CN101935851B

CN101935851B - 一种预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法

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Publication number: CN101935851B
Application number: CN2010102974503A
Authority: CN
Inventors: 李劼; 肖胜华; 吕晓军; 丁凤其; 邹忠; 赖延清; 张宏安; 张红亮; 丁振涛; 张文根; 刘驰; 谢长春; 万玉浩
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN101935851A

Abstract

本发明公开了一种预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法，在铝电解槽的电解过程中，采用“五低三窄一高”工艺，主要技术参数：电解温度为920～935℃，过热度控制在8～12℃，氧化铝质量浓度1.8～2.5％，阳极效应系数≤0.02，槽电压为3.60～3.90V，阳极电流密度大于等于0.8A/cm²，同时，开发出与工艺相配套的智能多环协同优化与控制技术，从而实现预焙铝电解槽电流强化和节能的目的。实践证明，该预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法能在大幅提升阳极电流密度的同时显著降低槽电压。

Description

一种预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法。

技术背景

100多年来，工业铝电解生产一直沿用Hall-Heroult法传统工艺，尽管其基本原理不变，但其生产工艺技术却取得了较大的发展。对于我国铝电解技术而言，其工艺及其控制技术大致经历了四个阶段：

第一阶段(建国初期至上世纪70年代中期)：早期我国采用的自焙铝电解槽技术，其工艺特点是：槽工作设定电压4.25V，分子比高2.7～2.8，电解温度高960～980℃，电流效率低84～86％，人工边部下料，阳极效应系数高0.3～1.0。典型的“一低四高”工艺，其工艺与控制水平相对落后，直流电耗高达15000kWh/t.Al。

第二阶段(上世纪70年代中期至上世纪80年代)：上世纪八十年代，我国引进了的“日轻”160kA电解工艺技术，当时采用的是定时下料，在连续下料10次后停止下料，等待阳极效应，其工艺特点为：槽工作电压3.99V，槽温960～970℃，分子比2.8～3.0，阳极效应系数1.0～1.2，电流效率87.5％，直流电耗13800kwh/t.Al。尽管该工艺技术槽工作电压较低，但是其电解温度高，电流效率低，且氧化铝浓度控制不理想，阳极效应系数明显偏高，导致吨铝直流电耗仍高达13800kWh。

第三阶段(上世纪90年代至本世纪初)：上世纪九十年代至21世纪初，由于控制技术和装备水平的提高，我国大型预焙铝电解槽采用点式下料，通过自适应控制技术的开发，提高了氧化铝浓度控制技术。在生产工艺技术方面，提出了“四低一高”工艺技术，即低分子比，低阳极效应系数，低电解温度，低氧化铝浓度，高极距(高槽电压)。其工艺技术指标为：槽工作电压4.20～4.25V，电流效率从87.5％提高至93％左右，其原铝吨铝直流电耗达到13300kWh。

第四阶段(近5～7年)：随着国家对铝电解高耗能行业节能要求的提高，铝工业面临着更为严峻的节能挑战。各个铝电解企业针对自己的实践，呈现各自的节能工艺控制技术，如：“九区控制”，即是一种基于电解质初晶温度(过热度)和电解质温度测量值的分子比与设定电压综合控制法。还有些企业采用“折中路线”，即适当降低分子比、电解温度的同时，适当降低槽工作电压，以便获得较好的技术经济指标。2009年，我国原铝平均直流电耗降低到13118kWh/t-Al，而反映铝电解生产过程中温室气体(PFC)排放水平的阳极效应系数也已大大降低，一般将阳极效应系数控制在0.05～0.1次/槽·日范围内。

从我国铝电解技术发展进程来看，通过采用和实现不同的铝电解工艺技术条件及其控制算法，其吨铝电耗指标由最初的15000kWh降低到当前的13300kWh左右，影响显著，且进步明显。尽管如此，其电能利用率依然不足50％，离“零效应”目标还有一定差距，生产过程中仍产生大量的温室气体，铝电解工业面临的节能减排压力巨大。为此，有必要提出更好的方法，对原工艺进行优化与控制技术升级，实现铝电解大幅度节能减排的目标。

发明内容

本发明的目的是提出一种预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法，该预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法能在大幅提升阳极电流密度的同时显著降低槽电压。

本发明的技术解决方案如下：

一种预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法，其特征在于，在铝电解槽的电解过程中，技术参数为：电解温度为920～935℃，过热度控制在8～12℃，氧化铝质量浓度1.8～2.5％，阳极效应系数≤0.02，槽电压为3.60～3.90V，阳极电流密度提升至0.8～1.0A/cm2，从而实现预焙铝电解槽电流强化和节能的目的。

采用智能多环协同优化与控制方法，具体为基于多目标综合优化、多参数临界状态动态智能辨识的智能多环协同优化与控制，所述的多目标为高电效、低电耗、低排放、高稳定，所述的多参数为临界极距、临界过热度和临界氧化铝浓度，所述的多环为物料平衡控制环、热平衡控制环和稳定性控制环。

本发明采用采用“五低三窄一高”工艺。

下料控制与极距调整的关系中，氧化铝质量浓度跟踪期间采用下料控制，人工改变控制参数时，采用极距调整方式进行控制；在热平衡及极距与目标偏差大时，采用极距调整，反之采用下料控制。

本发明的技术构思：

针对我国炼铝电力成本高(电费占生产成本高达45％左右)、阳极电流密度偏低(0.72A/cm²左右)、且高电效与低电耗难以同时平稳实现的问题，本发明提出并开发了“五低三窄一高”新工艺及其配套的智能多环协同优化与控制技术，即可在大幅提升阳极电流密度的同时显著降低槽电压的高效节能型铝电解新工艺及其控制技术。

(1)“五低一高”工艺

本发明开发的“五低一高”工艺技术，即以低温、低过热度、低氧化铝浓度、低槽电压、低效应系数、高电流密度、高阳极电流密度为主要特征。以“五低”追求电解过程的高电效、低电耗和低排放、以“一高”追求电解过程强化增效并满足低电压下的热平衡要求。铝电解的理论研究及工业生产实践表明，要实现高电流效率，必须采用低温、低过热度、低氧化铝浓度电解工艺；要实现减排与节能，要尽可能采用低效应甚至“零效应”电解工艺。

对于我国预焙铝电解槽阳极电流密度设计值偏低的特点，采用低电压电解工艺，必须适当强化电流才能获得较理想的热平衡。通过160kA、200kA、300kA和400kA等多种槽型的研究表明，将槽电压降至3.60V～3.90V的范围内时，电流适当强化才能有利于电解槽获得理想的热平衡，并对提高电流效率发挥有利的作用。国外高阳极电流密度(≥0.95A/cm²)的道路已证明能获得较高的电流效率(94～96％)。理论上而言，提高阳极电流密度便相应地提高了阴极电流密度越高，而阴极电流密度越高，单位铝液镜面上原铝的产出量就越高，原铝产出量所分摊的铝二次反应损失量就变少了，电流效率相应提高。电解温度和过热度的高低对铝电解电流效率影响较大，且电解温度和过热度越高，铝的二次反应加剧，电流效率损失增大；而低温和低过热度有利于提高电流效率，但是，电解质对氧化铝的溶解能力下降，为此，必须开发出相应的控制技术，以实现在“低而窄”的浓度控制范围。

基于上述，本发明技术提出：相对较低的电解温度(920～935℃)、相对较低的过热度(8～12℃)、相对较低的氧化铝浓度(1.8～2.5％)、尽可能低的阳极效应系数(≤0.02)、相对较低的槽电压(3.60～3.90V)和相对较高的阳极电流密度(0.8～1.0A/cm²)，并简称为“五低”和“一高”。至于“低”和“高”的程度则不能绝对化，而是要针对一个电解系列的实际设计与装备水平和相关条件来进行针对性研究与设计。

智能多环协同优化与控制技术

1)“三窄”理念的提出

在现实生产中，两个采用相同槽型和相近工艺技术参数的电解系列却有大不相同的技术经济指标，其中一个很重要的原因是，尽管从生产报表中看到的电解槽工艺技术参数是相近的，但电解槽实际运行过程中工艺技术参数的波动范围可能大不一样。假如从生产报表中看到的电解系列的分子比同样都为2.3，但其中一个系列中分子比的波动范围是2.1～2.5，而另一个系列是2.2～2.4，则显然波动范围小的那个电解系列的电解槽稳定性好些，对应的技术经济指标肯定要好些。因此，要取得好的技术经济指标，不仅仅要设法将工艺技术参数控制在目标区，而且要使工艺参数在目标区域内的波动尽可能地小。

本发明通过实现铝电解过程的“三窄”控制——“窄物料平衡工作区、窄热平衡工作区、窄磁流体稳定性调节区”，提高铝电解槽在“临界状态”(即极距和磁流体稳定性处于临界状态)的运行稳定性。因为采用“五低一高”工艺技术条件后，电解槽的运行状态逼近了一种“临界状态”。其中，极距的“临界状态”(称之为“临界极距”)就是极距与电流效率关系曲线的“临界点”(图1)。如图1所示，随着极距的增加，电流效率按抛物线上升，在极距达L拐点前，随着极距的增加，电流效率上升较快；而在达L拐点(临界点)后，虽然极距增加，电流效率却提高不多。

我们的研究表明，电流效率-极距曲线上的临界拐点往往就是电解槽稳定性-极距曲线的临界拐点。电解槽稳定性用槽电阻波动特征值来描述。当稳定性处于“临界状态”(即极距位于临界极距)时，只要电解槽的工作电压低于某一“临界值”，槽电压便剧烈波动，而只要工作电压提高20～40mV(意味着极距提高“一丁点”)，槽电压便稳定了，这种状态对应的极距就是临界极距，但临界极距并不是一个固定值，它与电解槽的具体工况相关，电解槽的稳定性越好，临界极距就越小，电解槽就可以在较低的极距(对应较低的电压)下稳定运行；反之则临界极距就越大，电解槽就不得不在较高极距(对应较高的电压)下运行。临界极距无法在线直接检测也无需在线直接检测，因为可以通过计算机控制系统对槽电压稳定性(槽噪声)的特性进行分析来间接判断。

因此，在本发明技术中所开发的“智能多环协同优化与控制”程序中分别设立了反应电解槽热平衡、物料平衡和磁流体稳定性波动程度的特征参数作为对槽况稳定性进行“三维”描述的三个变量，并通过控制系统对这些变量的分析与控制来实现“三窄”控制目标。

2)铝电解槽临界状态控制策略

针对“五低一高”工艺下“三窄”控制目标的实现，本发明开发出智能多环协同优化与控制技术，其控制算法的基本构成如图2所示。

新控制算法主要包含如下算法模块：

1)多目标综合优化函数计算；

2)电解槽多参数临界状态动态智能辨识；

3)智能多环协同优化与控制。

与传统控制策略相比，新的控制策略综合考虑了电解槽物料平衡、能量平衡及磁流体运动稳定性这三个环节的相互耦合关系。因为在以“五低三窄一高”为主要特的新工艺条件下，电解槽能实现低电压、高电效、低效应运行的状态点是一种介于“稳定”与“不稳定”之间的临界状态。换言之，新工艺条件使电解槽走向高效低耗运行的同时，也使电解槽临近对工艺参数变化及噪声干扰极度敏感的“临界状态”空间。因此，开发能使电解槽在“临界状态”附近长期稳定运行的新型控制技术就变得十分关键。

为了获得理想的控制效果，电解槽物料平衡、能量平衡及磁流体运动稳定性这三个环节的相互耦合关系必须得到考虑。在临界状态下，随着状态可控空间的缩小，这种耦合关系尤为明显，传统控制策略没有涉及这方面的内容，但临界状态下的控制技术却无法回避这个问题。

3)多目标综合优化函数计算

在传统的控制方法中，控制系统对物料平衡及热平衡的控制是通过将相关设定参数控制在人工设定的目标范围内来实现控制目的。一方面人工设定值很少经常调整；另一方面人工设定值往往并不一定是最优值。在新工艺条件下，由于不同目标(高电效、低电耗、低排放、高稳定)之间的矛盾与冲突更加突出，因此控制系统若呆板地按照人工设定值来进行控制，往往并不能获得“综合效益”为最佳的控制效果。因此，本发明提出了构造“多目标综合优化函数”的技术思想与方法，该方法的基本思想是，由“多目标综合优化函数”计算模块根据“现实”的工艺技术条件及其与“理想”的工艺技术条件之间的偏差，按照“立足现实，追求理想”的理念，计算出一个与“现实”条件下最相匹配、同时又能推动“现实”向“理想”迈进的一组控制目标值(称之为“动态目标值”)。这组动态目标值不是单纯从追求某一个控制目标来确定，而是兼顾电解槽运行的四个方面，即高电效、低电耗、低排放和高稳定。在确定动态目标值后，控制系统再据此对相关人工设定参数做出一定范围内的调整，达到对人工设定值进行“自寻优”的目的。

4)多参数临界状态动态智能辨识

在传统控制算法中，控制系统主要对电解槽运行过程中的氧化铝浓度这一主要参数进行跟踪估计以便为氧化铝浓度控制提供依据，也有不少研究开发者提出了各种对电解质温度和过热度进行跟踪估计的算法，试图为电解槽热平衡控制提供依据。我们设计的“多参数临界状态动态智能辨识”算法则除了对反映电解槽物料平衡、热平衡和稳定性的状态参数与特征参数(包括：氧化铝浓度、极距、过热度、磁流体稳定性特征参数等)进行实时跟踪估计(获得对电解槽“当前实际状态”的完整描述)外，还对与“当前动态目标值”相对应的“当前临界状态”进行辨识与分析，并对“当前实际状态”与“当前临界状态”(临界氧化铝浓度、临界极距、临界过热度、临界稳定性等)的差距进行估算与分析，为“智能多环协同优化与控制”提供控制决策依据，使电解槽的状态尽可能向“临界状态”靠近。

“多参数临界状态动态智能辨识”模块的一大特色是，其包含一个功能强大的“槽电阻噪声分析器”(软件模块)，它充分利用电解槽运行在“临界状态”附近时阳极气膜电阻对物料平衡、热平衡及极距的变化十分敏感这一特点，通过对槽电阻噪声进行细致的频谱分析，从频谱图中辨识出氧化铝浓度、过热度、极距以及炉膛状态信息，将频谱辨识方式获得的信息与其他分析方式获得的信息进行综合分析，就可以得到更加准确的电解槽“当前实际状态”与“当前临界状态”信息。

5)智能多环协同优化与控制

“智能多环协同优化与控制”模块由“物料平衡智能控制”、“热平衡(及极距)智能控制”、“槽稳定性智能控制”以及“智能多环协同优化”四个子模块构成。这些模块的技术特点如下：

①物料平衡智能控制

在传统模糊激励分档及模糊推理的基础上，提出了窄区域氧化铝浓度控制算法，通过引入激励强度因子和激励速度因子，增加物料平衡分析在氧化铝浓度控制综合分析中的权重，使浓度控制不但能控制在低浓度区域，而且精度明显提高。整体来说，在浓度控制精度提高，浓度区间收窄的情况下，激励强度因子应靠近下限区间。另外，在物料平衡控制中，利用“多参数临界状态动态智能辨识”的辨识结果，引入(临界)过热度影响因子及(临界)磁流体稳定性影响因子，从而充分考虑热平衡及槽稳定性这两个环节对物料平衡的耦合作用。在供电正常，电解槽工艺技术条件合理、人工操作规范的前提下，能准确将氧化铝浓度控制在1.8-2.5％的范围内；同时在正常换极操作后能在很短时间(1-2小时)回归低浓度控制区间。对换极操作不规范，造成大量物料渗入的情况也能在4-5小时内达到低浓度控制区间。

②热平衡(及极距)智能控制

在传统极距调整(即电压调节)的“双死区”模型的基础上，增强控制算法的灵活性，提高控制系统对人工设定电压(即人工设定电阻)的适应能力和自调节能力；在极距调节的决策算法中，利用“多参数临界状态动态智能辨识”的辨识结果，引入(临界)过热度影响因子、(临界)氧化铝浓度影响因子和(临界)磁流体稳定性影响因子，从而使热平衡及极距的控制不再是简单的基于槽电阻单因素分析的电压调节。

为了进一步增强电解槽下料控制与极距调整之间的协同性，本发明技术提出并采用了“两中心、两优先”的协同控制策略：下料控制与极距调整的关系中，浓度跟踪期间以下料控制为中心，人工改变控制参数时，以极距调整为中心；在热平衡(及极距)与目标的偏差大时，极距调整优先，反之下料控制优先。

此外，本发明还针对换极对临界状态下的能量平衡控制影响非常显著这一特点，优化了换极后的能量平衡控制策略，使换极时的能量损失尽快得到补偿。

③槽稳定性智能控制

本模块主要功能是，利用“多参数临界状态动态智能辨识”获得的槽稳定性辨识结果(包括“当前稳定性”、“临界稳定性”以及这两者的发展趋势和两者之间的差异)，对与槽稳定性相关的设定参数进行调整，并在电解槽稳定性越过了某一极限时直接转入特定的下料与极距控制模式。

④智能多环协同优化

本发明设计了一种“智能多环协同优化策略”，它依据“多目标综合优化函数计算”模块以及“多参数临界状态动态智能辨识”模块的输出，确定物料平衡、热平衡(及极距)、槽稳定性这三个控制环的发展方向并作出控制优化决策。这种优化决策包括对上述三个控制环中使用到的相关影响因子进行调整，从而达到协同优化与控制的目标。

本发明技术通过控制算法的升级，大大提高了控制精度和过程稳定性，有利于取得高电效、低电耗、低排放、高稳定运行效果。

有益效果：

本发明的优点在于：

1)本发明技术解决了强化电流与降低极距(降低槽电压)的矛盾、降低极距(降低槽电压)与提高电解槽稳定性和提高电流效率的矛盾，实现了显著增加单位产能的同时大幅度节能的目标。

2)本发明技术通过控制算法的升级，大大提高了控制精度和过程稳定性，有利于取得高电效、低电耗、低排放、高稳定运行效果。

附图说明

图1为电流效率随极距的变化曲线；

图2为智能多环协同优化与控制算法的基本构成图；

图3为某铝厂300kA电解槽实施“预焙铝电解槽电流强化与高效节能技术”后的历史曲线。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。

实施例1

在某铝厂160kA铝电解系列和200kA铝电解系列中，通过应用“预焙铝电解槽电流强化与高效节能技术”，在线进行工艺优化与控制技术改造升级，主要工艺技术参数如下：

阳极电流密度：由0.72A/cm²提高到0.83A/cm²；

槽工作电压(含分摊的外母线压降等黑电压)：从4.15～4.20V降低到3.80～3.86V(其中，系列中槽龄在1年以内的新开槽的平均工作电压为3.66V)；

电解温度：由945～955℃降低到925～935℃；

过热度：8～12℃；

氧化铝浓度：1.8～2.5％；

阳极效应系数：≤0.02次/槽·日。

通过一年来的工业应用及其统计考核结果表明：工艺参数的控制精度与可靠性显著提高，历史运行曲线如图3所示，电流效率从原来的92.5％提高到93.5％，平均直流电耗由13500kWh/t-Al降至12200kWh/t-Al(系列中新开槽的直流电耗降低到11800kWh/t-Al)，在增产15.3％的同时节能9.6％，能量利用率超过50％，由于生产过程的改善和阳极效应系数的降低，使生产系列的PFC温室气体排放量降低了80％。

实施例2

在某铝厂300kA铝电解系列和400kA铝电解系列中，通过应用“预焙铝电解槽电流强化与高效节能技术”，在线进行工艺优化与控制技术改造升级，主要工艺技术参数如下：

阳极电流密度：由0.72A/cm²提高到0.81A/cm²；

槽工作电压(含分摊的外母线压降等黑电压)：从4.17～4.23V降低到3.65～3.76V；

电解温度：由950～965℃降低到925～935℃；

氧化铝浓度：1.8～2.5％；

阳极效应系数：≤0.018次/槽·日。

通过一年来的工业应用及其统计考核结果表明：工艺参数的控制精度与可靠性显著提高，历史运行曲线如图4所示，电流效率从原来的92.5％提高到93.8％，平均直流电耗由13520kWh/t-Al降至11860kWh/t-Al，在增产12.5％的同时节能12.3％，能量利用率超过50％，由于生产过程的改善和阳极效应系数的降低，使生产系列的PFC温室气体排放量降低了84％。

Claims

1.一种预焙铝电解槽电流强化与高效节能的方法，其特征在于，在铝电解槽的电解过程中，技术参数为：电解温度为920～935℃，过热度控制在8～12℃，氧化铝质量浓度1.8～2.5％，阳极效应系数≤0.02次/槽·日，槽电压为3.60～3.90V，阳极电流密度提升至0.8～1.0A/cm²，从而实现预焙铝电解槽电流强化和节能的目的。