1、第33卷第3期Volume 33 Number 32023 年 3 月March 2023中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous Metals铝电解槽双端节能理论及工业应用梁学民1，冯冰2，曹志成2，孔亚鹏1，陈昱冉1，何季麟1(1.郑州大学 材料科学与工程学院，郑州 450001；2.郑州轻冶科技股份有限公司，郑州 450001)摘 要：介绍了铝电解槽双端节能理论深度研究与开发试验成果，通过对工业条件下热控制模型的研究，建立和构建了双端节能的基本理论和系统架构，分析了炉帮特性与电解质热特性的变化规律，开发了双端节能工业系统(HORRS)，并在4台4
2、00 kA铝电解槽上开展了工业化运行测试。对比HORRS系统运行前后电解槽槽电压及电流效率变化，对其运行效果与经济社会效益进行评价，通过电解槽能量流的有效聚集和调控，同时实现了“输入端”与“输出端”的节能目标。有望使电解铝工业实现“柔性生产”和对电网的蓄能调峰，同时为可再生能源开发利用、降低CO2排放发挥支撑作用。关键词：铝电解槽；热特性；热稳定性；能量流优化；双端节能文章编号：1004-0609(2023)-03-0850-12 中图分类号：TF821 文献标志码：A引文格式：梁学民,冯冰,曹志成,等.铝电解槽双端节能理论及工业应用J.中国有色金属学报,2023,33(3):850861.D
3、OI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2023-36728LIANG Xue-min,FENG Bing,CAO Zhi-cheng,et al.Aluminum electrolytic cell double-ports energy-saving theory and industrial applicationJ.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2023,33(3):850861.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2023-36728 目前，电解铝的生产仍以大量的电能消耗为前提，吨铝平均直流
4、电耗高达 13000 kWh12。并且，电解过程的能量利用率只有50%左右，能量严重浪费，电解铝的节能一直是本领域科学研究的主要目标34。在当前“碳达峰碳中和”的历史大背景下，电解铝工业节能降耗仍然是铝冶金科技创新的重要课题5。电解反应的能量平衡是影响电化学反应过程最重要的基础条件6。通过电解槽在运行过程中热特性的动态优化，维持良好的热稳定性是电解槽“输入端节能”技术研究的核心任务。但一方面“输入端节能”领域的研究受到技术瓶颈制约：1)由于电解质的腐蚀性问题，无法实现热特性参数的在线检测，很难对热特性做到及时准确的判断；2)由于现行的热控制模型与电磁稳定性的优化运行目标的相互耦合，在理论上难以
5、建立使工业电解槽获得理想热特性的热控制模型。另一方面，电解生产过程中消耗的能量大部分以热的形式散发至环境当中78，这些逸散热能的捕集、回收及利用是电解槽“输出端节能”的关键。尽管最近二十年来，全球范围内对“输出端节能”投入了大量研究，但受到电解过程的热影响机理、安全性、热回收和利用效率等难题的制约，余热利用的工业化应用停滞不前。输入端节能与输出端节能(双端节能)基本概念DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2023-36728基金项目：河南省重大科技专项(221100320100)；郑州市协同创新重大专项(19XTZX10012)收稿日期：2021-12-20；修订日期：
6、2022-12-20通信作者：梁学民，教授，博士；电话：0371-67897097；E-mail：lxm_何季麟，教授，博士；电话：0371-67781590；E-mail：的提出，以及双端节能基本模型、工业系统(HORRS)的开发，为双端节能技术的工业化应用奠定了基础，开辟了电解铝工业节能新的研究领域4。本文对铝电解槽“双端节能”理论进行了深入研究，从实验室和工业层面探讨了电解槽热特性控制机理及节能潜力。1铝电解槽双端节能理论由于电解槽热特性与热稳定性控制问题的制约，“输入端节能”效果的进一步提高受到挑战，电 流 效 率 难 以 突 破 94%，能 量 利 用 率 低 于50%910。通过电
7、解槽槽体输出端，多余的能量全部散失在环境中，而这部分能量的利用几乎没有得到利用。铝电解生产过程中的能量平衡如图1所示，电解槽多余热能与外界热交换形成输出端能量损失。电解质层的欧姆压降是系统富余能量的主要来源，这些能量通过电解槽底部、侧部及上部散失在环境中，以 电 解 槽 上 侧 部 散 热 窗 口 为 主 要 散 热通道1112。1.1双端节能系统结构温度或过热度对电解质物理性质有明显影响，从而影响电化学反应过程，温度的控制是实现输入端节能的关键。本研究根据流程工程学原理，突破克劳修斯“孤立系统”的概念，在耗散结构和自组织理论指导下，把看起来变幻无常的问题转化为动态有序、协同连续的“流”13。
8、据此提出了通过构建铝电解热特性与热流分布之间合理、优化的“流程网络”，实现铝电解开放流程系统温度特性、炉帮调节与电解槽散热/装置调节的非线性“耦合”，从而形成铝电解系统合理的“耗散”结构，使“能量流”在动态有序运行过程中实现耗散“最小化”。同时，解决铝电解槽热稳定性与电解槽电磁稳定性控制的非线性耦合难题，实现铝电解复杂条件下的多变量与目标函数的“解耦”。据此开发了双端节能工业系统(HORRS)，如图2所示。现代铝电解槽一般为“底部保温、侧部散热”结构14。侧部槽壳对流散热约占总散热量的35%，并且温度较高(240350)，相比其他部分散热的回收价值最高。HORRS通过该部位的热能聚集与调节，实
9、现电解槽热特性优化调控的目的。HORRS系统以过热度的调控及热特性优化为核心，达到提高电流效率的目的，并使槽电压保持稳定，以获得平均电压的降低，从而有效降低电解过程的直流电耗。与此同时，HORRS系统将电解槽侧部散热合理聚集并实现高效回收利用，进一步提高铝电解过程的能量利用效率。第 33 卷第 3 期梁学民，等：铝电解槽双端节能理论及工业应用的提出，以及双端节能基本模型、工业系统(HORRS)的开发，为双端节能技术的工业化应用奠定了基础，开辟了电解铝工业节能新的研究领域4。本文对铝电解槽“双端节能”理论进行了深入研究，从实验室和工业层面探讨了电解槽热特性控制机理及节能潜力。1铝电解槽双端节能理
10、论由于电解槽热特性与热稳定性控制问题的制约，“输入端节能”效果的进一步提高受到挑战，电 流 效 率 难 以 突 破 94%，能 量 利 用 率 低 于50%910。通过电解槽槽体输出端，多余的能量全部散失在环境中，而这部分能量的利用几乎没有得到利用。铝电解生产过程中的能量平衡如图1所示，电解槽多余热能与外界热交换形成输出端能量损失。电解质层的欧姆压降是系统富余能量的主要来源，这些能量通过电解槽底部、侧部及上部散失在环境中，以 电 解 槽 上 侧 部 散 热 窗 口 为 主 要 散 热通道1112。1.1双端节能系统结构温度或过热度对电解质物理性质有明显影响，从而影响电化学反应过程，温度的控制是
11、实现输入端节能的关键。本研究根据流程工程学原理，突破克劳修斯“孤立系统”的概念，在耗散结构和自组织理论指导下，把看起来变幻无常的问题转化为动态有序、协同连续的“流”13。据此提出了通过构建铝电解热特性与热流分布之间合理、优化的“流程网络”，实现铝电解开放流程系统温度特性、炉帮调节与电解槽散热/装置调节的非线性“耦合”，从而形成铝电解系统合理的“耗散”结构，使“能量流”在动态有序运行过程中实现耗散“最小化”。同时，解决铝电解槽热稳定性与电解槽电磁稳定性控制的非线性耦合难题，实现铝电解复杂条件下的多变量与目标函数的“解耦”。据此开发了双端节能工业系统(HORRS)，如图2所示。现代铝电解槽一般为“
12、底部保温、侧部散热”结构14。侧部槽壳对流散热约占总散热量的35%，并且温度较高(240350)，相比其他部分散热的回收价值最高。HORRS通过该部位的热能聚集与调节，实现电解槽热特性优化调控的目的。HORRS系统以过热度的调控及热特性优化为核心，达到提高电流效率的目的，并使槽电压保持稳定，以获得平均电压的降低，从而有效降低电解过程的直流电耗。与此同时，HORRS系统将电解槽侧部散热合理聚集并实现高效回收利用，进一步提高铝电解过程的能量利用效率。图1铝电解槽的能量损失分布Fig.1Energy loss distribution of aluminum electrolytic cell851
13、中国有色金属学报2023 年 3 月1.2输入端热控制模型根据工业电解槽电流效率损失动力学模型，电流效率受电解质成分、传质系数、过电压和温度影响。对于一种特定工业铝电解槽而言，除了电解质分子比、氧化铝浓度(电解质成分)，极距、铝液高度(磁流体动力学因素)是传统概念中关键的调控变量，而温度则是受多种因素影响的一个结果。因此，HORRS系统通过铝电解过程中五个实施变量来实现电流效率的最优化，即分子比、氧化铝浓度、极距、铝液高度及电解质过热度(iloss)，如式(1)所表达：iloss=f(CR,KAl2O3,tb,hb,1/hm)(1)式中：CR为电解质分子比；KAl2O3为受Al2O3浓度影响的
14、传质系数；hb电解质高度；hm为铝液高度；tb为代表反应温度条件的电解质过热度。很显然，输入端热控制模型是一个多变量复杂系统。在该模型中，分子比、氧化铝浓度的研究和工业过程的控制已经建立了可靠的系统，因此，获得最佳电化学反应效果的关键在于其余三个变量的平衡。HORRS系统中过热度(温度)在极距和铝液高度相对稳定的情况下，可作为独立变量进行调控，主要受电解槽散热强度的影响。建立在这一热控制模型的基础上，本文开展一系列的工业试验，获得HORRS系统运行数据。2实验与系统测试2.1热特性对炉帮形成影响的研究铝电解槽内的侧部炉帮由凝固电解质组成，炉帮形状通过对电解槽内的热、电及磁流体动力学特性的影响，
15、显著影响电化学反应过程的进行，而热特性的改变是决定炉帮形成的基本因素15。为研究铝电解槽炉帮的结构与成分分布，探究其熔解/析出机制，设计了一种实验室用铝电解槽炉帮熔/析过程的模拟装置，如图3所示。主要包括模拟装置本体、气冷系统和温控系统，模拟装置本体为石墨材质，呈倒T型结构，包括底座和垂直于底座的冷壁构成，置于带有外加热源的坩埚内熔融电解质中。冷壁内加工有长方体空间，作为冷却空腔。冷却空腔与气冷系统连接，通过通入氮气冷却。实验装置通过构建模拟实际铝电解槽侧壁的散热结构，以氮气作为热传输载体模拟散热过程，通过调节冷却气体流速，控制冷壁温度低于电解质初晶温度，使电解质在冷壁上凝固析出，获得完整的凝
16、结物样品，分析铝电解槽内炉帮的熔/析变化机理。2.2HORRS系统集热器研制及测试HORRS系统的集热器是利用热管原理特殊研制的热聚集器(换热器)，导热介质为高品质有机油。图2电解槽能量平衡和HORRS双端节能理论Fig.2Energy balance of electrolytic cell and HORRS double-ports energy-saving theory852第 33 卷第 3 期梁学民，等：铝电解槽双端节能理论及工业应用经过对25种不同结构设计方案，进行了390多次(样品)实验测试获得了一种高性能的专用集热器。集热器的原理见图4(a)，对经过检验合格的集热器进行实验室测试，获得热管温度与介质温度的对应曲线(见图4(b)。该集热器具有以下优点：1)高效传热，可使电解槽侧部热流实现快速调节；2)温度均匀性好，可保证最小的介质流量和稳定的介质温度；3)采用液态换热介质，载热量高，可最大限度实现回收热源的再利用；4)结构精巧，运行安全、可靠，可在电解槽槽壁450温度下稳定运行。2.3HORRS系统结构及工作原理HORRS 系统总体结构示意图如图 5 所示。HORRS