铝电解节能理论与技术

二、新型阴极结构电解槽的应用情况
目前，全国有一半的电解铝厂，使用和开始使用新型阴极结构 高效节能的铝电解技术。所有已使用新型阴极结构电解槽技术的 电解槽都取得了明显节电效果，大多数电解铝厂的新型阴极结构 电解槽的节电效果为电耗降低800～1000 kW•h/t-Al，有的达到和 1000 kW•h/t-Al以上。其节电效果的差别与电解槽的工艺技术条件、 操作方法和电解槽的设计有关 。 华东铝业200kA系列新型阴极结构电解槽于2009年6月份陆续启 动和投产至今已经有一年了，其指标为：
为降低电解质温度，添加CaF2、AlF3和LiF等。
Al2O3（溶质），以离子状态存在于电解质熔体中。 阳极：炭，由石油焦制成。 阴极：C / Al。
一、铝电解槽的结构
1.2 电解反应
阳极：C 2O （络合的） 4e CO2
2
阴极：Al 3e Al
3
一、铝电解槽的结构 1.3 电解槽结构 旁插槽 自焙槽 以阳极命名： 上插槽
E 0 1.898 0.0005733T
五、铝电解节电的技术原理 2） 阳极过电压
a a b lg ia
式中： ia 阳极电流密度。
a 塔菲尔常数； b 塔菲尔常数。
3） 阴极过电压
阴极表面电解质熔体NaF的活度 电解质熔体中AlF3的活度
1 3 AlF3 ( I ) 1 3 AlF3 ( II )
a) 二次反应，铝从阴Байду номын сангаас表面溶解（物理的或化学的）
Al CO2 CO Al2O3
b) 电解槽漏电（很少）
五、铝电解节电的技术原理
3） 若干技术参数对电流效率的影响
a）温度、过热度；b）电解质成份；c）添加剂；
d）槽膛形状；
e）极距；
极距影响（左） 电解温度981℃; 分子比:2.5;CaF2:5％; MgF2:0.1％;Al2O3:5％; 阳极电流密度:0.82A/cm2; 界面铝液流速:6.8cm/s
起的电化学腐蚀；太高，使减波的效果降低。比较适
宜的应在高出凸起上表面5cm左右。
一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构
各种阴极结构的比较： 每种阴极结构都有减波和减少铝液流速的功能，但： 第一种阴极结构：在阴极碳块的纵向方向和阴极周边 有较大的铝液流速； 第二种、第三种和第四种阴极结构无论是x方向还是y 方向，铝液流速大大被减小，减波功能效果更好。 展望： 后两种新型阴极结构电解槽的阴极结构可能是未 来的应用和发展方向。
6） 槽间电压、厂房外母线分摊电压 VB
五、铝电解节电的技术原理 4、电解槽电流效率
1） 铝电解遵循法拉第定律 阴极电解反应生成的理论铝量
w 0.3355 I t 103 (kg)
式中：
I 系列电流（A）； t 电解时间（h）。
五、铝电解节电的技术原理
2） 铝电解槽降低电流效率的原因
例2：上例中，如槽平均电压不变，将电流效率从93％提高到
94％，电能节省：
1 1 W 2980 4.1 ( ) 140kW h/t-Al 93% 94%
五、铝电解节电的技术原理 3、槽电压组成
V平 E0 a c I(Ra Rc Re Rx ) Ve VB
一、铝电解槽的结构 1.1 冰晶石－氧化铝熔盐电解的基本原理
1）冰晶石－氧化铝熔盐电解法仍是当今世界金属铝的基本生产方法 2）是1886年法国人Hé roult和美国人Hall同时申请专利发明的。 至今124年历史。 3）基本原理：熔盐电解Al2O3。 电解质：Na3AlF6（溶剂），熔点1008℃，
二、当代铝电解槽的工艺技术条件
1、电解温度950～970℃； 2、电解质分子比 2.3～2.6； 3、电解质水平18～20 cm； 4、铝水平高度18～22 cm。
NaF (摩尔） CR AlF3 （摩尔）
5、槽 电 压 4.0～4.3 V。
6、电 流 强 度200～500 kA。
三、铝电解生产的技术经济指标
七、新型阴极结构电解槽的阴极结构
阴极碳块纵向方向一个间断。凸起高度9～15cm，宽度17～35cm
七、新型阴极结构电解槽的阴极结构
第二种 凸起与阴极碳块的纵向方向一致， 三个间断。 凸起高度9～15cm，宽度17～35cm
七、新型阴极结构电解槽的阴极结构
第三种： 横向凸起与纵向凸起交叉排列
七、新型阴极结构电解槽的阴极结构
变化得出：
3 Al2O3 ( , T ) 1.5C ( s, T ) Al (l , T ) CO2 ( g , T ) 2 E 0 G 0 / nF
式中： 氧化铝；
T 绝对温度； s 固态； l 液态； g 气态。
由于△G只是温度的函数，因此E0也是温度的函数， 由热力学计算得到，对于炭阳极的铝电解：
RT NaF ( II ) C ln[ F NaF ( I )
]

电解质熔体中NaF的活度
阴极表面电解质熔体AlF3的活度
五、铝电解节电的技术原理 4） 欧姆电压降
I(Ra Rc Re Rx )
5） 效应分摊电压 Ve
Ve
式中：
k (V效应 V槽 )
24 60 V效应－－效应电压； V 槽－－槽电压； k 效应系数； t 效应时间（min）。
一、概述
1400 1200 1000 800 600 400 200 0 中国 俄罗斯 加拿大 澳大利亚 美国 330 300 197 1285
1400 1200 1000 800
171
1259 934.9
1317.8
1284.6
600 400 200 0
2009年世界上主要铝生产大国产量
（全球3625万吨、中国占35.44％ ，消费量占37.07％）
六、降低铝电解生产电能消耗的方法
降低槽电压方法： 提高阳极质量、降低阳极电阻； 选用石墨化、半石墨化或石墨质的阴极碳块； 选用适当电解质成份，添加LiF等，提高电解质的导电性；
阳极过电压 a 很难降低。CE越高、阳极质量越好， a
，
提高电解温度，会使 a ，但 CE 。
f）氧化铝浓度；
氧化铝浓度影响（右） (AlF3浓度过量8.5％； 5％CaF2； 电解温度965℃)
六、降低铝电解生产电能消耗的方法
1、提高电解槽的电流效率：
提高1％，约降低电耗150kW•h/t-Al。
方法：
电解温度 过热度 电解质成份 提高铝液面稳定性
2、降低槽电压：
降低0.1V，约降低电耗320kW•h/t-Al。
2006～2009年我国铝电解产量
单位能耗 kW•h/t-Al
2007 2008 2009 14488 14323 14171
产量 万吨
1259 1317.8 1284.6
总能耗占 有色行业
86.5％ 83.6％
总能耗占 全国电力
5.56％ 5.47％ 5.96％
一、概述
铝电解能耗大。 多年来，国家对铝电解的节能降耗技术研究和基础理论研究投 入了大量的资金，工业铝电解槽容量、自动化控制技术和水平有 了很大提高，但铝电解生产的直流电耗近20～30年来一直徘徊在 13000～13300kW•h/t。 大幅度降低铝电解生产的 电能消耗符合国家节能减
冯乃祥
东北大学 二○一○年六月
一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构
阴极碳块纵向方向单凸起，一个间断。 凸起高度9～15cm，宽17～35cm
一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构
阴极碳块纵向方向一个间断。凸起高度9～15cm，宽度17～35cm
一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构
第二种 凸起与阴极碳块的纵向方向一致， 三个间断。 凸起高度9～15cm，宽度17～35cm
1、电解效率 CE
1）电化学当量：0.3355 g/(A•h)
2）电流效率定义：
M 2 M1 实际铝产量 CE ＝ 理论铝产量 0.3355I t
2、直流电耗
W 2980
V槽平均 CE
3、可比交流电耗
W0 W / Rc
式中 Rc 为交流－直流过程的电能转换效率。
四、铝电解生产电能节省的社会效益
阴极过电压 c 。适当高的分子比和电解温度， c 。
降低母线的电流密度，即加大母线的断面面积，可使母线的电压 降降低，但投资增大。目前电解槽母线的投资占铝电解厂房投资的 1/7。
六、降低铝电解生产电能消耗的方法
优化电解槽阳极和阴极母线的结构设计，使电解槽内的铝液有较 好的稳定性，可使电解槽的极距降低，使槽电压降低； 使用表面具有凸起结构的阴极，可增加电解槽阴极铝液面的稳定 性，减少铝液面的波动，实现降低极距，减小槽电压，减少电耗的 目的。 该技术的发明，引导着当代铝电解槽的一次技术革命。 新型阴极结构电解槽目前已在全国大多数铝厂推广使用，平均节 电1000kW•h/t-Al。
一、关于新型阴极结构电解槽的阴极结构
新型阴极结构高效节能电解槽阴极结构的设计原则。
要使阴极铝液具有最小的铝液波动，为此：
1）阴极碳块上的凸起结构，应使铝液能在竖立的凸 起之间有流动性，且铝液的流速平稳，速度较小。 2）凸起上表面的铝液层的高度不能太高，也不能太 小。如太小容易使凸起展露于电解质熔体中，引起凸
参数 电流强度/kA 直流电耗 /(kWh/kg) 电流效率/％ KACC AP28 SY350 AP50 (1984) (1987) (2007) (2008) 195 13.1 94.7 282 350 500 13.2 95.7
排政策，是国家的重大需
求，也是国内外本学科领 域重点研究课题。
13.4 <13.2 94.6 >94