KA铝电解槽的设计计算课件.ppt

240KA铝电解槽的设计计算,完整的铝电解车间设计包含以下几个方面：,厂址的选择与论证电解方案与技术经济指标的选择与论证铝电解槽的设计计算铝电解槽结构与计算铝电解烟气净化及原料输送铝电解槽正常生产管理技术经济评价及基本核算铝电解槽送电及预热和启动,铝电解槽的设计计算,铝电解槽电压的平衡计算能量和物料平衡概算电解槽选型、台数的计算以及产量的衡算辅助设备选择及计算电力制度设计电解厂房及电解槽配置,铝电解槽的设计计算：,基础数据：产量：20万吨/年铝锭容量：240KA阳极电流密度：0.733A/cm2效应系数：0.2次/槽日电流效率：94%阳极碳块尺寸：1550660550单槽原铝产量：日产2400.940.335524=1816.5Kg年产1816.53650.001=663t,一、铝电解槽电压的平衡计算：,V平=V槽+V母+V效应；V槽：电解槽的工作电压；V母：槽外母线电压降；V效应：阳极效应分摊压降；其中，V槽=E极+V质+V阳+V阴,E极=4.241-0.147-0.0177Al203%+0.027MgF2%-0.001CaF2%-0.0129NaCl%-0.0195LiF%+0.125d阳-0.0022t取分子比为：2.4Al2O3为2%CaF2，为5%t：955E极=1.87V;用该式算出的极化电压偏高，大约高出实测量0.05-0.1V，因此取E极=1.8V左右。,电解质压降：一般可由下式取得V质=其中：I：为电流强度，（A）；S阳：为阳极水平截面积（cm2）;L：为极距改变值（cm）；X：为电解质导电率（欧-1厘米-1）；K：为校正值，一般取8。,阳极效应分担压降：阳极效应分担压降可按下式进行计算，即V效应=其中：K：为阳极效应系数，（次/槽日）；在此为0.1次/槽日；V效应：为发生阳极效应时的槽电压，35（V）；U槽：为槽电压4.06-4.22（V）：t：阳极效应持续的时间（min）：在此为3minU效应=（0.130.823）/1440=0.017V,阳极压降：夹具压接压降：6mv；铝导杆压降：10mv;铝一钢爆炸焊片压降：15mv;钢爪压降：50mv;钢炭接触压牌：70mv;阳极炭块压牌：200mv;V阳=0.36V阴极压降V阴=0.35V母线压降：母线压降在槽上基本不变，其实际值取决于电解槽的母线配置及安装，母线配置一旦确定，母线本体压降即确定，各焊接点压降取决于第一次安装时焊接的质量，但立柱母线与阳极大母线同焊接点的压降每次大修后视接触面清理程序而有变化，电解槽通电后此值不会改变。V母=0.18V,V平=1.80+1.50+0.02+0.35+0.18=4.20V,铝电解槽电压平衡表,二、能量和物料平衡概算：,1、物料平衡计算以1小时为计算基础，平均电流强度取240KA，电流效率94%(1)电解槽铝产量：=CI=0.33552400.94=75.6888=75.69kg/h(2)氧化铝的消耗量：取Al2O3单耗为1920kg/tAl氧化铝实际消耗量=75.691.92=145.32kg/h；氧化铝理论消耗量=75.691.89=142.97kg/h;氧化铝的损失量=145.32-142.97=2.35kg/h,(3)氟盐消耗量：取冰晶石单耗为5kg/tAl，氟化铝单耗27kg/tAl，氟化钙：1kg/tAl冰晶石消耗量=75.690.005=0.38kg/h氟化铝消耗量=75.690.027=2.04kg/h氟化钙消耗量=75.690.001=0.076kg/h,(4)阳极炭块消耗量：铝电解的总反应式：Al2O3+3/(1+N)C=2Al3N/(1+N)CO23(1-N)/(1+N)CO其中，N：CO2的质量分数：当一次阳极气体的成份为100%CO2，则CO是产生的Al与作CO2用的结果，一次反应电流利用率100%，由此一次反应为Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2若电流效率为，其二次反应：2（1-）Al+3（1-）CO2=(1-)Al2O3+3(1-)CON=N=0.88理论炭耗量=（312.01175.6888）/（1.8854）=26.86kg/h取实际炭耗量为425kg/tAl实际炭耗量=42575.688810-3=32.17kg/h炭损失量=32.17-26.86=5.31kg/h炭耗指数=（32.17/26.86）100%=120%,(5)反应生成的气体量：CO2生成量=（30.884475.6888）/（1+0.88）54=86.61kg/hCO的生成量=3（1-0.88）2875.6888/（1+0.8）54=7.52kg/h,物料平衡表,2、能量平衡：,以1小时为计算基础，取电解温度为950，在计算中以电解温度作为能量平衡的温度基准，并以电解槽整体作为计算体系：由能量的平衡式：A电=A反+A材+A损失(1)电能收入：A电=U平均I=4.20240=1008kw(2)能量支出：a、补偿电解反应所需的能量当电解生产的电流效率为100%时，其补偿反应热效应的能量是5.63kwh/kgAl，但电流效率不可能达到100%，因此，考虑到电流效率的电解反应是：Al2O3+3/2C=2Al+3(2-1)/2CO2+3(1-)/CO,根据热力学第一定律，反应效应H0T：,b、补偿加热原材料所需的能量,2019/12/18,19,可编辑,c、母线损失的能量：A母=2400.18=43.2kwd、电解槽的热损失（按差额）：A损=1008-43.2-433.17-52.85=478.78kw,能量平衡表,电解槽的电能消耗率：W=4.2/0.3355/0.94=13.32kwh/kg.Al根据不朗特兰（Bratland）的报道理论上生产1000克铝电解槽消耗的电能为W=HT+H材t1-t3=5.63+0.7=6.33kw电解槽的电能利用率：电能=（6.33/13.32）100%=47.5%,三、电解槽选型及台数的计算以产量的衡算：,目前，国外大型预焙槽寿命都在2500天以上，而国内的平均水平约为1800天以上。本设计槽寿命为2000天，即2000/3655.48年。铝电解槽寿命受到设计、材料、筑炉、焙烧启动、操作等多方面的综合作用。要保证上述槽寿命，从设计上，因石墨化碳块的电解槽运行平稳，优先选用石墨化阴极碳块。同时，也可以考虑采用高润湿、抗磨蚀、低钠蚀、低电阻的新型阴极技术，如铝电解TiB2涂层新技术，经工业试验验证，TiB2涂层可延长槽龄1-2年、吨铝节电200kWh以上、提高电流效率1%以上，目前，该技术已被列为国家重点新技术加以推广。此外，还可以采用铝电解槽智能模糊控制技术；采用节省能源抗渗透抗侵蚀的新型耐火保温材料，加强电解槽底部保温，提高和改进电解槽底部保温材料的质量和性能，提高电解槽的砌筑质量；提高操作人员的操作水平以及促使管理人员做到精细管理等等。千方百计从技术进步上实现电解槽的长寿命。,电解槽寿命论证：,电解槽单槽日产量和年产量：选用240KA中间点式下料预焙阳极铝电解槽，设计电流强度为240KA，电流效率为94，则Q日0.3356It10-30.33562400000.9410-3241817.07（kg/槽日）Q年1.817365663.21（t/槽年）,电解槽数量：设定规模：200000t/a；铸造成品实收率：99.2%；设计槽寿命：2000天，停槽周期：60天；则开动率=2000/(2000+60)100%=97.08%生产槽数NP=200000/（663.2199.297.08）=313.14台；取314台大修槽数Nr生产槽数/槽寿命314/5.4857.30台取57台备用槽数NbK大修槽数大修时间=1.55760/36514.05取14台上式中K为备用槽系数，一般为12，本设计取为1.5；取大修时间为60天。总槽数生产槽数备用槽数314+14328台,产量衡算：系列原始产量：(1)314台生产时：663.21314=208247.94t(2)328台生产时：663.21328=217532.88t取铸造成品实收率为99.2，故314台槽生产时相应的铸造产品产量为：208247.9499.2206581.96t即：所设计的电解槽能达到所要求的年产量。,四、辅助设备选择及计算：1、多功能机组：铝电解多功能机组具有以下7种功能，即：1）打壳；2）往电解槽内加氧化铝；3）更换阳极；4）从电解槽内用真空抬包抽吸铝液；5）吊运母线提升架转接阳极母线；6）吊运电解槽槽壳；7）吊运其它重物。,A、多功能机组的主要技术参数如下：大车：跨度m22.5液压系统：工作压力Mpa12运行速度：m/min94油流量l/min25电动机功率：kw112台主小车：运行速度m/min33运行机构电动机功率kw3.7司机空回转速度r/min2-3对阳极拔力t11阳极拔出速度m/min4.45扭转夹具力矩Nm250料箱装氧化铝量m34.0打击头冲击次数，Hz21冲击力J85100(相当于压缩空气压力为0.5Mpa时)副小车：起重量t12运行速度m/min33/5.5运行电动机功率kw3.7提升速度m/min4.6-4.9提升电动机功率kw15,固定式起重机：额定起重量t122台最大提升高度m12提升速度m/min5提生电动机功率kw132台2、母线提升机：共用4台，每栋2台，为带有32个隔膜气缸驱动的吊挂装置及松闭卡具的风动扳手，另带两个为风动扳手跨越立柱的提升气缸。,B、设备数量的计算：1）换阳极作业：阳极的消耗速度hc=8.054d阳Wc10-3/dc=8.0540.70.94425/1000/0.8=1.41cm/日如阳极高度为54cm，残极高度为17cm，则每块阳极使用周期为（54-17）/1.41=26天；换阳极时，每台槽16组阳极，每换一组阳极需15分钟，换阳极周期26天/组，则每天每班更换阳极时间为：3281615/26=3028min2）出铝作业：每出一台槽（包括辅助作业）所需时间为10分钟，每槽每1天出一次铝，则所需出铝槽时间为：32810=3280min,3）抬阳极母线作业：每抬一次需时间30分钟，每台槽18天抬阳极母线，每天抬阳极需时间32830/18=547min4）其它作业：每班取60分钟，则每天需180分钟以上四项工作时间总计为：t总=3028+3280+547+180=7035min考虑到多功能机组的运转率一般为5060%，则需多功能机组的台数为：n=7035/1440/0.55=8.46台为保证电解正常生产，每栋厂房各用5台，多功能机组的台数为10台。国产？进口？,3、出铝抬包：A、技术性能有效容量：6吨；出铝能力：1.2吨/分钟；压缩空气压力：0.60.7Mpa每分钟压缩空气耗量：4.0m3/min;手轮回转力：19公斤；外形尺寸：4.553.13.4m。每台槽出铝时间10分钟，3班制，每抬包每次装3台槽的出铝量每包铝由电解车间送至铸造部的往返时间为20分钟因此每班作业时间为：328(310+20)/(33)=1822min每台抬包每班有效工作时间为150min，则每班需抬包数为：1822/150=11.55,考虑到检修备用等，本设计共选用抬包28台，具体分配如下：工作台数12台维修台数4台停槽启动台数4台备用台数8台,4、槽控机：贵阳铝镁设计研究院、中南大学业翔科技公司工作方式：联机/自动/人工单动；内藏系统：手机NB、AEB、RC操作用联系按钮：有AC、TAP联系按钮、自动、扫描、解析、执行程序继电器工作方式：有联机、扫描、解析、执行程序与接口机通讯程序。显示槽行程状态，可显示十余种。主要软、硬件功能：正常槽电阻控制；正常加料控制；效应检出、效应报警和效应处理控制；效应预报加料控制；边部加工跟踪；抬母线操作跟踪；出铝检出及出铝后的槽电阻控制；换极检出及换极后的槽电阻控制；电压摆检出及其控制；氧化铝浓度控制。辅助功能：提升机机械极限保护；提升机限时动作保护；槽压高低限禁止升、降极保护；提升机动作软件限时保护；提升机控制回路自动检测；提升机动作硬件限时电路自动检测；参数设置和显示；参数掉电保护；电流、电压数显。,5、混合炉容量仪台数：铸造车间按满足电解车间最大原铝产能206856吨进行设计，考虑电解出铝的不均匀性和冷材回炉等因素，铸造的生产能力为：2068561.1=227541.6吨/年设计选用40吨燃气（煤气）保温炉作铝混合炉。1）日最大原铝处理量：（227541.6/365）1.1=623.40吨；2）混合炉容量40吨，设计按38吨计算使用；3）铸造车间采用动态配铝连续铸造的生产方式，则每炉每天完成炉数以8炉计算；3）混合炉台数N=623.40/（388.0）=2.05台考虑到炉子检修等因素，设计选用3台燃气式（煤气）混合炉，其中1台备用。,6、铝锭铸造机台数设计选用20kg铝锭连续铸造机组。1）日原铝产量：按206856/365=566.73吨计；2）铸机运转率：50%3）成品合格率：99.5%4）铸机产能：16吨/时5）铸机台：N=（566.730.995）/（16240.50）=2.93台设计选用20kg铝锭连续铸造机组3台,五、电解厂房及电解槽配置：1）根据电解槽的数量，本设计的电解厂房为两栋，两厂房平行排列，为便于管理，设计成为两个车间。厂房为二层楼结构，底层安装槽体及阴极母线，二层操作面标高+2.700米。2）取槽间距6.5米，则每栋厂房长为：6.516441520+6.521159米，宽24米；3）每栋厂房横向单排配置164台电解槽，包括7台备用槽，分为4个区，每1个区41台，两栋厂房间