电解铝ppt.ppt

一、铝电解的基本知识,1、铝的性质与应用,密度小、导电性好熔点为660.37万能金属绿色、低碳、节能、生态,一、铝电解的基本知识,2.1世界铝资源分布,2.2中国铝资源分布,一、铝电解的基本知识,我国的铝土矿多集中于煤或水电丰富的中、西部地区，有利于开发利用。山西、河南、贵州和广西储量最多，合计占全国储量的88.08%。我国的铝土矿床类型以沉积型为主，已探明的储量中，属沉积型矿床的储量占92.25%；其中适于坑采的占45.49%；完全露采的占24.32%；适合露采与坑采结合的储量占29.79%。坑采储量大造成开采成本较高。在所有矿床中，中小型矿床多，大型、超大型矿床少。在已探明的300多个铝土矿矿床中，达到大型矿床规模（大于2000万吨）的有31个，达到1亿吨的矿床很少。一水硬铝石占大多数，铝硅比较低。一水硬铝石占全国总量的98.46%；铝硅值全国平均值为5.47。,一、铝电解的基本知识,2.3中国铝资源情况,金属铝最初用化学法制取。1825年丹麦Oersted用钾汞还原无水氯化铝，得到一种灰色的金属粉末。1845年德国Wohler把氯化铝气体通过熔融的金属钾表面，得到金属铝珠1854年法国Deville用钠代替钾还原NaCl-AlCl3络合盐，制取金属铝。当时称铝为“泥土中的银子”。1855年Deville在巴黎世界博览会上展出了12块小铝锭，总质量约为1kg。1854年在巴黎附近建成了世界上第一座炼铝厂。这30多年内采用化学法总共生产了约200t铝。,一、铝电解的基本知识,3铝的生产过程,1886年，美国的Hall和法国的Hroult通过实验不约而同的申请了冰晶石氧化铝融盐电解法炼铝的专利，得到批准。这就是历来所称的Hall-Hroult（霍尔埃鲁）法。1888年美国匹兹堡电解厂开始用冰晶石氧化铝融盐电解法炼铝。瑞士始于1888年，法国始于1889年，英国1890年，德国1898年，奥地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前苏联1931年。100多年来，Hall-Hroult（霍尔埃鲁）法成为唯一的工业炼铝方法，沿用至今。,一、铝电解的基本知识,Hroult申请专利的铝电解槽简图(1886年4月23日),1887年的Hroult专利电解槽简图,一、铝电解的基本知识,铝电解槽作为熔盐电解法炼铝的最主要设备，自发明以来发生了很大变化。首先是结构发生了较大变化,这主要表现在阳极最终由自焙型逐渐演变为预焙型;最直观和最重要的变化还当属电解槽容量(尺寸，电流强度)的变化。自20世纪70年代后，伴随着计算机技术的发展，新型商用计算机软件的推出和应用，铝电解槽发展呈现出突飞猛进的势头。电流强度已由100200kA，跃至300400kA，以至当今最大型铝电解槽500kA。该电解槽电流效率达95%，单位能耗为13140kWh/t。相比AP30电解槽，投资下降15%，制造成本降低10%，劳动生产率提高36%。,一、铝电解的基本知识,4国内外工业铝的生产现状,图3.1上世纪6080年代以前广为使用现仍有少量存在的侧插阳极棒自焙阳极电解槽,一、铝电解的基本知识,图3.2上世纪6080年代广为使用的上插阳极棒自焙阳极电解槽,一、铝电解的基本知识,在上世纪6070年代，上插棒自焙阳极电解槽在世界范围内得到了很大发展，其电解槽的最大电流强度达到了170180kA。,图3.3当代的预焙阳极电解槽,一、铝电解的基本知识,表4.1国外主要槽型的技术指标,4国内外铝电解技术现状,一、铝电解的基本知识,4国内外工业铝电解技术现状,表4.2国内外电解槽的典型参数,一、铝电解的基本知识,国内主要铝厂,抚顺铝厂中国最早的铝厂百色平果铝厂中铝公司贵州铝厂中国铝业公司青海铝厂中国铝业公司青铜峡铝业集团公司云南铝业股份有限公司包头铝业集团公司总电投集团旗下的铝厂兰州铝业股份有限公司和兰州连城铝业有限公司郑州铝厂中国铝业公司,一、铝电解的基本知识,一、铝电解的基本知识,平果铝厂,平果320KA铝电解,抚顺230KA铝电解,一、铝电解的基本知识,一、铝电解的基本知识,贵州铝厂200KA,贵州铝厂烟气净化系统,青海200KA铝电解槽,伊川300KA铝电解槽,一、铝电解的基本知识,南山300KA铝电解槽,兰州200KA铝电解槽,一、铝电解的基本知识,青铜峡200KA铝电解槽,一、铝电解的基本知识,国内在电解铝方面有突出贡献的专家和学者,挪威格罗泰姆教授（kaiGrjotheim)邱竹贤，先后在四川、台湾、抚顺铝厂任工程师12年。1955年调东北大学任教。中国工程院院士，挪威技术科学院国外院士，挪威科学院国外院士。培养硕士研究生26名，博士生32名。先后出访了奥地利、挪威、丹麦、日本、美国、澳大利亚、新西兰、俄罗斯等国的大学、铝厂和研究所，参加科研合作，刘业翔，有色冶金工业电化学专家，中国工程院院士。在国内最先研究成功铝电解TiB2涂层阴极，其节电、增产及延长设备寿命效果显著；大型预焙铝电解槽智能模糊控制技术达国际先进水平，并已推广应用。冯乃祥,一、铝电解的基本知识,5、铝工业发展趋势,近几年世界铝产量和消费量,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）,一、铝电解的基本知识,20062009年我国铝电解产量,一、铝电解的基本知识,一、铝电解的基本知识,最新的铝价格,现代铝工业有三个主要生产环节：(1)从铝土矿提取氧化铝(2)用冰晶石氧化铝熔盐电解法生产铝。电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2和CO，在工业电解槽内，电解质通常由95%wt冰晶石和5%氧化铝组成，电解温度为950970。铝液用真空抬包抽出后，经过净化和过滤，烧铸成商品铝锭，其纯度可达到9.5%99.8%。生产1吨铝所需的工业氧化铝量大约是1.921.94吨。(3)铝加工此外，还有两个重要的辅助环节：(1)炭素电极制造(2)氟盐生产,二、铝电解生产的基本原理,二、铝电解生产的基本原理,Anodereaction:2Al2O2F62-+CCO2+4AlF3+4e-Cathodereaction:AlF63-+3e-Al+6F-AlF4-+3e-Al+4F-Overallreaction:2Al2O3(s)+3C(s)4Al(l)+3CO2(g),Inertanodes:overallreactionAl2O3(s)2Al(l)+3/2O2(g)Currentefficiency:namedasCE,电解生产系统主要包括以下几个部分：电解车间（计算机控制）氧化铝储运及供配料阳极组装电解烟气净化铝液铸造槽大修及有色焊,铝电解生产系统,二、铝电解生产的基本原理,二、铝电解生产的基本原理,电解槽的主体结构,二、铝电解生产的基本原理,出铝操作（法国300kA槽）,二、铝电解生产的基本原理,1、以预焙槽为主，电流300500kA；2、较低的槽电压和较高的电流效率；直流电耗1300013300kWh/t-Al；综合交流电耗14000kWh/t-Al；3、使用自动控制技术1）槽电压控制；2）槽电阻控制：氧化铝浓度对槽电阻有重大影响，计算机通过槽电阻监控电解质中氧化铝浓度，从而控制电解槽中的氧化铝浓度。4、氧化铝浓度得到监测与严格控制，使阳极效应系数大大降低有的达到0.01次/槽天以下。5、低温铝电解,二、铝电解生产的基本原理,1铝电解的电流效率,盐电解与水溶液电解和有机溶液电解一样，其电解反应是借助电流的作用而进行的化学反应，在电解过程中阳极和阴极反应所获的产物的数量都遵循法拉第定律。法拉第定律：电解时，在电极上所析出的物质的重量与通过溶液(或熔液)的电量成正比。法拉第定律也可以说成是：电解时析出1克当量的任何物质所需要的电量都等于96487库仑，这个数值(96487库仑)叫做法拉第常数。,二、铝电解生产的基本原理,1铝电解的电流效率,q=0.3356It10-3式中q每台电解槽的铝产量I系列电流，At电解时间，h,二、铝电解生产的基本原理,1.1铝电解槽电流效率降低的原因1.二次反应，铝从阴极表面溶解（物理的或化学的）,七、铝电解槽电流效率,2电解槽漏电，或局部极间短路；3铝的不完全放电所引起的电流空耗损失4其他离子放电所引起的电流效率损失；5钠离子电解生成金属钠,1.1铝电解槽电流效率降低的原因,二、铝电解生产的基本原理,1.2若干技术参数对电流效率的影响a）温度、过热度；b）电解质分子比；c）添加剂（LiF、CaF2）；,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,氧化铝浓度影响（右）(AlF3浓度过量8.5；5CaF2；电解温度965),e）极距；f)电流密度;g）氧化铝浓度；,d）槽膛形状；,二、铝电解节电的基本原理,1.3提高电解槽的电流效率：,提高1，约降低电耗150kWh/t-Al。,方法：电解温度过热度电解质成份提高铝液面稳定性,二、铝电解节电的基本原理,阳极效应,阳极效应是熔盐电解中发生在阳极上的一种特殊现象。当其发生时，槽电压上升到20-40伏，阳极周边出现明亮的弧光放电现象，并发出噼啪声，此时阳极和导电母线振动，系列电流发生波动。,二、铝电解生产的基本原理,2阳极过程,2.1铝电解阳极效应的外观特征是：1.在阳极周围发生明亮的小火花，并带有特别的响声和吱吱声；2.阳极周围的电解质有如被气体拨开似的，阳极与电解质界面上的气泡不再大量析出，电解质沸腾停止；3.排出的气体除CO和CO2外，还有炭氟化合物气体如CF4和C2F6；4.在工业电解槽上，阳极效应发生时电压上升（一般为3050V，个别可达120V），与电解槽并联的低压灯泡发亮。在高电压和高电流密度下，电解质和阳极都处于过热状态。在恒电压供电情况下，阳极效应发生时电解槽系列电流急剧降低。,二、铝电解生产的基本原理,阳极效应的发生可用临界电流密度（Dc）来表征。当阳极电流密度超过了临界电流密度时就会发生阳极效应。所谓临界电流密度，是指在一定条件下发生阳极效应时的阳极电流密度。,二、铝电解生产的基本原理,2.2阳极临界电流密度（Dc）,2.3阳极效应机理,在电解冰晶石-氧化铝熔体的条件下，采用炭阳极时，只有当电解质中氧化铝的浓度降低到某个限度（例如Al2O30.5%）时，才会产生阳极效应，此时阳极的电流密度超过该条件下的临界电流密度。为什么阳极电流密度会增大，主要是阳极的导电面积减小了。导电面积减小的原因归结于电极和电解质的界面性质发生了变化。当氧化铝浓度降低时，电解质同炭阳极之间的湿润性变差，析出的气体容易进入阳极和电解质的界面上，随着阳极气泡的逐渐增多，由小气泡聚合成较大气泡，形成连续的气体膜，由于气体的绝缘性，阻碍了电流的通过。,二、铝电解生产的基本原理,当阳极的导电面积有相当部分被气膜覆盖，其有效面积减少，使其电流密度增大，超过该条件下的临界电流密度，于是阳极效应发生。在阳极电流密度升高的同时，阳极电位也相应增高，达到氟离子放电的电位，可先后生成绝缘的表面化合物CxFy（先后以气体CF4，C2F6排放），它们的存在也使阳极的界面性质变差，使气体能够停留在界面上。,二、铝电解生产的基本原理,2.3阳极效应机理,2.4阳极效应,氧化铝浓度对极限电流密度（ccd）的影响,二、铝电解生产的基本原理,2.5阳极效应的正面影响,有利于电解质中炭渣的分离可以使黏附在阳极表面上的炭渣得到清理有利于融化槽底的沉淀,二、铝电解生产的基本原理,2.6阳极效应的负面影响,阳极效应时，会产生CF4和C2F6，很强的温室气体阳极效应会熔化槽帮结壳，使电解质分子比增加阳极效应会增加电能消耗，使电解质温度增加阳极效应会增加铝的损失阳极效应时，使阳极表面附近电解质温度大幅升高，从而大大增加氟化盐的挥发损失,二、铝电解生产的基本原理,二、铝电解生产的基本原理,熔盐电解Al2O3。电解质：Na3AlF6（溶剂），熔点1008冰晶石熔体离子结构Al2O3在冰晶石熔体中的离子结构,3电解质熔体,3电解质熔体,二、铝电解生产的基本原理,添加CaF2、AlF3和LiF等对冰晶石电解质物理化学影响：,4电极材料,二、铝电解生产的基本原理,电极阳极：炭，由石油焦制成。阴极：C/Al。,自焙阳极：旁插棒式阳极上插棒式阳极,预焙阳极：连续式阳极不连续式阳极,炭阳极分类,二、铝电解生产的基本原理,铝电解生产对炭素阳极的基本要求如下：1.要求阳极具有良好的物理化学性能，减少阳极对空气和二氧化碳反应活性，以求达到降低炭耗、延长阳极更换时间、减少电解槽含炭渣量的目的。2.要求阳极具有良好的电化学性能，以求达到提高阳极电化学反应活性，降低电解过程中电能消耗的目的。3.要求阳极杂质含量要少，以免在电解过程中进入成品而影响产品质量。4.要求阳极质量更均匀、更稳定，以求达到电解槽稳定操作和进一步降低阳极效应系数的目的。,二、铝电解生产的基本原理,预焙阳极块生产的基本工艺流程图,二、铝电解生产的基本原理,我国现行大型预焙槽阳极的主要技术参数,我国现行的阳极炭块质量标准（GB874288）,二、铝电解生产的基本原理,国外现代预焙槽炭阳极质量要求,二、铝电解生产的基本原理,成型,制备阳极生块,二、铝电解生产的基本原理,阳极仓库,二、铝电解生产的基本原理,吊装阳极生块,二、铝电解生产的基本原理,碳阳极放置图,二、铝电解生产的基本原理,碳阳极残极图,二、铝电解生产的基本原理,5铝电解槽的热损失,二、铝电解生产的基本原理,热平衡体系之内则电解槽的热损失为：,电解槽的能量利用率，EE,6典型铝电解槽的热损失分布,二、铝电解生产的基本原理,氧化铝,冰晶石,氟化铝,阳极碳块,电解,直流电能,气体净化,载氟氧化铝,铝电解生产流程图,废气,阳极气体,铝液,铸锭,铝锭,二、铝电解生产的基本原理,1现代电解槽主要技术经济指标,1、电解温度950970；2、电解质分子比2.32.6；3、电解质水平1820cm；4、铝水平高度1822cm。5、槽电压4.04.3V。6、电流强度200500kA。7、电流效率8、阳极效应系数9、电耗,三、铝电解节电的技术原理,哥本哈根会议,发1度电所消耗的标煤1kWh0.35kg标煤1kg标煤排放的CO2气体1kg标煤2.7kgCO2,每年节电200亿度电/年节省标煤700万吨/年1890万吨CO2/年。,我国铝电解节能前景,三、铝电解节电的技术原理,三、铝电解节电的技术原理,电解槽平均电压为4.1伏，CE90。槽平均电压降至4.0伏，节电：,V平槽平均电压，CE电流效率,2节电的技术原理,如槽平均电压4.1V不变，将电流效率从90提高到91，节电：,电解槽平均电压为4.1伏，CE93。槽平均电压降至4.0伏，节电：,I降低V平,如槽平均电压4.1V不变，将电流效率从93提高到94，节电：,II提高CE,E0为氧化铝可逆分解电压；为阳极反应过电压；为阴极过电压；Ra为阳极电阻；Rc为阴极电阻；Re为电解质电阻；Rx为母线电阻；Ve为效应分摊电压；VB为槽间电压和电