1、对于工业电解槽而言，“极限极距”不是一个固定值，都与电解槽的运行管理有关系，好的炉膛管理有利于获得较低的“极限极距”。

2、即便不到“极限极距”，电流效率都与极距呈现明显的正相关性。

所以，电耗临界极距既与三场设计有关、也与炉膛管理有关，也很难确定，本文只是假设已知最理想的炉膛等技术条件下找到了对应值，实际的数学模型必然依据一条理想的电流效率——极距关系曲线才能找到对应的临界ACD和标准电压定位V1。

还要特别注意热平衡管理是前提。在线能量优化采取了强化电流、降低电压的路径就是本着热平衡优先的原则。

4.小结

1、铝电解系列的关键绩效指标（KPI）是：吨铝电耗，槽日产量，槽寿命。

2、电解槽的尺寸大型化有利于提高能量利用率与提升单位投资产能。但是，阳极电流密度定位型要根据地域电价区别而定，电价高，则选最易实现中等电流密度的节能型电解槽；电价低，单位产能投资较高，各项费用高，则选择较高电流密度的大型电解槽。

3、最节能的电解槽理论上是存在的，并非槽容量越大越好，应从节能、劳动强度、投资、槽寿命等全面考虑，高电流电解槽应与当前技术水平相适应，准确的定位还需要工业化生产的实践验证。

4、对于既有电解槽也要根据电价等成本构成要素进行最优化技术决策定位。目前大部分国内电解槽设计以及电价现状，强化电流降低电压或多或少都是既节能又增效的技术措施。

5、电解槽的管理对于最优化技术决策定位至关重要。

5.致谢

特别感谢尊敬的姚世焕教授，姚先生对于大型电解槽热平衡管理上的精辟见解，提出的符合我国国情的低电压技术路线，以及关于氧化铝浓度分布均匀性对于大型电解槽电流效率的挑战等观点，给了本文重要启发。