铝电解槽过电压和降低能耗
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2
历史与未来铝电解发展的先进指标1980，2000，2020
（未来的趋势：高阳极电流密度，低电压，高电流效率和低电耗
Ref.: Thonstad et al., “Aluminium Electrolysis”, 3rd Edition, Aluminium-Verlag 2001
历史与发展的指标 电流强度 (kA) Cell voltage (V) 电流效率 (%) 直流电耗 (kWh/kg Al) 槽寿命 (days) 阳极电流密度(A/cm2)
百度文库
7
石墨化阴极的贡献： 1)降低槽底压降+增加散热=为提高电流提供空间 石墨化阴极炭块的电压降在槽寿命期间一直保持稳定 2)已经证明钠对阴极的膨胀作用大于机械膨胀，而石墨化 阴极炭块能使阴极的膨胀大幅度减少，因此对耐磨性问题要 重新评价
8
9
10
为了多产铝和降低电压不惜一切代价
11
12
阳极过电压
Light Metals 1982,“Advanced Energy Saving of Aluminum 6 Reduction Cell”
20几年前的措施
•132KA 原槽壳不变，采用 MLI （三菱轻金属）的 沥青焦为基础的半石墨化阴极和圆形大阴极棒， 炉底压降预计降低0.2V,实际降低0.21V. •采用中间下料，在侧部保温等内衬方面进行改 进，大幅度降低热损失； •为了降低垂直磁场的影响将阴极母线进行改造； •自动控制平衡氧化铝加料。
阳极过电压=反应+ 浓差
13
14
阳极过电压
• 阳极上的极化电压比较高，一般高于0.5V • 极化电压可能受阳极电流密度和氧化铝浓度的 影响 • 由于电解质析出的气泡搅动的原因,使得氧化铝 浓度的影响减少到最小,但是氧化铝浓度过低时 例外 • 总之，极化作用可以通过增加氧化铝浓度，提 高电解质温度，增大阳极的实际面积和减少阳 极电流密度来实现
铝电解槽阳极过电压和降低电耗
1
关于槽电压霍平等世界铝专家的意见
对于一个给定设计的电解槽，在电流稳定的条件下， 铝电解槽的生产必须有一个最佳的槽电压，对某个铝 厂而言，最佳的目标槽电压应该随经济条件而定。虽 然，近 50年来，铝业界坚定不移在降低槽电压，但是， 到现在为止，对于200KA和以上电流的电解槽，似乎 全世界的槽电压均控制在 4.1-4.15V这个水平。有趋势 表明目前铝业界仍在不断的改进技术继续降低槽电压， 然而，在导流式阴极与增加热绝缘的惰性(耐腐蚀）侧 部材料没有在工业上使用之前（侧部短命），除了石 墨化有一定的贡献之外，更多的降低槽电压似乎是极 为困难的。
典型磁场 最大 G s BX BY BZ
铝液流速 cm/s平均/最大
100-150 100-200 80-120 10/25 2/5
100-150 80-120 120-180 10/25 2/8
150-200 20-40 15-30 5/15 4/2
180-220 30-50 15-40 4/2 4/24
电解槽配置形式 立母线的配置位置 电流运行范围 原技术开发公司 KA
有无邻列磁场补偿
没有 0.80-0.88
典型阳极电流密度 A/cm2
电流效率
槽电压
% V
88-93
91-94
93-95
4.5-4.7
15.0
4.4-4.6
14.5
4.2-4.3
13.5
4.1-4.2
13.2
电能消耗 DC kwh/kg Al
5
新型槽：采用半石墨化阴极炭块和阳极为沥青焦
体积密度 电阻率（µ cm） 膨胀率%
MLI半石墨化 1.6-1.7 1200-1500 0.1 无烟煤 1.4-1.5 4000-4500 0.8
1981年1月至9月 电流（KA） 阳极电流密度 （A/cm2） 槽电压（ V） 电流效率（%） DC*kwh/kg） 设计 150 0.80 3.85-3.90 91-93 12.3-12.8 新型槽 150 0.80 3.90 92 12.6 原有 132 0.70 4.09 89.0 13.7
金属隆起h=cm（最大） 短轴方向/长轴方向
日本坂出铝厂是世界上曾经达到最低电压的电解槽
132KA；电流效率91.3%；槽电压：3.74V；DC:12.2kwh/kg。
• 电解质成分：LiF-1.5%,过剩AlF3-6%;采用低效应控制技术;
单位 电流 电流效率 槽电压 DC消耗 KA % V Kwh/Kg
Year 1980 225 4.10 94.0 13.0 1500 0.80
Year 2000 325 4.10 95.5 12.8 2000 2800 0.85
Year 2020 500 - 600 3.9 - 4.0 96.0 97.0 12.0 12.4 3000 0.95 3
不同年代、不同电流和不同电解槽形式的比较[Light Metal Age，Feb 2007 pp 28-30]
电解槽比较项目 1965—1980 纵向 端头或 端头+大面 120-180 瑞士铝 加铝 海德鲁 德铝联VAW VAMI 几乎都有 0.70-0.80 1970—1985 横向 端头 （2或4根） 150-180 恺撒 P69 雷诺P19 1980—近期 横向 大面 （2或4根） 180-220 AP18/21 Alcoa697 CD20 VAW CA 180 雷诺P20 恺撒P86 几乎没有 0.80-0.85 1990—近期 横向 大面 （4、5、6根） 250-350 AP30/35 Alcoa A817 VAMIC255/C280 GAMI GP320 SAMI SY300 HAL250 几乎都有 0.72(中国) 0.80(俄罗斯) 0.85(西方) 94-96
传统电解质成分 1981 134 89.4 4.12 13.7
Li电解质+AE控制 1981 132 90.4 4.02 13.2
1982年(1-6月) 132 90.3 3.96 13.1
阳极消耗
Li2CO3消耗
Kg/kg
Kg/kG
435
-
420
1.4
414
1.2
Light Metals 1983,P577-586 “Substantial Energy Saving in Existing Potlines ”S.Tanji O.Fujishima
历史与未来铝电解发展的先进指标1980，2000，2020
（未来的趋势：高阳极电流密度，低电压，高电流效率和低电耗
Ref.: Thonstad et al., “Aluminium Electrolysis”, 3rd Edition, Aluminium-Verlag 2001
历史与发展的指标 电流强度 (kA) Cell voltage (V) 电流效率 (%) 直流电耗 (kWh/kg Al) 槽寿命 (days) 阳极电流密度(A/cm2)
百度文库
7
石墨化阴极的贡献： 1)降低槽底压降+增加散热=为提高电流提供空间 石墨化阴极炭块的电压降在槽寿命期间一直保持稳定 2)已经证明钠对阴极的膨胀作用大于机械膨胀，而石墨化 阴极炭块能使阴极的膨胀大幅度减少，因此对耐磨性问题要 重新评价
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为了多产铝和降低电压不惜一切代价
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阳极过电压
Light Metals 1982,“Advanced Energy Saving of Aluminum 6 Reduction Cell”
20几年前的措施
•132KA 原槽壳不变，采用 MLI （三菱轻金属）的 沥青焦为基础的半石墨化阴极和圆形大阴极棒， 炉底压降预计降低0.2V,实际降低0.21V. •采用中间下料，在侧部保温等内衬方面进行改 进，大幅度降低热损失； •为了降低垂直磁场的影响将阴极母线进行改造； •自动控制平衡氧化铝加料。
阳极过电压=反应+ 浓差
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阳极过电压
• 阳极上的极化电压比较高，一般高于0.5V • 极化电压可能受阳极电流密度和氧化铝浓度的 影响 • 由于电解质析出的气泡搅动的原因,使得氧化铝 浓度的影响减少到最小,但是氧化铝浓度过低时 例外 • 总之，极化作用可以通过增加氧化铝浓度，提 高电解质温度，增大阳极的实际面积和减少阳 极电流密度来实现
铝电解槽阳极过电压和降低电耗
1
关于槽电压霍平等世界铝专家的意见
对于一个给定设计的电解槽，在电流稳定的条件下， 铝电解槽的生产必须有一个最佳的槽电压，对某个铝 厂而言，最佳的目标槽电压应该随经济条件而定。虽 然，近 50年来，铝业界坚定不移在降低槽电压，但是， 到现在为止，对于200KA和以上电流的电解槽，似乎 全世界的槽电压均控制在 4.1-4.15V这个水平。有趋势 表明目前铝业界仍在不断的改进技术继续降低槽电压， 然而，在导流式阴极与增加热绝缘的惰性(耐腐蚀）侧 部材料没有在工业上使用之前（侧部短命），除了石 墨化有一定的贡献之外，更多的降低槽电压似乎是极 为困难的。
典型磁场 最大 G s BX BY BZ
铝液流速 cm/s平均/最大
100-150 100-200 80-120 10/25 2/5
100-150 80-120 120-180 10/25 2/8
150-200 20-40 15-30 5/15 4/2
180-220 30-50 15-40 4/2 4/24
电解槽配置形式 立母线的配置位置 电流运行范围 原技术开发公司 KA
有无邻列磁场补偿
没有 0.80-0.88
典型阳极电流密度 A/cm2
电流效率
槽电压
% V
88-93
91-94
93-95
4.5-4.7
15.0
4.4-4.6
14.5
4.2-4.3
13.5
4.1-4.2
13.2
电能消耗 DC kwh/kg Al
5
新型槽：采用半石墨化阴极炭块和阳极为沥青焦
体积密度 电阻率（µ cm） 膨胀率%
MLI半石墨化 1.6-1.7 1200-1500 0.1 无烟煤 1.4-1.5 4000-4500 0.8
1981年1月至9月 电流（KA） 阳极电流密度 （A/cm2） 槽电压（ V） 电流效率（%） DC*kwh/kg） 设计 150 0.80 3.85-3.90 91-93 12.3-12.8 新型槽 150 0.80 3.90 92 12.6 原有 132 0.70 4.09 89.0 13.7
金属隆起h=cm（最大） 短轴方向/长轴方向
日本坂出铝厂是世界上曾经达到最低电压的电解槽
132KA；电流效率91.3%；槽电压：3.74V；DC:12.2kwh/kg。
• 电解质成分：LiF-1.5%,过剩AlF3-6%;采用低效应控制技术;
单位 电流 电流效率 槽电压 DC消耗 KA % V Kwh/Kg
Year 1980 225 4.10 94.0 13.0 1500 0.80
Year 2000 325 4.10 95.5 12.8 2000 2800 0.85
Year 2020 500 - 600 3.9 - 4.0 96.0 97.0 12.0 12.4 3000 0.95 3
不同年代、不同电流和不同电解槽形式的比较[Light Metal Age，Feb 2007 pp 28-30]
电解槽比较项目 1965—1980 纵向 端头或 端头+大面 120-180 瑞士铝 加铝 海德鲁 德铝联VAW VAMI 几乎都有 0.70-0.80 1970—1985 横向 端头 （2或4根） 150-180 恺撒 P69 雷诺P19 1980—近期 横向 大面 （2或4根） 180-220 AP18/21 Alcoa697 CD20 VAW CA 180 雷诺P20 恺撒P86 几乎没有 0.80-0.85 1990—近期 横向 大面 （4、5、6根） 250-350 AP30/35 Alcoa A817 VAMIC255/C280 GAMI GP320 SAMI SY300 HAL250 几乎都有 0.72(中国) 0.80(俄罗斯) 0.85(西方) 94-96
传统电解质成分 1981 134 89.4 4.12 13.7
Li电解质+AE控制 1981 132 90.4 4.02 13.2
1982年(1-6月) 132 90.3 3.96 13.1
阳极消耗
Li2CO3消耗
Kg/kg
Kg/kG
435
-
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414
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Light Metals 1983,P577-586 “Substantial Energy Saving in Existing Potlines ”S.Tanji O.Fujishima