研究背景

 

电解铝是一种能源密集型行业，生产每吨铝的直流电耗高达13000kW∙h以上，但电解过程的能量利用率只有50%左右，能源浪费严重。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。一百多年来，节能基础研究和技术开发一直是围绕减少电化学过程能量消耗开展的，即提高电流效率和降低电解槽电压，本文称之为“输入端节能”，随着现代铝电解槽数学模型和仿真技术的应用，输入端节能已经取得了巨大的进步。但电解槽运行过程中的热稳定性成为一项难以攻克的难题，制约了该领域的研究进展。与此同时，散失在环境中的大量热能，即输出端热损失，由于难以有效捕集和回收利用，致使铝电解的能耗难以得到根本性改善而长期居高不下。进一步实现输入端节能的关键在于破解保持电解质热稳定性与磁流体动力学稳定性之间的“耦合”问题，而获得输出端核心在于研究解决电解槽能量流优化调节技术与高效捕集。

本文阐述了输入端节能与输出端节能(双端节能)基本概念，从实验室研究、模拟仿真和工业化应用领域探讨了电解槽热特性优化机理，通过输出端热能高效捕集和能量流调节建立了铝电解槽热控制模型，形成了系统的双端节能理论，研发的成套工业系统（HORRS），在400kA工业电解槽上实现了铝电解槽的双端节能，节能效果显著。研究和工业试验的成果为工业规模化应用奠定了基础，开辟了电解铝工业节能研究的新领域。

 

文章亮点

 

通过对实验室研究和工业条件下电解槽热控制模型的研究，建立了双端节能的基本理论和系统架构，开发了双端节能工业系统(HORRS)，并在安博竞彩官方中孚实业股份有限公司4台400kA铝电解槽上实现了工业化运行，回收热能与城市热网与火力发电机组回热系统成功联网。计量结果表明，HORRS系统正式运行后，可使电解铝能量利用率在现有基础上提升了5%~6%。该技术有望进一步使电解铝工业实现“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，而且电解槽热稳定性的改善，将显著提升电解槽的运行安全性，有利于延长槽寿命。

 

图文解析

 

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”。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1所示。

HORRS系统总体结构示意图如图2所示。HORRS系统通过在铝电解槽侧壁安装集热器，采用输出端能量流调控将热特性优化与最大限度的热聚集、利用相结合，不但使电解槽“输入端”节能得到进一步提升，而且在理论上使实现铝电解的“输出端节能”成为可能。

尽管HORRS系统已经充分考虑了回收热源的温度，但对于最高温度仅达200℃的低温热源而言，热能利用效率仍然是需要解决的主要问题。为此，采用了两种利用途径的组合设计方案(见图3)：冬季采暖季节(4个月)用于居民采暖，水温可达120℃，这是最理想的热利用方式，热利用效率90%；而在非采暖季(8个月)，热源将送至火力发电厂的热循环系统，水温达到147℃，热利用效率仅15%。综合可回收铝电解热能8%以上。

研究结论

     

1) 进一步优化铝电解槽的热特性及其稳定性，并改善磁流体动力学对电解过程的影响，可降低槽电压，提高电流效率，从而使“输入端节能”达到最低的能耗水平，获得吨铝500kW∙h以上的节能潜力。

 

2) 推动电解铝“输出端节能”，我国电解铝工业整体将可提供1亿m2以上的居民采暖，年净增加余热发电总量近50亿kW∙h，从而使铝电解的能量利用率提高8%~10%，实现电解铝能源的跨行并用、生态融合和绿色发展。

 

3)未来的开发计划将利用HORRS技术应对电网的峰谷波动，实现铝电解“柔性生产”，以获得更高的经济效益，并利用其工业“虚拟电池”特性实现对电网的蓄能调峰，为有效利用和消纳新能源电力提供技术支撑，促使电解铝工业为国家电网发展发挥积极作用。