（有色金属冶金专业论文）新型铝电解槽换热系统的研究.pdf

十 t 辈 门j 1 r 。1 。1 at h e s i si nn o n f e r r o u sm e t a l l u r g y r e s e a r c ho nh e a t e x c h a n g es y s t e m o fn e w a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l b yz h a ox i n g l i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h iz h o n g n i n g n o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 2 r 事 龃f竹孽；， ，。自。，i； ， 0； 0置鼬，；“；髻f h-_、。妒；，j ，1啮 。 q110 j f ki-，lii， ，、，；、 0 。 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 ， 。 学位论文作者签名：趣式厄 4、 日 期：2 口p 男耸1 同1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：赫高 签字日期：a o 了婀f ；f7 日 弱年影。 导师签名：压建、守 签字日期：) 。g 年7 坷7 日 l r o _ j。1 一 ，i l 憎疆p ，、 一_k。0、。，o ，。 、 、j 东北大学硕士学位论文摘要 新型铝电解槽换热系统的研究 摘要 目前，尽管每吨铝的直流电耗已经降低到1 3 0 0 0 1 4 0 0 0 k w h ，但是铝电解的能量 利用率却只有4 0 左右。很多学者从降低平均槽电压和提高电流效率角度对铝电解节 能降耗做了深入的研究。但从能量平衡角度分析，在铝电解中有5 0 左右的电能是以 热能的形式散发到环境中的，其中电解槽的顶部散热4 8 ，侧部散热4 3 ，底部散热 9 。为实现铝电解过程中的节能降耗的目标，本文对电解槽侧部余热的回收及其影响 因素进行了研究。 本文首先对铝电解槽的能量平衡、电解槽的散热分布和电解槽的散热方式进行了 分析，全面的设计了本实验的新型余热回收式电解槽结构，选择了适合本实验的换热 介质。， 然后在以焦炭为发热体的电解槽中研究了换热熔盐流量和输入功率对回收功率和 回收效率的影响。在输入功率不变的条件下，在一定范围内增加或减少换热熔盐流量 时，回收功率和回收效率也随着增加或减少。在换热熔盐流量不变的条件下，在一定 范围内增加或减少电解槽的输入功率时，回收功率也随着相应的增加或减少，但回收 效率确实随着输入功率的增加而减少的，随着输入功率的减少而增加的。 最后在铝电解过程中研究了换热熔盐的流量对回收功率和回收效率的影响。电解 时，电解温度为9 0 0 ，电流效率为9 0 ，电流在1 8 6 5 a - - 2 0 5 6 a 范围内波动，电压 在1 1 5 3 v , 、, 1 2 3 6 v 内波动。在维持稳定电解的条件下，当换热熔盐的流量增加时，回 收功率和回收效率均增加。当换热熔盐的流量为1 3 5 5e m 3 s ，回收功率的平均值为 9 8 9 0 w ，回收效率为4 1 9 ，完全达到了铝电解过程中余热回收的效果。 关键词：节能；能量平衡；余热回收；铝电解；熔盐流量；输入功率；回收功率；回 收效率 ，3，；小 、，矿；一 i 等、一。未口带增矗，肇 廿出孕 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nh e a te x c h a n g es y s t e mn e wa l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l a bs t r a c t n o w , t h ee l e c t r i ce n e r g yc o n s u m p t i o no fp r i m a r ya l u m i n u mh a sb e e nr e d u c e dt o13 0 0 0 14 0 0 0k w h t - a l ，b u tt h ee n e r g ye f f i c i e n c yi sn o tm o r et h a n5 0 o rs o m o r ee n e r g ys a v i n g r e s e a r c hw o r k s h a v eb e e n d o n et or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fa l u m i n i u me l e c t r o l y s i sb y d e c r e a s i n ga v e r a g ev o l t a g ea n di n c r e a s i n gc u r r e n te f f i c i e n c y b yt h ea n a l y s i so nt h ee n e r g y b a l a n c e ，h a l fo ft h ee l e c t r i ce n e r g yf o ra l u m i n i u me l e c t r o l y s i si ss p o r a d i ct oe n v i r o n m e n ti nt h e f o r mo fh e a te n e r g y a n dt h eh e a td i s s i p a t e df r o mt h et o po ft h ec e l la c c o u n t sf o r4 8 ，4 3 f r o ms i d ea n d9 f r o mt h eb o r o m i no r d e rt os a v ee n e r g y ，e l e c t r o l y t i cc e l ls i d e w a l lw a s t eh e a t r e c o v e r ya n di t sa f f e c t i n gf a c t o r sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r 。 。 f i r s t l y , t h e o r e t i c a le n e r g yb a l a n c e ，h e a td i s s i p a t i o nd i s t r i b u t i o na n dh e a td i s s i p a t i o n m o d ew e r ea n a l y z e d t h es t r u c t u r eo fan e wk i n do fw a s t eh e a tr e c o v e r ya l u m i n u m r e d u c t i o nc e l lw a sc o m p r e h e n s i v ed e s i g n e d ，a n dt h eh e a tt r a n s f e rm e d i u mw h i c hs u i t a b l e f o rt h i se x p e r i m e n tw a sc h o s e t h e nt h ee f f e c to fi n p u tp o w e ra n df l o wr a t eo fm o l t e ns a l to nt h er e c o v e r yp o w e ra n d r e c o v e r ye f f i c i e n c yw e r es t u d i e d ，w h e nc o k ea st h eh e a t i n ge l e m e n ti nt h ee l e c t r o l y t i cc e l l b a k i n g u n d e rac o n d i t i o n o fs t a b l e i n p u tp o w e r ，t h er e c o v e r yp o w e ra n dr e c o v e r y e f f i c i e n c yc o r r e s p o n d i n gi n c r e a s eo rd e c r e a s ew h e nf l o wr a t eo fm o l t e ns a l ti si n c r e a s e do r d e c r e a s e d u n d e rac o n d i t i o no fs t a b l ef l o wr a t eo fm o l t e ns a l t ，r e c o v e r yp o w e ri n c r e a s eo r d e c r e a s ew h e ni n p u tp o w e ri si n c r e a s e do rd e c r e a s e d ，b u tr e c o v e r ye f f i c i e n c yi sc o m p l e t e o p p o s i t e ，r e c o v e r ye f f i c i e n c yd e c r e a s eo r i n c r e a s ew h e ni n p u tp o w e ri si n c r e a s e do r d e c r e a s e d f i n a l l y , t h ee f f e c t so ff l o wr a t eo nt h er e c o v e r yp o w e ra n dr e c o v e r ye f f i c i e n c yw e r e s t u d i e d d u r i n gt h ec o u r s eo fe l e c t r o l y s i sa tat e m p e r a t u r eo f9 0 0 ，t h ec u r r e n te f f i c i e n c y w a s9 0 ，e l e c t r i cc u r r e n tf l u c t u a t e di na l li n t e r v a lo f18 6 5 2 0 5 6a m p e r e ，a n dv o l t a g e f l u c t u a t e df r o m11 5 3 vt 01 2 3 6 v u n d e rt h es t a b l ee l e c t r o l y t i cp r o c e s s ，t h er e c o v e r yp o w e r a n dr e c o v e r ye f f i c i e n c yc o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e a s i n go fm o l t e ns a l tf l o wr a t e n l er e c o v e r yp o w e ro f9 8 9 0 wa n dr e c o v e r ye f f i c i e n c yo f41 9 w e r eo b t a i n e du n d e rt h e m o l t e ns a l tf l o wr a t eo f135 5c m 3 s i tc o m p l e t er e a c h e st h er e s u l to fe n e r g ys a v i n g k e yw o r d s ：e n e r g ys a v i n g ，e n e r g yb a l a n c e ，w a s t eh e a tr e c o v e r y , a l u m i n u me l e c t r o l y s i s ， f l o wr a t eo fm o l t e ns a l t ，i n p u tp o w e r ，r e c o v e r y p o w e r ，r e c o v e r ye f f i c e n c y - i i i - 1 i ，f0j 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 l 独创性声明i 摘要。i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 铝电解节能意义。1 1 2 铝电解节能措施。2 1 2 i 大型槽的推广：- 2 1 2 2 低温铝电解的研究。3 1 2 3 阴极技术的改进3 1 2 4 阳极技术的的进步5 1 2 5 新槽型的设计一7 1 2 6 新装置的开发8 1 2 7 其它节能工艺与措施。9 1 3 铝电解槽散热分布与节能降耗：1 0 1 3 1 铝电解槽散热分布1 0 1 3 2 余热回收研究现状。j 1 1 1 4 本课题的主要研究内容1 4 第二章新型余热回收式铝电解槽的设计j 1 5 2 1 电解槽能量平衡1 5 2 i 1 电解槽的电压平衡j 1 5 2 1 2 电解槽的能量平衡：。1 7 2 2 电解槽散热18 2 2 1 电解槽散热计算。18 2 2 2 电解槽散热分布1 9 。 2 2 3 电解槽散热方式2 0 2 3 电解槽的设计2 2 2 3 1 电流密度：2 2 2 3 2 槽膛深度2 3 2 3 3 阳极到槽帮的距离2 3 东北大学硕士学位论文目录 2 3 4 阴极结构2 4 2 3 5 电解质的选择2 4 2 3 6 电解槽炉帮厚度计算和碳化硅砖厚度计算2 5 2 4 电解槽内换热器的设计计算2 8 。2 4 1 换热器尺寸的计算2 8 2 4 2 换热介质的选择2 9 2 4 3 换热熔盐流速的计算_ 3 0 2 4 电解槽内侧部保温转厚度的设计计算3 2 2 5 电解槽炉底的保温结构设计3 2 2 6 铝电解槽和换热器的结构3 2 2 6 1 铝电解槽的结构3 2 2 6 2 换热器结构3 4 2 6 3 换热器上热电偶的分布3 4 2 6 4 整个系统的流程3 5 2 6 5 辅助设备一熔盐炉选型3 6 第三章电解槽焦粒发热过程余热回收3 7 3 1 工业上的焙烧方法3 7 3 1 1 炭粒焙烧法3 7 。3 1 2 铝液焙烧法：。j j 3 7 3 1 3 燃料焙烧法3 8 3 1 4 焙烧方法的选择? 3 8 3 2 熔盐流量的变化对温度的影响j 3 9 3 2 1 熔盐流量的变化对电解槽内换热器温度的影响3 9 3 2 2 熔盐流量的变化对换热器熔盐进出口温度的影响4 1 3 3 回收功率和流量的关系4 3 3 3 1 回收功率的计算4 3 3 3 2 回收功率与熔盐流量的关系_ 4 5 3 4 回收功率与输入功率的关系4 8 3 5 本章小结5 0 第四章电解过程电解槽余热的回收5 3 4 1 铝电解槽的启动5 3 v uffj ，0lll葶， 东北大学硕士学位论文 目 录 4 1 1 干式启动5 3 4 1 2 常规启动- 。5 3 4 1 3 本实验铝电解槽启动。5 4 4 2 电解过程电解槽余热回收5 4 4 3 铝电解发热和焦炭焙烧发热过程的余热回收比较5 7 4 4 本章小结5 8 第五章结论。5 9 参考文献- 6 1 致谢6 5 v i d l1tf，乳譬-tr 1-1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 铝是一种银白色的轻金属，具有比重小、耐腐蚀、良好的导热性和导电性、可加 工性以及构成合金等优良性能，被广泛应用在交通运输、航空航天、冶金工业、农业 及日常生活等诸多方面，成为应用最广泛的有色金属材料之一【l 】。 炼铝的历史大体上可分为两个阶段【2 】：化学炼铝和电解炼铝。化学法炼铝是利用 r 钾汞、钾、钠等还原无水氯化铝及其络合盐的方法，得到了少量的金属铝，在利用化 学法制铝的3 0 多年时间里共生产了大约2 0 0 t 铝。电解法炼铝诞生于1 8 5 4 年，德国的 b u n s e n 用电解氯化钠氯化铝熔盐得到金属铝，1 8 8 3 年美国b r a d l e r 提出了冰晶石氧化 铝熔盐电解方案，1 8 8 6 年，美国人h a l l 和法国人h e r o u l t 同时申请了冰晶石氧化铝熔 盐电解法炼铝的专利，称为h a l l h e r o u l t 法，此后一直是唯一可以适用于大规模工业 生产金属铝的方法。这种电解法是将氧化铝溶解在熔融的冰晶石中，并向熔盐通入直 流电进行电解以制取金属铝。这种电解铝是目前生产铝的主要方法【4 1 。h a l l h e r o u l t 熔 盐电解法炼铝的基本原理可以写成【3 】 a 1 2 0 3 ( b a t h ) + 1 5 c ( s o l i d ) - 2 a l ( 1 i q ) + 1 5 c 0 2 ( g a s )( 1 1 ) a 1 2 0 3 溶解在以冰晶石( n a 3 a 1 f 6 ) 为主要成分的高温熔盐中，在直流电的作用下发 生电化学反应，含氧络合离子在阳极上放电并氧化碳素阳极放出c 0 2 ，含铝络合离子 在阴极上放电得到熔融的金属铝f 4 5 】。 经过一百多年的发展和改善，电解铝生产在氧化铝原料生产、电解质改良、提高 电流效率、降低碳素材料消耗和环境保护等方面都取得了巨大的进步【6 7 】，现代铝电解 工业的生产规模也逐步扩大。2 1 世纪伊始，我国3 5 0 k a 的大型电解槽和法国5 0 0 k a 的特大型预焙槽相继出现，铝电解工业已经进入一个崭新的发展阶段【8 】o 1 1 铝电解节能意义 党的十六届五中全会建议将单位g d p 能耗降低2 0 左右作为两个重要量化目 标之一，并将节约资源作为基本国策【9 】。 。 铝电解工业是耗电大户，是国家实现节约能源目标的主要对象，目前全世界的铝 电解生产每吨铝的电耗量是1 3 0 0 0k w h ( 直流电) 而理论上电解铝的吨铝电耗值不过 6 3 2 0k w h ，这表明有一半以上的电能被无故消耗，故节电潜力巨大。当前能源价格上 涨，供电紧张，故全世界都在寻求铝电解的节能途径【1 0 1 。 2 0 0 7 年我国电解铝产量达到1 2 6 0 万吨，连续6 年居世界第一位，但我国在电解 槽技术开发，工艺研究，生产实践管理和技术推广应用领域与国际先进水平还有一定 的差距，这主要表现在：电流效率相差2 3 个百分点；吨铝直流电单耗相差3 0 0 , - - , 1 寸 东北大学硕士学位论文第一章绪论 8 0 0 k w h t a 1 ；电解铝阳极吨铝消耗相差5 0 l o o k g t - a i ( 折合标准煤约1 0 0 , - 一2 0 0 k g ) ： 电解槽寿命相差1 0 0 0 天左右；阳极效应系数国际先进为0 1 次天槽以下，我国目 前最好水平在o 2 次天槽左右。这些导致了目前我国电解铝能源综合利用效率比国际 先进水平低1 5 左右。所以我国的铝电解工业在节能降耗，提高能源利用率上的潜力 是巨大的【1 1 1 。 1 2 铝电解节能措施 1 2 1 大型槽的推广 图1 1 为最近5 0 年来世界铝工业电解槽的电流增长趋势【1 0 1 ，由图1 1 可以看出5 0 年来铝电解槽的电流强度愈来愈大，这主要是因为电流效率随槽电流增大而提高，而 且电流强度愈大投资费愈少，生产费用愈低。 a g e 图1 i近5 0 年间铝电解槽电流强度增大趋势 f i g 1 1t e n d e n c yo fc u r r e n ti n c r e a s e so fa l u m i n i u me l e c t r o l y s i sc e l l si nr e c e n t5 0y e a r s 输入到电解槽的电能利用主要有以下三种： w = f + w 燕损+ w 导线 ( 1 2 ) 此式便是按照单位铝产量核算的能量平衡式，f 是用于铝电解本身的电能，w 热损是电 解槽的热量损失，w 导线是导线上的热量损失。由于电流效率一般为9 0 - 9 5 ，故f 值可当作恒定看待。( 1 2 ) 式右侧诸项中，比重最大的是w 热擅，它约占供入总量的5 0 以上。当电解槽的电流强度增大后，电解槽的热量损失减少，即w 热擅减少，所以大型 槽可以达到节能的效果。 2 一，_ 占一口。甚一苦qb拿u 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 2 ) 式是我们讨论节电问题的依据。实际上，铝工业一百年来所以能够节省电解 中的电能，主要是靠减小w 蒜损而实现的，一方面是设法减少电解槽的热损失量( w 麓撰) ， 另一方面是提高电流强度和电流效率【l o 。 1 2 2 低温铝电解的研究 ，电解温度通常为9 5 0 一9 7 0 。c ，低温铝电解能够有效地提高电流效率，降低能耗， 唧 此外，低温铝电解还能延长电解槽寿命【1 2 1 。 低温电解是提高电流效率和降低能耗的重要途径。保持铝电解槽能量平衡的基本 6 原理是：在减少电解槽能量收人的同时减少其能量支出。因此，减少电解槽槽身的热 损失为降低槽电压创造了条件。降低电解温度可以减少能量损失。在已经建立起稳定 的能量平衡的条件下，经电解槽向外传导的热量等于其外表的对流和辐射热量之和， 即：q 传导= q 对境+ qm i l l ，降低电解温度，则经侧壁槽表面和底面的热流量减少，因而可 以节电。研究表明：电解槽内壁温度每降低1 0 ，经侧壁的热流量大约减少3 0 0 4 0 0 k j ( m 2 h ) 。低温电解能够降低槽的热损失，提高能量效率。 低温铝电解的显著优点是降低了铝在电解质中的溶解度，减少了铝的化学溶解和 损失因此可以提高电流效率。对于工业电解槽，有学者认为当电解温度大于9 0 0 时， 温度每降低1 0 。c ，电流效率将降低1 ，但此结论并未被完全公认【1 4 】。 1 1 2 3 阴极技术的改进 ，1 ” 1 2 3 1 可湿润型阴极t i b 2 的应用 一 针对当前h a l l h e r o u l t 炼铝法中的缺陷，寻求一种抗钠侵蚀能力强、对铝液润湿 性好的可润湿性阴极材料就成了改善铝电解槽结构的重中之重【1 5 】。近年来z i b 2 被公认 为所较为合适的惰性阴极材料，因为t i b 2 有下面的优点g ( 1 ) 采用t i b 2 质材料阴极后，由于其对铝具有良好的润湿性，优于对电解质的润湿 性，t i b 2 晶粒间的空隙基本被铝液充满，电解质无法进入，减少槽底的钠吸收，有效 地抑制钠的渗透，防止阴极结壳。 ( 2 ) t i b 2 质阴极可使铝液层厚度减少到3 5 m m ，铝离子可以直接在t i b 2 质阴极上放 电，所生成的铝良好地粘附在阴极上，而不致分散成细微颗粒，减少了铝溶解损失。 从而形成平整稳定的阴极，同时消除了磁场对电解产生的巨大干扰，降低了两极间的 距离，减少水平电流和电流分布不均，提高电流效率。 ( 3 ) f l 了于t i b 2 质阴极不参与反应，如果配合惰性阳极使用，可以根除产生温室效应 的c 0 2 气体以及电解铝过程中产生的有害气体如c f 4 、c 2 f 6 等，从根本上解决环保问题。 、 。 表1 1 是某厂2 0 0 0 年t i b 2 复合层阴极电解槽与普通槽的对比试验结果【1 6 】；表1 2 - 3 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 是使用t i b 2 c 复合阴极及相应含t i b 2 冷捣糊的实验槽和对比槽进行的经济效益的比 较【15 1 。从表1 1 和表1 2 可以看出使用t i b 2 的电解槽电流效率有0 9 和1 1 9 的提高， 而且吨铝直流电耗降低了1 8 8 k w h 和2 4 9 k w h ，从而实现节能。由表1 2 还可以看出， 使用t i b 2 c 复合阴极的实验槽，延长了槽寿命，提高了经济效益。， 表1 1某厂2 0 0 0 年做的t i b 2 复合层阴极电解槽与普通槽的对比试验结果 t a b l e 1 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o m p a r i s o nb e t w e e nt i b 2c o m p o s i t el a y e rc a t h o d ea l u m i n i u mc e l la n d o r d i n a r ya l u m i n i u mc e l li n2 0 0 0 表1 2 一台实验槽一年的经济效益 t a b l e l 2e c o n o m i cb e n e f i to fa e x p e r i m e n t a la l u m i n i u mc e l lo n ey e a r 注：表中单位为元 由于t i b 2 烧结性能，粘结性能差，阻碍了其在铝电解中的工业化应用。可以结合 惰性阳极材料的开发，低温电解技术的进步，对电解槽的结构进行改进，实现新型惰 性阳极。惰性阴极低温铝电解槽的应用。 1 2 3 2 石墨化阴极炭块的应用 ， ， 根据国内外阴极生产的现状，阴极炭块可以分为如下几种类型( 见表1 3 ) 。由表 1 3 可以看出【1 7 1 ，当前国内外市场主要需求的是含石墨3 0 的高石墨质阴极炭块，同 时更高石墨含量的高石墨质阴极炭块和石墨化阴极炭块受到更多的重视，而且国内外 都进行了工业实验。这主要是由于高石墨质阴极炭块和石墨化阴极炭块的抗钠侵蚀性、 导电性、抗热震性等均优于半石墨质炭块，对于节能有显著作用，参见表1 4 【1 8 1 。万 基铝业应用结果为石墨化阴极炭块比半石墨质阴极炭块槽底电压降降低1 4 2 m v ，吨铝 直流电耗降低约4 5 0 k w h ；中铝郑州轻金属研究院3 0 0 k a 实验结果为槽底电压降降低 9 0 m v ，吨铝直流电耗降低约3 4 0 k w h ，上面的实验结果表明石墨化阴极节能效果十分 显著。由表1 4 同时可以看出，石墨质和石墨化炭块的磨损指数远大于半石墨质炭块， 尤其是石墨化炭块，这意味着石墨化炭块更容易受氧化铝磨损和铝液冲刷而损坏，这 一4 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 将影响到铝电解槽的寿命，从而提高铝电解成本，达不到节能的效果。因此这就对采 用石墨化阴极炭块的电解槽的磁场平衡和下料方法提出了更高的要求。 表1 3 阴极炭块的分类 t a b l e1 3c l a s s i f i c a t i o no fc a t h o d eb l o c k s 表1 4 四类炭块性能比较 一。 t a b l e l 4 c o m p a r i s o na m o n g4t y p e s o fc a r b o nb l o c k s ( t y p i c a lv a l u e ) 1 2 4 阳极技术的的进步 1 2 4 1 惰性阳极的研究 - ， 目前世界各国都广泛进行能够取代碳素电极的惰性电极材料的研究，这主要是由 于使用惰性阳极有如下的优点【1 9 1 ： ( 1 ) 在应用炭阳极时，阳极上气泡大，阳极过电压达到0 4 - 0 6 v ；而应用惰性阳 极时，阳极上气泡小，阳极过电压只有0 2 v ，这就可以减小0 3 v 。 ( 2 ) 由于槽电压中占最大分量的项目是阴极阳极间距离有4 - - - 5 c m ，其电压降达到 - 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 1 8 v ，如果应用惰性阳极与惰性阴极相配合，构成新型电解槽，则极间距离可以 收缩，从4 - 5 e m 缩短到3 c m ，这相当于降低槽电压0 5 v 。 ( 3 ) 节省阳极制造过程中所需的价格昂贵的油焦。- ( 4 ) 1 ；e 1 极不必经常更换，因此操作费用降低。 ( 5 ) 阳极上产生0 2 ，而不是c 0 2 和c o ，有利于环境保护。 ， 使用惰性阳极的理论电耗为9 2 4 k w h k ga 1 ，比起传统生产方法可减少能耗2 0 - - 3 0 ，节能效果十分显著。遗憾的是目前还没有应用惰性阳极的铝厂，只是进行了 2 0 0 0 a 半工业试验。目前惰性阳极的研究主要集中在金属惰性阳极，金属陶瓷、金 属氧化物陶瓷阳极，氧化物涂层阳极等几个方面【2 们。 尽管惰性阳极的应用还存在许多困难，但惰性阳极的发展和使用是势在必行的。 低温电解是铝冶金的发展方向，随着低温铝电解技术及其惰性阴极技术的进步，将实 现惰性阳极在铝电解中的应用【1 9 】。 一 1 2 4 2 阳极质量的提高和阳极底部开槽 阳极是电解槽的心脏，通过提高阳极质量，改进阳极的物理、化学性能指标，改 进阳极的使用方法，可以降低铝电解生产成本、稳定铝电解生产操作和提高电解生产 效率【2 1 1 。中铝公司郑州研究院完成了“优质阳极生产技术的开发及工业试验 ，试验 通过对原料杂质影响、阳极配方和生产过程优化等方面的研究，提出了全面提高阳极 质量的措施。这一研究结果指出：优质阳极可使阳极电压降低1 5 - 2 0 m v ，吨铝节电 约5 0 k w h 2 3 1 。 在阳极底部开槽可以促进阳极气体向外界排放，减少气泡在阳极底部停留的时间 和阳极底部气泡的覆盖率，有利于减小阳极气体压降，降低槽电压，达到节能的目的； 有利于降低阳极效应系数，降低能耗；有利于保持电解质流场的均匀与稳定，减少铝 液与阳极气体发生“二次反应”的几率，从而有利于电流效率的提高。中铝郑州研究 院、河南分公司和兰州铝厂等单位试验和应用表明，这项措施吨铝可节电约1 0 0 k w h 【2 2 】 o 1 2 4 3 节能阳极钢爪 t i 。 相对于目前难于实现惰性阳极在铝电解中的应用，新型铝钢复合阳极钢爪的研究 已取得实质性进展，这种钢爪能够减小钢爪与阳极炭块之间的接触电阻，国内铝厂已 经开始这方面的尝试，新型阳极钢爪吨铝可节电约5 0 , , 6 0 k w h z 2 l 。从表1 5 1 2 4 1 可看出 节能型铝钢复合钢爪与普通阳极钢爪相比，其电压降有明显减少，节能效果清晰可见。 - 6 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 5 节能型阳极导电装置与普通阳极导电装置电压降对比 ( 系列电流：1 6 0 k a槽电压：4 1 6 v ) t a b l e 1 5 c o m p a r i s o no fv o l t a g ed r o pb e t w e e ne n e r g y - s a v i n gm o d e la n o d i cc o n d u c t i v ed e v i c ea n d c o m m o na n o d i c ( c u r r e n t ：16 0 k ac c e l lv o l t a g e ：4 16 v ) 1 2 5 新槽型的设计 图1 2 是德国易北铝厂v a w 连续预焙槽示意图，这种预焙槽的特点是每隔6 0 d 加接一次阳极，阳极的总高度为9 0 0 r a m ，上下两块阳极之间有一层粘接糊。在生产中 不必取出阳极的残极，吨铝的阳极净耗量只有4 1 5 k g 。2 0 0 1 年的生产指标为：电流1 2 9 k a ，槽电压4 7 0v ，电流效率9 2 ，电耗1 5 3k w h k g ，阳极消耗量4 1 5k g t 。据报 道，经过不断的技术改进之后，其吨铝电耗量可望降低到1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 k 讹，阳极消 耗量也将有明显减少【l 们。 ； ， 图1 2 德国易北铝厂v a w 连续预焙槽示意图 f i g 1 2t h ec o n t i n u o u sp r e b a k e da n o d ec e l li nv a w 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 擞 图1 3c o m a l c o 公司惰性阴极电解槽 f i g 1 3 t h ei n e r tc a t h o d ec e l li nc o m a l c oc o m p a n y ? 图1 3 是美国c o m a l c o 公司研制的泄流式t i b 2 c 惰性阴极电解槽，其特点是：阴 阳极有坡度且平行；铝液沿倾斜的阴极表面流到中间沟槽；铝液层很薄，不存在铝液 摆动问题，可减少铝的溶解损失，提高电流效率，电解质熔体的电压降低5 0 【2 5 1 ，从 而实现电耗的降低。 1 2 6 新装置的开发 1 2 6 1 铝电解槽况诊断装置的运用 。 该装置由一次信号采集装置、屏蔽电缆、模数转换器、数据采集控制器和计算机 组成。工作时，一次信号采集电解槽阳极导杆的等极距电压信号，经模数转换传输到 计算机，计算机将阳极电流分布、相对极距、铝液波动等参数实时显示到屏幕上，还 可以查阅阳极电流分布历史曲线、异常工作阳极表、铝液稳定曲线、各阳极电流分布 历史曲线。该装置突出的功能是可以均衡极距。做法是先降低槽电压，可以使整个阳 极底掌区域同一平面，达到提高电流效率的同时降低槽电压的目的，从而实现节能【1 3 】。 1 2 6 2 熔断器的开发 停开槽是铝电解常见的作业，在停电的过程中，电解槽是不工作、不电解的，在 开始送电后，电解槽也不是立刻开始正常电解，还要消耗一定的电能对冷却的熔体进 行加热。停电也会造成电流空耗，会降低铝产量，是降低电能利用率的一种表现。电 解槽工作时使用一种名为熔断器的设备，紧固在立柱母线和短路母线之间，直接进行 短路口操作，操作期间不停电，电流经过熔断器导电，不会打火花放炮，2 0 0 6 年8 月 份，中孚公司成功运用该技术，达到了不停电停开槽，充分利用了电能【1 3 l 。 - 8 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 6 3 精温坊 。 一 ? 经长期研究发现，如果能根据生产的实时现状全自动控制铝电解槽内的温度，将 是实现电能节约的一个重要方法。精温坊- 全自动铝电解质初晶温度测量控制系 统，就是致力于此领域的研究成果。“精温坊系统主要用于对铝电解质试样进行快 。 速分析，能够准确地测定铝电解质的步冷曲线和初晶温度，然后根据电解质温度直接 得出过热度值。“精温坊”系统整体结构由管理计算机与分布式测量炉体组成，采用 分散管理、集中控制的结构，组成灵活、扩展方便。使用管理分析软件结合生产数据 库，对日常的样品测量数据进行分析与对比。对监控电解铝生产过程、控制最低过热 度、降低能耗、稳定生产操作、提高电解槽寿命、强化电流效率等非常有效1 2 6 。 。， +“ j 1 2 7 其它节能工艺与措施 由美国能源部承担的一项实验课题：氧化铝在离子流体中进行低温还原的新工艺 正在研究中，这里所说的离子流体是一些含有氯化物和氟化物的盐类。这些盐，在室 温下是保持正常的固态。但是，把他们几种混合在一起时，便成为固体，而且在3 5 0 ( 2 以下是稳定的。这种离子流体有取代冰晶石溶解氧化铝的潜力。因此；用它作电解质 就能够实现真正意义的低温电解( 作业温度在1 0 0 ( 2 以下) 过程。据报道，铝的其它化合 物，如氯化铝，氟化铝，便更容易在这种离子流体中溶解，因此便可以据此提供另外 的电解铝工艺流程【2 刀。 使用砂状氧化铝，提高国产砂状氧化铝的质量以及采用超浓相输送方式等。使用 砂状氧化铝，可以减少氧化铝的下降速度，增加其溶解速率，有利于电流效率的提高。 据姚世焕介绍，使用砂状氧化铝比粉状氧化铝电流效率可提高1 3 ，吨铝节电 1 0 0 - 1 5 0 k w h e 2 2 j 。由表1 6 可知：国产氧化铝平均粒度偏小( 约2 0 , - - 3 0 ) ，比表面积 偏低( 约1 5 , - - 2 5 ) ，丫氧化铝质量分数偏低( 约2 5 * - - 3 0 ) ，灼减( 主要是水分含量) 偏 高( 约8 0 - - - 1 3 0 ) 。这些差异导致国产氧化铝在干法净化过程中更容易被破碎，对h f 的吸附率降低，在铝电解质中的溶解度和溶解速度较低，从而影响铝电解电流效率、 直流电耗和烟气净化效率。一些电解铝厂生产实践证明，同等条件下使用国产氧化铝 与使用从发达国家进口的氧化铝相比，铝电解电流效率相差l 左右【2 8 】。所以，提高 我国砂状氧化铝的质量也可以使铝电解达到节能的效果。另外采用超浓相输送方式， 其密封效果好，减少了操作时飞扬损失，降低了氧化铝单耗，并且改善了员工的工作 环境，取得了可观的环保效益。更重要的是采用超浓相输送大大降低了氧化铝输送成 本，而且节能降耗效果十分显著。 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 6 国产砂状氧化铝与澳大利亚进口砂状氧化铝主要质量特性比较 t a b l e 1 6q u a l i t yc h a r a c t e