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1、目 前 电 解 铝 生 产 中 存 在 的 若 干 问 题摘要：铝电解生产过程中，物料控制的平衡和能量控制的平衡是铝电解生产的根本，是关系铝电解高效率生产的首要条件，安全生产的基础条件，是电解生产过程中的基本要素。本文从能量平衡的角度，浅析析电解生产过程中，物料和能量的平衡分布。电解铝生产的历程1856 年，德国科学家和法国科学家在化学法制造金属铝的同时，以冰晶石氧化铝为基础的电解法制造出电解铝；1886 年，美国科学家霍尔和法国科学家埃鲁分别向本国政府申请冰晶石氧化铝熔盐铝电解专利技术并获得批准。铝电解进入工业生产领域。电解铝行业发展 100 余年后。在 1964 年和 1968 年，我国先
2、后引进建立了两个上插槽电解铝厂。改革开放以后在优先发展铝工业方针的指导下，我国的电解铝工业得到了突飞猛进的发展，到 1992 年，我国的原铝产量突破 100 万吨，2002 年，原铝产量达到 340 万吨，跃居世界第一位，之后，我国的铝电解呈井喷式的发展，2010 年，我国的电解铝产量已经达到了1696 万吨，产能 2300 万吨，占当年全球铝产量的 40.4%。当前，大型化、大电流、计算机控制将电解铝的生产推上了高速发展之路。物料平衡和能量平衡是铝电解正常生产的基本条件在电解铝生产的理论领域，一直强调要保持电解生产过程中能耗的平衡、物料的平衡，两个平衡对电解生产起着至关重要作用；这两种平衡是
3、铝电解高效率生产的首要条件，安全生产的基础条件，是电解生产过程中的基本要素。离开这两个平衡，铝电解生产的效率、各种生产中的工艺参数、技术条件的保持都将是虚妄的，毫无意义。在电解生产的理论领域，单阳极生产的观念占着主导地位，以单阳极的理念指导多阳极的生产，生产中的物料平衡和能量平衡都难于实现，要实行物料和能量平衡的电解生产，首先要转变目前单阳极生产的观念，使得在计算机控制下，能够进行物料和能量双平衡的电解生产生产，这样才能够以最低的能耗、最少的物料投入，获得最大的产出。试验槽上，采取能量和物料双平衡控制，电解生产的能耗 9240kwh，能耗利用率 67%；某电解铝生产企业采用能量准平衡控制电解铝
4、生产，其电能消耗 12400kwh；，工业生产中，不进行能量和物料均衡分布控制，其电能消耗 13300kwh；我们采用工业生产槽的技术条件，开展物料和能量双平衡控制的生产，电能消耗应该可以达到 11500kwh，阳极消耗 385kg，将工业生产槽的能耗利用率从 33%提高到 58%。采用双平衡控制电解生产，保守的估计，其电能消耗可以控制到 12000kwh。目前，除了试验槽，还没有发现利用双平衡的控制进行的电解生产；双平衡控制进入电解生产，其意义将非同寻常。铝电解生产中物料不平衡的分析铝电解的生产中，物料平衡有很多手段进行控制，自适应控制技术、模糊控制技术、中温寻优技术、铝电解专家系统技术等都
5、体现出对物料的平衡控制。这些控制技术在电解生产中的物料平衡上起到一定的作用，在实际应用中，没能最大程度的实现物料平衡。电解生产中，液态电解质和铝液的温度高达 950，高达数百千安的直流电流，由阳极通过电解质、铝液进入阴极；电流在电解槽中产生强大电场和磁场，在电场力及磁场力的共同作用下，导电的电解质和铝液在电解槽中规律性的流动；流速 0.1m/s 潮汐也对电解的生产带来影响，使电解质和铝液产生波动。中间下料系统补充的氧化铝在电解槽中央注入， 随着电解质的流动，熔入电解质的氧化铝被带向第一和第三象限进行电解；在第一、第三象限，没分解完全的氧化铝随电解质的流动分别进入第二和第四象限(如图一所示)。由
6、此产生了一个问题，第一和第三象限的电解质中，熔融氧化铝浓度过高，特别是在接近下料点附近，甚至会有未及时熔融的氧化铝沉淀到槽子的底部；在第二和第四象限中的氧化铝，分别是由一、三象限流动的电解质带来，浓度相对过低，特别是二、四象限端头的几个阳极下，氧化铝的浓度更低。电解槽中氧化铝的分布是不平衡的。氧化铝含量高的电解质，其电导更好，电流分布高；氧化铝含量较低的电解质，其电导就差，电流分布相应的低一些；氧化铝消耗殆尽的电解质电导更低。从（图二）对电解槽能量的分配检测中，能量消耗分布趋势分析可以看出，其物料分布差别的趋势。在实际生产中，物料分布不均衡也是电解生产效率降低的一个主要原因。图一：中心下料电解
7、槽的磁场、力场、流场分布趋势图由于电解生产过程中的氧化铝分布不均衡，电解生产过程中，阳极的电流分布也随氧化铝的分布呈区域性的分布。下图就是一次对阳极电流的分布趋势的检测。可以认为，电解生产过程中，物料的不平衡是影响能量的平衡分布的一种重要因素。图二：某台电解槽电流分布检测（两图分别是 A 母线、B 母线）在电解质中，氧化铝含量高的，其电导相对会高一些；氧化铝含量低的，其电导相应就要差，本图从同一个电解槽能耗的分布差异，说明电解槽中电导的分布趋势，电解质电导的整体分布规律，折射出电解槽物料分布的规律。这说明在电解生产中物料（氧化铝）的分布并不均衡；很大程度上随电解质的流动进行分布，物料的分布也呈
8、一定的规律性。电解铝生产过程中的的能量平衡电解生产过程中，有许多控制电解生产的技术，从实际效果来看，主要针对的是电解生产过程中的物料平衡；电解生产中，能量的均衡在生产中更为重要，关乎电解生产的能耗多少、效率高低、电解生产的安全、电解槽的使用寿命等。当前，电解生产的能量平衡，生产中除了控制系列电流外，所控制的只是电解槽电压；在电解槽内部，能量分布不进行控制或人工检测、人工控制。 电解槽中，铝液和电解质的流动、波动、物料的分布不均衡，使电解生产中能量的分布极不稳定，在电解槽的小环境中，电流分布不均衡使电场、磁场、力场、流场、热场都处于不确定中。大型工业电解槽生产面积已经达到或超过了 60m2，系列
9、电流达到 500KA、甚至 600KA；在电解槽大型化的环境中，受电场力和磁场力的共同作用，不进行能量平衡控制，单槽能量的平衡分布很难实现。在电解生产中，进行电流的分布检测，观测到偏流有高达 6-10 倍的，偏流产生的热量将超过正常生产时的 50 倍甚至更高；这对电解的安全生产、电解槽的使用寿命绝对是致命的考验。统计资料显示，我们电解槽的使用寿命 1500d，只有国际先进水平的一半。图三：某电解槽生产中电流分布检测（两图分别是 A 母线、B 母线）电解生产中能量的均衡，关乎电解生产的能耗、效率、电解槽的安全、使用寿命等,在生产中尤为重要。电流分布不均，电解槽的物理场（电场、磁场、热场、流场、力
10、场）容易波动，热平衡维持困难，槽电阻极易受外界的干扰而波动，由于大型电解槽惯性大，一旦出现波动或槽况异常，很难快速恢复正常。以能量均衡指导电解生产，国际、国内很少有企业去实际的尝试。目前所知以能量平衡指导电解生产的，一个是试验槽，以银作阳极，吨铝电耗 9240kwh，其应该是能量与物料的双平衡控制；另一个郑州龙翔采用能量准平衡控制，生产中电耗达到 12400kwh，应该只采用能量平衡控制。进行能量平衡控制是降低铝电解生产能耗一种可行的方法。电解生产管理理念的落后从电解生产的能量平衡和物料平衡的分析，从试验槽与工业槽的生产与管理可以看出，现在工业槽生产管理理念还停留在单阳极层面；电解效率低下，管
11、理理念的落后是根本原因，改变单阳极管理理念，以多阳极的管理理念管理多阳极电解的生产，才是提高工业电解铝生产效率的有效途径。试验槽电耗、能耗均 9240kwh/吨铝，电能和能耗利用率均达到 67%；由于管理理念落后，工业槽电耗 13300kwh/吨铝，能耗还要加上 550kg/吨铝，电能利用率 46%，能耗利用率仅 33%，不到试验槽的一半。目前，电解铝生产全行业处于亏损经营，电解生产管理理念的落后已经严重制约行业的发展。进行精密控制电解生产的可能性改革开放以后在优先发展铝工业方针的指导下，我国的电解铝工业得到了突飞猛进的发展；到 1992 年，我国的原铝产量突破 100 万吨，2002 年，原
12、铝产量达到 340 万吨，跃居世界第一位，之后，我国的铝电解呈井喷式的发展；2010 年，我国的电解铝产能 2300 万吨，产量已经达到了 1696 万吨，占当年全球铝产量的 40.4%。电解生产管理技术的落后，各项技术指标与国际先进水平存在相当的差距，这与我国电解铝行业突飞猛进的发展极不协调，电解铝生产中的许多方面需要进一步提高，否则我国的电解铝生产技术将远远落后于世界先进水平，处处受到先进技术的制约。精密控制电解铝生产技术的推出，从能量和物料两方面对电解生产进行平衡控制，精密控制技术多项指标将超过并领先国际水平，将我国电解铝生产技术提高到一个新的水平，使我国真正成为电解铝生产的强国。根据试
13、验槽吨铝电耗水平，我们可以适当的进行物料分布控制、能量均衡分布控制；理论上，使用活性炭阳极的工业电解槽也应能达到9240kwh 的水平，只是能耗上要比试验槽多消耗 380kg 石油焦阳极，以热力学计算，能耗比试验槽多 8%。郑州龙翔以准能量平衡生产，吨铝12400kwh，我们的精密控制生产中辅以物料平衡控制；保守的估计，电解生产吨铝电耗可控制到 12000kwh 以下。以下是多种形式的电解铝生产分析。各种控制下电解生产的效能对比（精密控制部分为预测值）一方面，我国电解铝生产的大规模扩张，另一方面，电解铝生产的能量利用率极低，与我国电解铝生产的大国形象极不相称。要实行物料和能量平衡的电解生产，首
14、先要转变目前单阳极生产的观念，使得在计算机控制下，能够实行物料和能量双平衡的电解生产生产，这样才能够以最低的能耗、最少的物料投入，获得最大的产出。精密控制电解铝生产的前景展望精密控制电解铝生产技术，均衡分布电解槽生产电流，使电解槽的电场分布尽可能最大的均衡，电解槽的热场分布也随之均衡，其磁场、力场都相对稳定，流场也会更均衡，整个电解槽将工作在最佳的状态，电解槽的效率、寿命将得以最大的提高。我国电解铝生产 300ka 以上的槽型占 50%以上，400ka 的有 14 条已经投产，500ka 的一条已经投产，600ka 的在做工业化试验。以精密控制电解铝生产的观点来看，能量和物料的分布均衡，才是高
15、效率电解生产的根本。300ka、400ka、500ka，乃至 600ka、1000ka 的电解槽，只是槽壳外形的差异、槽壳的尺寸、槽容量变化。以精密控制的理念管理电解生产，能量和物料的分布均衡将最大化，电解生产效率将得以最大化的提高。诸多槽型，电场、磁场、流场、力场、热场虽然各有不同，但是在精密控制理念下管理，其各种场的分布都会是均衡的，电解在一个最优化的环境中进行，其效率都可以达到最大化。精密控制理念主导电解生产，可以应用于 300ka、400ka、500ka，乃至 600ka、1000ka 的各种电解槽。可以预见，未来的铝电解生产，必将是由精密控制主导的世界。 平衡控制 能耗（吨铝） 效率
16、对比槽型 能量 物料 电能 石油焦 电能利用 能效试验槽 控制 控制 9240kwh 67% 67%郑州龙翔 准平衡 12400kwh 550kg 51% 37%工业槽 13300kwh 550kg 47% 33%精密控制 控制 控制 12000kwh 380kg 58% 44%精密控制电解铝生产的节能减排精密控制电解铝生产，单个电解槽的能量和物料均衡分布，效率会最大化的提高；在电解生产的单阳极时期，试验槽电耗已经达到 9330kwh/吨铝，目前的多阳极电解生产时期，我们精密控制以此为目标，吨铝电耗将会降低 4000 kwh；同时，电解生产效率提高，阳极的消耗也将降到 385kg/吨铝，吨铝降低 150kg，按此计算，精密控制主导电解铝生产，2000 万吨的产能，每年将减少温室气体排放 10001200 万吨，做节能减排项目，精密控制可以大有作为。单阳极生产理念管理多阳极电解生产，生产中，阳极效应不可或缺，国外效应系数达到 0.1 个/槽日，我国的效应系数是 0.3 个/槽日，甚至无效应生产；效应是单阳极管理电解生产不可或缺的产
