梅特索尔电解槽介绍

梅特索尔(MetSol)铝电解槽是由梅特索尔公司(MetSol Ltd.)研发的，于2017 年秋定型，目前已在黑山(Montenegro)卡普 (KAP)铝厂实地运行了约两年，运转结果完全达到了预期目标，有良好的节能减排效果，适用于当下全球所有的电解槽，所以笔者认为它是通用的。它是一种低能耗的电解槽(LE槽，low energy cell )，理论上比现行电解槽的能耗约低1000 kWh／t铝。2019年中国原铝产量3504万吨 ,如果节能达到MetSol电解槽水平就可节约电350×108 kWh，如果平均电价按0.4元／kWh计算，可以获得140亿元的收益,而且在环保方面也会有更高的效益。

原铝提取是能源密集型产业，能耗占原铝总生产成本的30%～35%，同时能源成本还在持续上升，因此世界原铝产业面临着双重压力与挑战：能耗大，温室气体排放多。这使北美与西欧一些原铝生产企业不得不退出一部分产能，甚至全面关停。有的企业为了维持生产，不得不想方设法改进工艺以节约能源。另外，为了改善环境，减少温室气体排放，一些政府组织出台了碳排放税或温室气体排放税，迫使原铝生产企业加快节能减排工艺研发。

梅特索尔槽结构

梅特索尔槽与传统铝电解槽相比，外表上并没有什么不同，但在电控系统与机械结构方面作了不少改进。

电气系统

在电气控制系统中, 梅特索尔槽采用了先进工艺控制器(APC，Advanced Pro-cess Control)，APC是利用复式传感器收集来的氧化铝添加器数据，进行一系列计算得到的信号来驱动PLC(可编程的逻辑控制，Programmable Logic Contol)。可以将槽内的物料平衡控制得很精准，并能抑制阳极效应,这种复式传感器(multiple sensor)能提供物料的真实添加时间，这对工艺过程的大数据分析很重要,可连续优化每一个槽的工艺过程与每一步操作。

APC可以轻松有效地使电解电流效率平均提高约1%，同时可使槽的工作电压下降，因而吨铝能耗可以下降300kWh～500kWh，而收益大的还在于阳极效益，不但发生频率大大减少，而且持续时间缩短。APC的另一个忧点是，能有效地清除槽底淤积物，因而CVD(阴极压降，Cathode Voltage Drop)至少可减小10 mV。另外，APC与MetSol MPF(多点给料器，Multi Point Feeding)的联合运用可以生产纯度≥98.80%的原铝。

APC产品有两种形式：一种是与现有电解槽微型计算机联成一体；另一种是形成一个独立系统，安装于一间独立的控制室内。现在梅特索尔公司都有现成产品供用户选择。

机械系统

高性能阳极系统(HPAA)

梅特索尔公司可以提供高性能的阳极系统( HPAA, High Performance Anode Assembly)与高性能立柱(HPAS, High Performance Anode Stub)，它们实际上都组装在一起。这种Metsol HPAA是用钢包铜芯材料制成的，因而不会有大的电压降，同时由于铜的电阻小与良好的导热能力，从而可进一步提升槽电流。

多点下料器MPF

梅特索尔槽多点下料器(MPF, Multi foint Feed )受到专利保护，由MPF硬件和工艺逻辑电路(PCL, Process Control Ligic )组成。硬件由模块式漏斗、表壳破碎机和下料器组成，可很方便地装于现行电解槽上部结构上。另外，由于采用下料器，电解槽可加长一些,因而可以加大电流，能量效率可大幅提升。

阴极

梅特索尔电解槽的高性能阴极(HPCA，High Perfor-mance Cathode Assembly) 是梅特索尔公司与碳味(CarboneSavoie)公司开发的，碳味公司是德国一家大的铝电解槽阴极炭素领跑者。

高佳能阴极的主要组成为：

内有集流棒的阴极炭素块砌体(Carbon cathode block),电解槽的基本组成之一；

电补偿板(ECPs, Electrically Compensating plates)与接触塞( CP, Contact Plug )。它们能确保电流分布均匀，从而降低阴极压降( CVD, Cathode Voltage Drop ),还能促进槽内电流垂直流动，改善电流效率。

采用高性能阴极后，槽内铝的流动放慢了，不但阴极磨损显著下降,而且流型得到改善。

空气冷却阴极凸耳(ACCT)

空气冷却阴极凸耳(ACCT, Air cooled Cathode Tab)是一片以空气冷却的螺钉连接的接线片，以降低电阻，从而减少能耗。阴极凸耳可消除螺钉接线的集流杆上绿色渗出物的形成，从而减少压降，ACCT通常以单件供应，可在市场上买到。

铜芯集流杆(CCCB)

铜芯集流杆( CCCB, Copper Cored Collector Bar)是用钢包铜棒制的， 是一项专利技术，可减少槽的工作电压100 mV以上，也就是说工作电流至少可增加10%。此工艺已在现行电解槽上试用三年有余，取得了良好的效果。最明显的是：电压下降100 mV,阴极腐蚀减少，槽龄延长。CCCB技术可使现行电解槽的电流强度加大，从而提升产量。因此，CCCB的制造加工至关重要，关注焦点：

必须注意热循环与蠕变；

运转与停槽时应注意结构维护／电气装备的完整性；

系统必须有弹性(灵活性)，不能超过1000℃。

所有的元器件可单件供应，也可以以一个完整槽的形式供应,以后一种形式供应时可以取得最大的节能减排效果，在经济上也更可取(表1)。

梅特索尔电解槽的鉴定

梅特索尔电解槽的鉴(评)定模型见表2,对影响成本与节电最大的结构进行了鉴(评)定,采用铜具有最大的节电效果。

试验槽1是首台参与鉴定的槽，相当简单，仅带有Sic断路器节点的多点下料器(MPF)，后来增加了工艺控制器(APC，Process Cntrol),在其他3种槽参与鉴定试验之前，它已运行了约2年。

试验槽2及3是完全的也即是“全幅武装的”梅特索尔槽，用的是有4个断路器点(four breaker point)的多点下料器，对阳极杆作了改造，中间开了一条较宽的中央槽。

试验槽4的结构与试验槽2、3相似，不同的是没有任何铜制元件，因此没有用高性能阳板系统(HPAA)和铜芯集流棒(CCCB)。

梅特索尔槽的效能

通过在黑山卡普铝厂2年多的试运行与科学鉴定，梅特索尔铝电解槽的效能与优点可概括如下（见表3）：

电能消耗下降760 kWh／t铝；

电流效率(CE，current efficiency)上升1.2%；

阳极效应(AE，anode effect)大幅度减少；

炭素消耗下降40kg／t铝；

阴极压降(CVD, Cathode Votage Drop)减小60mV。

如果卡普铝厂所有的电解槽都升级为梅特索尔槽，那么工厂的原铝提取成本可下降到1650USD／t铝，已突破伦敦金属交易所(LME)的底线,着实难能可贵。另外,梅特索尔槽装备一但安装与调试完毕即可转入正常运转与获得收益。

将现有的电解槽改为梅特索尔槽工程量不大,投资也不多,投资回收期(ROI)还不到一年，所有的现行电解槽都可以顺利地改为梅特索尔槽,除了阴极设备如高性能阴极(HPCA)外,其它的都可以在电解槽正常运行时安装，可以迅速安全换装。

结束语

据德刊《Aluminium·1-2／220:56-59》报道,梅特索尔电解槽已在黑山卡普(KAP)铝厂正常运转两年多，电耗低于12700kWh／t铝,这可是破世界纪录的，在原铝提取发展史上具有划时代意义。据统计，截至2020年2月，我国原铝建成产能约为4151万吨／年，运行产能约为3556万吨／年。如按平均能耗13531kWh／t铝计算,比梅特索尔槽约高831kWh／t铝，如此一来，整个铝电解产业就多消耗了约295×108kWh电能，这是非常庞大的数字，从而也说明了我国铝电解产业有着很大节电潜力。

笔者编译此文目的就是希望有关企业如认为有必要，不妨深入了解一下，到黑山卡普铝厂去看看,据称美国、印度、加纳都已引进此技术。