1、單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*鋁電解槽陽極過電壓和降低電耗 關于槽電壓霍平等世界鋁專家的意見對于一個給定設計的電解槽，在電流穩定的條件下，鋁電解槽的生產必須有一個最佳的槽電壓，對某個鋁廠而言，最佳的目標槽電壓應該隨經濟條件而定。雖然，近50年來，鋁業界堅定不移在降低槽電壓，但是，到現在為止，對于200KA和以上電流的電解槽，似乎全世界的槽電壓均控制在這個水平。有趨勢表明目前鋁業界仍在不斷的改進技術繼續降低槽電壓，然而，在導流式陰極與增加熱絕緣的惰性(耐腐蝕）側部材料沒有在工業上使用之前（側部短命），除了石墨化有一定的貢獻之外，更多的降低槽電壓似乎是極

2、為困難的。歷史與發展的指標Year 1980Year 2000Year 2020電流強度 (kA)225325500 - 600Cell voltage (V)4.104.103.9 - 4.0電流效率 (%)94.095.5 96.0 - 97.0直流電耗(kWh/kg Al)13.012.8 12.0 - 12.4槽壽命(days)1500 2000 - 28003000陽極電流密度(A/cm2)0.800.850.95 歷史與未來鋁電解發展的先進指標1980，2000，2020（未來的趨勢：高陽極電流密度，低電壓，高電流效率和低電耗Ref.: Thonstad et al., “Alum

3、inium Electrolysis”, 3rd Edition, Aluminium-Verlag 2001不同年代、不同電流和不同電解槽形式的比較Light Metal Age，Feb 2007 pp 28-30電解槽比較項目19651980197019851980近期1990近期電解槽配置形式縱向橫向橫向橫向立母線的配置位置端頭或端頭+大面端頭（2或4根）大面（2或4根）大面（4、5、6根）電流運行范圍 KA120-180150-180180-220250-350原技術開發公司瑞士鋁加鋁海德魯德鋁聯VAWVAMI愷撒 P69雷諾P19AP18/21Alcoa697CD20VAW CA 1

4、80雷諾P20愷撒P86AP30/35Alcoa A817VAMIC255/C280GAMI GP320SAMI SY300HAL250有無鄰列磁場補償幾乎都有沒有幾乎沒有幾乎都有典型陽極電流密度 A/cm20.70-0.800.80-0.880.80-0.850.72(中國) 0.80(俄羅斯)0.85(西方)電流效率 %88-9391-9493-9594-96槽電壓 V4.5-4.74.4-4.64.2-4.34.1-4.2電能消耗 DC kwh/kg Al15.014.513.513.2典型磁場 最大 G s BX BY BZ100-150100-20080-120100-15080-1

5、20120-180150-20020-4015-30180-22030-5015-40鋁液流速 cm/s平均/最大10/2510/255/154/2金屬隆起h=cm（最大）短軸方向/長軸方向2/52/84/24/2日本坂出鋁廠是世界上曾經達到最低電壓的電解槽電解質成分：LiF-1.5%,過剩AlF3-6%;采用低效應控制技術;單位傳統電解質成分1981Li電解質+AE控制19811982年(1-6月)電流KA134132132電流效率%89.490.490.3槽電壓V4.124.023.96DC消耗Kwh/Kg13.713.213.1陽極消耗Kg/kg435420414Li2CO3消耗Kg/k

6、G-1.41.2Light Metals 1983,P577-586“Substantial Energy Saving in Existing Potlines ”S.Tanji O.Fujishima132KA；電流效率91.3%；槽電壓：；。 新型槽：采用半石墨化陰極炭塊和陽極為瀝青焦 MLI半石墨化無煙煤體積密度1.6-1.71.4-1.5電阻率（cm）1200-15004000-4500膨脹率%0.10.81981年1月至9月設計新型槽原有電流（KA）150150132陽極電流密度（A/cm2）0.800.800.70槽電壓（V）3.85-3.903.904.09電流效率（%）91-

7、939289.0DC*kwh/kg）12.3-12.812.613.7Light Metals 1982,“Advanced Energy Saving of Aluminum Reduction Cell” 20幾年前的措施132KA原槽殼不變，采用MLI（三菱輕金屬）的瀝青焦為基礎的半石墨化陰極和圓形大陰極棒，爐底壓降預計降低V,實際降低V.采用中間下料，在側部保溫等內襯方面進行改進，大幅度降低熱損失；為了降低垂直磁場的影響將陰極母線進行改造； 自動控制平衡氧化鋁加料。 石墨化陰極的貢獻：1)降低槽底壓降+增加散熱=為提高電流提供空間石墨化陰極炭塊的電壓降在槽壽命期間一直保持穩定 2)已經

8、證明鈉對陰極的膨脹作用大于機械膨脹，而石墨化 陰極炭塊能使陰極的膨脹大幅度減少，因此對耐磨性問題要 重新評價為了多產鋁和降低電壓不惜一切代價陽極過電壓陽極過電壓=反應+ 濃差陽極過電壓陽極上的極化電壓比較高，一般高于V極化電壓可能受陽極電流密度和氧化鋁濃度的影響由于電解質析出的氣泡攪動的原因,使得氧化鋁濃度的影響減少到最小,但是氧化鋁濃度過低時例外總之，極化作用可以通過增加氧化鋁濃度，提高電解質溫度，增大陽極的實際面積和減少陽極電流密度來實現氧化鋁分解能： 約為V，但是在現行的消耗陽極條件下，C（s）+O2（g）=CO2（g）（1）炭氧化的熱能節約了電能，在960 0C時反應（1）的吉布斯（G

9、ibbs）自由能相當于V。因此實際電解鋁生產過程反應的可逆（平衡）電壓按： 1/2Al2O3(s)+3/4C(g)=Al(l)+3/4CO2(g)（2）計算為V。但是由于過電壓的原因，實際的極化電壓或反電動勢（Bemf）為V，此值正是反應（2）加上各種過電壓的值，見表1。表1. 炭陽極槽電壓和能量分配。能源收入部分 能源支出部分氧化鋁分解2.248 VBemf1.756 V槽電壓4.2 V鋁直流電耗13.2kwh/kg當量電壓4.2 V反電動勢Bemf 1.756V制取金屬鋁6.323kwh/kg.Al補償熱損失6.382kwh/kg.AlEH=2.016v 2.034v可逆電壓或反應-(2)

10、 1.222V 1.222V反應(1) -1.026V陽極表面過電壓 0.466V陽極濃差過電壓 0.036V陰極濃差過電壓 0.032V電解質電壓降 1.344V氣泡電壓降 0.250V陽極+棒+夾具電壓降 0.350V陰極電壓降 0.350V體外電壓(即母線) 0.150V0.466kwh/kg.Al 0.150V*電流效率95%，槽電壓V，直流電耗kwh/kg.AL. 960 0C, 10%氧化鋁飽和度33%。180KA電解槽15170cm的陽極，陽極電流密度對陽極過電壓和氣泡（膜）覆蓋率的影響(Al2O3=5.5%,T=9500.65A/cm20.75A/cm21.1A/cm21.1A

11、/cm21.2A/cm2/V總過電壓0.650.730.890.890.93V極化0.540.540.6130.6130.63V濃度0.0030.0030.0050.0050.006偏差0.1070.1060.2720.2720.29氣泡覆蓋率54%70%86%86%88%180KA電解槽15170cm的陽極，氧化鋁濃度對陽極過電壓和氣泡（膜）覆蓋率的影響(2,T=940-954 5.5%Al2O34.5%Al2O33.5%Al2O32.5%Al2O32.0%Al2O3V總過電壓0.7140.7350.7650.8150.87V極化0.560.5650.570.5750.58V濃度O.0040

12、.0040.0050.0060.008偏差0.150.1660.190.2340.282氣泡覆蓋率66%70%75%81%87%235KA電解槽14070cm的陽極，陽極電流密度對陽極過電壓和氣泡（膜）覆蓋率的影響(Al2O3=2.5%,T=9750.65A/cm20.75A/cm2 0.85A/cm2 0.90A/cm21.0A/cm2/V總過電壓0.6560.7350.810.850.93V極化0.5510.5710.5880.600.611V濃度0.0060.0070.0090.0090.010偏差0.0990.1570.2160.2410.30氣泡覆蓋率51%61%79%82%89%2

13、35KA電解槽14070cm的陽極，開槽陽極對陽極過電壓和氣泡（膜）覆蓋率的影響(Al2O3=2.5%,T=975)陽極電流密度0.65A/cm20.75A/cm2 0.85A/cm2 0.90A/cm21.0A/cm2/V總過電壓0.5680.650.710.7450.82V極化0.550.5750.5880.600.618V濃度O.0060.0070.0090.0090.010偏差0.0280.0720.1130.1360.192氣泡覆蓋率18%40%56%62%75%開槽陽極對電解質攪動的影響澳大利亞的CSIRO輕金屬研究所或旗店（Light Metals Flagship）采用PIV質

14、點影象測速法（儀器）研究了開槽陽極對電解質攪動的影響，這種被稱為PIV（Particle Image Velocimetry）類似于激光多譜勒（雷達）測速法LDV（Laser Doppler Velocimetry）。不過LDV法只能測量流體的單點流速，而PIV法則是二維的，當然PIV還不能用于測量全槽模型的流速。 電解質流動或攪動的實驗 電解質流動或攪動的實驗 使用帶橫槽陽極的經驗原鋁生產的過程中在電解槽的內部產生大量的氣體，例如二氧化碳，一氧化碳，Al-O-F 復合物和CF類的氣體，這些氣體大部分產生在陽極下面的靠邊部位，它生成的一層薄膜在陽極與電解質之間產生很高的電阻圖1表明產生在陽極下

15、面的一層的狀態。 這一電阻層對于現代化的大型電解槽來講是十分有害的，特別是在原有的陽極尺寸上擴大以后，更顯得嚴重一些。這是因為增大陽極面積以后，氣體從兩個陽極間釋放出來的氣體需要行走更長的距離才能達到電解質表面。除此之外，還由于生產廠為了不斷增加生產能力，而繼續提高電流的情況下，在陽極與電解質間氣體量也隨之大幅度增加，使得這個問題更為突出。今天，隨著電解槽容量的不斷增大，許多鋁廠均采用了單導電桿連接雙陽極的結構形式，這也是值得注意的問題。把陽極作成帶有溝槽的構思是鋁廠的一種經濟選擇，它和把陽極分成兩半是兩回事。在陽極上留有溝槽是為了讓氣體更容易釋放的電解質表面，同時也有節約電能的作用。帶橫向溝

16、槽陽極的制造 現在，ALBRAS鋁廠使用帶橫槽陽極的電解槽已有540臺， 運行時間超過一年， 殘極裂縫在更換陽極時發現在使用帶橫槽的陽極之后，殘極上的裂縫大大的減少了。這主要是因為新的幾何形式增加了抗熱震沖擊性。圖4是第一次統計的殘極裂縫結果。它們是第3系列32區的30臺電解槽的情況，也是工廠首次采用帶橫槽時的效果。看圖時請注意：本圖是第三系列8個區的視圖，只有第32區采用了帶槽的陽極，其他各區當時還沒有使用，下半年除32區外，其他各區殘極裂縫比上半年多的原因可能與陽極質量和其他原因變化有關，而32區雖然也用了同期生產的陽極（但帶槽），但裂縫的數量反倒減少。陽極長尖：在電解生產操作上，一般認為

17、帶橫溝槽陽極的電解槽要比使用帶縱向溝槽的更容易長包（尖），也就是敏感性強，主要原因與更換陽極后熱流方向有關。鋁廠觀察的結果見圖5。它把使用帶橫槽陽極的32區（30臺電解槽）與其他沒有使用帶槽陽極的電解槽進行比較。同時，我們可以看到32區的陽極長尖現象無論是2003年上半年還是下半年，都比不使用帶槽陽極多一些。但是我們相信，清理好炭渣和提高陽極質量肯定會避免陽極“長尖”現象的，因為從同期其他各區使用陽極的質量可以看出都存在陽極普遍長尖的現象。從槽上取出的用了5天的陽極，橫槽依然存在，陽極形狀完好 電解槽電阻（電壓）與躁聲 從圖7清楚的看到帶有橫槽陽極的電解槽具有較低的電阻，特別重要的是在降低槽電

18、阻的情況下躁聲沒有增加。因此，我們相信這是由于氣泡覆蓋面積減少的原因。 從240臺生產了450天的電解槽上獲得的槽電阻和躁聲變化槽溫 電解質的平均溫度甚至在增加一點電流之后，溫度還降低了（見圖8）。在2004年2月與4月之間，將電流從174KAT提高到176KA。 從240臺生產了450天的電解槽上獲得的平均槽溫度陽極的廢品率為了在電解鋁廠實施采用帶槽陽極的目標，從項目開始的實施階段就接受了陽極工廠增加一些實施和費用的意見。其主要任務是要解決徹底清掃震動成型機臺面的困難和減少陽極運送過程中受機械阻力影響而造成陽極磕碰等損傷現象。表01是生產帶槽陽極前后成品廢品率的統計數據（平均值和標準誤差）。

19、表中常規陽極的數據是2003年的，帶槽陽極是2004年生產的，因此，表中的對比可能與實際有一定的誤差（原文：“這種假設實際是有誤差的”）。表01 帶槽和常規生陽極和焙燒陽極的廢品率生陽極的廢品率焙燒陽極的廢品率平均%標準誤差平均%標準誤差帶槽陽極1.920.03170.760.0097常規陽極2.080.02500.770.0098* 常規陽極的數據是2003年1月到8月;帶槽陽極的數據是2004年1月到8月陽極密度的均勻性在制造和操作帶橫槽的陽極過程中，如何保持陽極的均勻性是一個非常重要的問題。如果陽極的均勻性很差的話，等于陽極增加了受二氧化碳反應的面積（或造成陽極的機械強度很差）。在陽極上

20、不同均勻性的區域對二氧化碳的敏感性很強，其主要部位在陽極溝槽的附近。因此，為了檢查陽極的均勻性，我們測定了帶溝槽陽極各部位的表觀密度，其結果見表02。表02 帶溝槽陽極的焙燒后的表觀密度帶溝槽陽極的焙燒后的表觀密度（g/cm3）位 置平均值標準偏差接近溝槽處1.6420.009遠離溝槽處1.6440.016從表02的數據可以看到在溝槽附近和遠離溝槽的地方,其表觀密度沒有顯著的差異。為此，我們可以得出這樣的結論：本廠現在生產的帶槽陽極具有很均勻的密度。這里必須說明的是：在整個生陽極生產過程中，始終控制穩定的工藝參數是取得均勻性成果的關鍵。在這個問題上，工廠的第2號生陽極制造系統，由于震動成型機改

21、造成中采用了真空裝置，從而使生產更為穩定。可以實現的經濟評價下表是我們對使用帶槽陽極的取得效益的評價，這個評價是按假設工廠全部采用帶槽陽極時的計算結果。我們預計為了生產帶槽陽極的投入費用不會超過1萬美圓，主要是用于炭素廠的一些變更部分。技 術 參 數單 位指 標Albras的平均電流強度KA172.25電阻的降低值0.10計算電解槽的數量槽960每臺電解槽節約的電能Kwh2.97可能節約的全部費用US$/每年374,270Albras使用帶橫槽陽極的結論在全球許多鋁廠都使用了帶槽陽極，有的使用成功，有的使用得不好，一般認為Albras鋁廠成功使用的帶橫槽陽極，對自己不適用（而實際上，Albra

22、s鋁廠使用是成功的）。但是，也有這種可能，就是他們在不增加躁聲的情況下，降低了槽電阻，主要想降低殘極的裂縫數量。他們的經驗，為了要制造高質量的陽極，最根本要讓陽極具有高的密度并且非常均勻，同時，還要提高焙燒成品的合格率以減少在電解過程中生成過多的炭渣和“長尖”現象。1國際上更廣泛的是使用縱型槽和鋸切陽極效應的控制問題應該作為我們重點開發的研究項目，主要是任何利用計算機控制陽極效應，特別是自動熄滅陽極效應的技術必須加快開發（這里順便提一下，就是槽深度必須考慮自動熄滅陽極效應的問題，不知道為什么我們又把20年前設計的550mm槽膛又降低到470-500mm） Pechiney開發的新控制箱和新軟件

23、ALPSYS國際鋁業界十分重視其應用與發展。尋求成功的管理陽極效應的方法是全球的挑戰正確的工作經驗，裝置的正確設計和可靠性，過程控制方法。當第一和第二條能夠滿足時，則過程控制就變得十分重要了，通過對過程控制實施集成的方法，使得陽極效應的預報和控制變得更為有效。因此，可以使用如下的特殊程序：考慮氧化鋁下料對槽子生產狀態的影響；處理非正常電解槽的狀態；使之達到最佳的熱平衡狀態。 由于增加電流總是要改變電解槽的動態的，假如，我們保持現有的電解性能不變并向著零效應方向取得進展，那么就需要解決一系列新問題。由于陽極面積的增加以及用坐陽極熄滅效應的原因（increased pumping effect）就

24、涉及到電解質水平的變化。在某種環境條件下，經過反復試驗指出，加料裝置中的打擊頭與電解質接觸狀態對增加下料效率和減少效應方面有著十分重要的作用 打擊頭與電解質的接觸在氧化鋁含量調整之后，有一個基本的假設，那就是每一批氧化鋁加入到電解質時均能溶解，假如作不到，那當然就會有多發陽極效應的危險。在點式下料技術中，有效的將氧化鋁加入到電解質中，主要取決于加料孔的開孔程度，而加料孔的開孔程度又與打殼機效率有關。風動打殼機的工作常常要在長時間的打殼（為了能開更大的孔洞）與短時間的停留在電解質之間尋求一個折中的時間，這個折中的時間對于一個大電流、增加陽極面積后、高沖擊效果和高電解質水平變化的電解槽來講是非常難

25、以尋找的。打擊頭與電解質接觸的測定是用測量打殼機打擊頭與陰極之間的電勢差來實現的，見圖。在接觸的檢測中，打殼機的下落（時間）是自動取消的。當開孔完好時，打殼機的下落時間變得較短，這樣，打擊頭的磨損和粘在打擊頭上的電解質就很少。對于堵塞或凍結的孔，打擊頭下落的時間是最長的，以便打殼機打穿結殼，這樣就增加了打殼機的開孔效率。打擊頭與電解質接觸的測定被證明對生產過程是有作用的：較好的開孔率保證了氧化鋁的穩定加入，因此，是氧化鋁加入量的調節變得更為有效，并且限制了陽極效應的發生。根據電解質水平采用的自動控制打擊頭下落（浸埋）時間的技術，可以消除了打擊頭粘結電解質的現象，磨損的情況也減少了，同時在打擊頭

26、上就不會有電解質結疤，打擊頭的直徑不變，保持了有效的工作。此外，沒有電解質結殼堵塞在刮料器上，使打殼機活動順暢，防止了打殼機強行沖擊所造成的機械事故，從而，延長了打殼機的壽命。由于采用了打擊頭與電解質接觸裝置，大幅度了減少了氧化鋁的加料問題，同時，幫助了電解車間管理人員及時處理遺留的困難問題，使打殼機的維修更為及時。利用打擊頭與電解質接觸裝置監視過程是非常值得的。由于減少了打擊頭平均的下落（浸埋）時間，約降低空氣消耗15-20%。當結合使用智能式打殼機之后，一旦打擊頭下落到位，立即停止供氣，這樣，壓縮空氣的消耗量下降的60%。ALPSYS基本思路打殼機打擊頭與電解質的接觸，也就是氧化鋁能不能快

27、速進入電解質立即溶解的問題，包括開孔率。有沒有預測陽極效應的控制技術。氧化鋁下料的時間調整較短周期。打殼機打擊頭與電解質接觸技術使用前后的效果敦刻科鋁廠用打擊頭-電解質接觸前 荷蘭鋁廠用打擊頭-電解質接觸前后預報陽極效應的檢測裝置和處理方法 陽極電壓的長期測量告訴我們，在陽極效應發生前100秒鐘電壓就有比較顯著的變化。陽極效應預報檢測技術首先在AP-50電解槽上開發與試驗。一種類似于處理陽極效應一樣的自動處理預防效應的技術也隨之而開發。下圖是處理預防效應的實例。圖中表明在陽極效應發生前100秒鐘就有前兆（Given the 100-second precocity）。但是，這種技術避免所有的預

28、處理陽極效應還是是無效的。然而預防陽極效應的技術可以降低過電壓50%。工業試驗是在圣讓瑪麗的G系列進行的，并取得同樣的效果，2005年預處理陽極效應的技術在G系列試驗了40臺電解槽，試驗表明，陽極效應的過電壓有沒明顯的改進：甚至于連陽極效應的停留時間也大大縮小了。見圖。 多虧有了陽極效應的預報檢測技術和預處理技術的開發，使得陽極效應的預處理的成功率達到50%；總的陽極效應過電壓降低了40%；陽極效應的發生率比對比槽降低了25%。當然，預處理技術不可能抑制所有的效應，例如由于下料器出問題等等，但是陽極效應被削弱了的事實，無疑有利于減少溫室氣體（GHG）排放量。AP-50 電解槽成功的預處理了AE

29、 有無預處理AE對持續時間的影響 最佳的下料周期的調整陽極效應預報檢測技術和預處理技術的開發為我們提供了在陽極效應實際發生前100秒就能夠確認效應的存在。它先導的時間要比傳統的在槽控箱上慣用5分鐘調節氧化鋁下料周期短得多。如果計算機的計算能力允許提高更快的調節周期的話，應該試驗從5分鐘到1秒種的周期時間，以便盡可能的不用預處理方式消除效應，因為它仍然是一種極端的處理方法。彼斯涅專利技術ALPSYS拋物線斜率計算算法用調節氧化鋁的功能是強勁的，無需對陽極效應的處理進行直接改進。總之，較快的氧化鋁調整周期，可以減少過程的變動，從而幫助人們更好的去掌握關鍵的過程參數。下圖是采用了最佳的控制周期之后比

30、5分鐘的控制方法在過加料的過程中預計的氧化鋁濃度偏差要小得多。借助于減少過程的統計范圍，生產過程的技術性能有可能得到改善。通過縮短控制周期減少了過加料中氧化鋁濃度的變化使用ALPSYS前后效應情況 使用ALPSYS前后效應過電壓情況結論ALPSYS系統在降低陽極效應方面已經取得很好的效果。新開發的技術，特別是打擊頭與電解質接觸裝置，預報陽極效應的檢測氧化鋁較短周期的調整均為電解生產人員提供了最佳調整氧化鋁濃度和抑制陽極效應的有效工具。過程控制的工具還必須應付由于提高電解槽生產率方面所受到的限制，特別是在增加電流時，更要適應；另外，為了電解鋁的可持續發展，也要考慮越來越嚴格的有關GHG溫室氣體的

31、控制問題。溫室氣體與陽極效應危害性計算方法：（根據聯合國UNFCCC/CCNUCC：AM0030 01版本）BE(t CO2e / t Al)=EFCF4GWP CF4+ EFC2F6GWP C2F61000式中：BC（t CO2e / t Al）是每噸鋁產生的基準排放量（t CO2e表示噸當量二氧化碳=即相當于一般性二氧化碳的噸數）2003年IAI（國際鋁協）提出點式下料電解槽為0.65 t CO2e / t Al(此數據每年都有變化,它是隨著技術進步而修 訂的)EFCF4(過氟化炭中的CF4因子),單位是( kg CF4 / t Al ),設定在PFC中占90%EFC2F6(過氟化炭中的C

32、2F6因子),單位是( kg C2F6 / t Al )=1/10 CF4GWP CF4是全球溫室氣體中 CF4氣體的影響因素=一般CO2的6500倍。GWP C2F6是全球溫室氣體中 C2F6氣體的影響因素=一般CO2的9200倍。國際上有三種計算方法, IAI(國際鋁協)法，ALCOA法， PECHINEY法.PECHINEY法.太嚴,我們也缺乏測定設備；ALCOA法只有美國人承認。所以一般采用IAI(國際鋁協法)例題：設一臺350KA電解槽的陽極效應系數（英文叫AE）=X次/槽/天；效應時間持續3分鐘, 試算在X等于多少的情況下可以小于2003年IAI的基準。采用IAI法：EF（kg CF4/t Al或kg C2F6/t Al）=斜率（IAI基準數）AE(分鐘) / 槽.天EFCF4=（0.14X3）90%=0.378X kg CF4 / t AlEFC2F6=（0.14X3）10%=0.042kg C2F6 / t Al BE(t CO2e / t Al)=EFCF4GWP CF4+ EFC2F6GWP C2F610000.65(tCO2e / t Al)=( 0.378X9200)/10000.65(tCO2e / t Al