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170KA的铝电解槽的设计
170-KA的铝电解槽的设计
一.铝工业的介绍
1.铝电解工业现状……………………………………………………….1
2.电解铝工业的发展趋势…………………………………………………2
3.全球电解铝市场供求状况………………………………………………3
二.熔盐电解
1.熔盐电解质…………………………………………………………4
2.影响熔盐电解质的因素……………………………………………5
三.电解生产工艺流程…………………………………………………6
四.铝电解槽的设计计算
1.阳极结构参数的选择与计算………………………………………….…7
2.电解槽槽体结构选择计算………………….…………….….……….…8
3.阴极结构参数的选择及计算……………………………….………….…9
五.铝电解槽导电部件的选择计算
1.阳极部分导电部件的选择与计算…………………………….….………10
2.阴极部分导电部件的选择与计算…………………………………….…11
六.铝电解槽电压平衡计算
1.阳极部分…………………………………………………………..…12
2.电解质电压降…………………………………………………………13
3.阴极部分电压降………………………………………………………14
4.阳极效应分摊电压……………………………………………………15
5.连接母线压降…………………………………………………………16
七.电解槽电压平衡表………………………………………………17
八.铝电解槽工作制度………………………………………………18
九.设计心得…………………………………………………………19
十.附图………………………………………………………………20
170KA的铝电解槽的设计
一.铝工业的介绍
由于铝电解生产需要大量的电能,故降低单位铝产量的电能消耗量是历来追求的目标。
在铝工业生产初期,每千克铝电耗量高达30~40kwh-1。
以后,随着供电设备的更新,电解槽生产能力的增大,阳极和导电母线电流密度的减小,电解槽结构的改进和生产操作的改善,电耗率亦相应地有所降低,现在一般电耗率为13~15kwh-1/kg,有的甚至降低到kg。
1.铝电解工业现状
本世纪八十年代以来,国外新增电解系列已普遍采用大型预焙阳极电解槽,系列电流强度普遍达到180~350kA,吨铝直流电耗降至12900~14000。
目前,西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为350kA,且绝大多数企业为280~320kA的超大型预焙槽,电流效率平均达到了94%~96%。
近年来,我国新建槽多采用180~300kA的大型槽,改造旧槽因投资等方面的原因,多采用75kA或160~240kA之间的槽型,其技术与世界先进水平比仍有一定的差距,到目前为止,国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280~320kA之间的槽型。
目前,我国生产使用的铝电解槽,最大的槽型是电流强度为350kA的槽型(应用于平果铝业公司),还有电流强度仅24kA的槽型,我国电解槽电流效率平均仅为86%~90%。
2003年底全国万t产能中,280kA以上特大型预焙槽产能为万t,占总产能的%;160~240kA大型预焙槽产能为万t,占总产能的46.5%;小型预焙槽产能为万t,占总产能的%;还有万t产能仍然是使用落后的自焙槽,占总产能的%。
可见,虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备,我国电解铝行业整体装备水平有显著提高,但是,我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽,约占全国总产能的35%,这些低档次的生产技术设备,虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点,但技术装备水平较低,能耗、原材料消耗高,环境污染严重,技术经济指标较差。
表1—32000—2006全球电解铝市场供求状况
项目
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
产量(万吨)
2442
2445
2609
2801
2925
3081
3280
消费量(万吨)
2484
2408
2550
2748
2915
3050
3300
供求(“-”号表示消费缺口)
-421
367
587
536
91
31
-12
表1—42005年底我国按电流强度区分的电解槽数量、产量和能力
电流强度
实有槽数
2005年底开工数
生产能力
产量
个
个
万t
万t
合计
21740
17816
1020
其中
320—350kA
596
556
280—300kA
3554
2774
115—240kA
10220
8976
10—90kA
7100
5512
电解铝工业的发展趋势
(1)世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化
此外,目前世界上新建铝企业的规模都比较大。
西方新建或改造电解铝的起步规模平均在25-50万吨之间。
如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛(Alma)铝厂,年产能40万吨;2001年6月,由比利顿(Billiton)矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司,投资10亿美元建设与一期相同的原铝能力万吨;法国普基铝业公司计划在委内瑞拉建设一个年产能达46万吨的电解铝厂;几内亚拟在未来4-5年内投资25亿美元新建一个年产能达30万吨的电解铝厂及相关项目。
年产50万吨电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万吨规模。
扩大产能的目的是节约成本,提高劳动生产率,加强竞争力。
(2)铝电解槽日趋大型化或超大型化,其科技含量、智能化程度越来越高
冰晶石-氧化铝电解法发明110多年来,电解槽设计逐渐合理,容量大幅度增加,其科技含量、智能化程度越来越高,发展大型或超大型高效率、智能化的铝电解槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势,世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高,在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。
(3)电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步
西方国家先进电解铝技术的发展,体现在技术经济指标的先进性上:
1)槽型大,电流强度达到300kA以上;2)电流效率高,一般达到94%-95%,个别企业已经提高到96%;3)吨铝直流电耗低,一般为kWh,个别企业已经降低到13000kWh。
(4)世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移
目前,世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重,因此,如何降低发电成本和电价,降低原铝生产电耗,是绿工业生存和发展的重要研究课题。
虽然日本是铝的消费大国,但铝产量却一直下降。
日本现在主要靠在海外投资来获取金属铝,仍保持人均年耗铝28kg的高水平。
日本铝工业的衰落,除资源贫乏之外,最主要的是能源短缺,铝用石油电价高达美分/kWh,超过国际铝业平均用电价格美分/kWh数倍。
日本铝工业的兴衰发人深思,电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。
当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移,向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。
二.熔盐电解
在电化顺序中,极为活泼的金属不能从盐类的水溶液中获得。
因为在水溶液中,该金属将与水作用而析出氢,并生成该金属的氢氧化物。
抽取此类金属,当以热还原法有困难时,经常采用电解该金属的熔融盐或溶于熔盐的氧化物。
有时熔盐电解是某些金属惟一的制备方法。
如铝钙铍锂钠等均以熔盐电解法制备。
许多稀有金属也可用熔盐电解法制得,如钍铌锆钽等
利用电能加热并转换为化学能,将某些金属的盐类熔融并作为电解质进行电解,以提取和提纯金属的过程。
熔盐电解在19世纪初已开始应用,随着熔盐电化学的迅速发展,至19世纪末期就以工业规模生产铝、镁等轻金属。
以后,又用于稀有金属的生产。
酸只有在水溶液中才可以电解
1.熔盐电解质
熔盐是熔融状态的盐类,其中主要是卤化物。
熔盐是离子熔体,有较高的电导率;在比熔点稍高的温度时,晶体结构虽然由于热运动而松散、溃乱,但在一定的距离内仍保持一定的有序性,称为近程序结构。
在电解中使用的熔盐电解质应该具有较低的熔点,适当的粘度、密度、表面张力,足够高的电导率,以及相当低的挥发性和不溶解被电解出来的金属熔体等性质。
为了达到这些要求,常常使用由几种盐类组成的混合物。
它们常具有比纯组分更低的熔点,但也有不少例外。
所以,必须通过实验来选择适当的混合盐组成。
通常,电解镁用NaCl-KCl-MgCl2混合熔盐;电解铝用Na3AlF6-Al2O3混合熔盐。
电解钽则用K2TaF7-Ta2O5混合熔盐;电解铍用BeF2·NaF-BaF2或NaCl-BeCl2混合熔盐。
2.影响熔盐电解的因素
和水溶液电解质一样,当熔融电解质与金属接触时,两者之间将产生一定的电势差,即电极电势。
在同一熔盐中插入两个电极,并利用外加电压通过直流电,当电压达到一定的数值时,熔盐中的某些组分将分解,平衡状态下化合物开始分解的电压称为分解电压(表1)。
常见金属的电化当量见表2。
熔盐的性质和它的组成、金属离子和阴离子的性质都会影响电化顺序中各金属的相对位置。
在大多数情况下,熔盐电解的电流效率低于水溶液电解。
影响电流效率的因素有:
温度、电流密度、极间距离和电解质的性质。
其中电解质对金属的溶解是降低电流效率的主要因素之一。
某些金属可与其高价化合物作用,生成低价化合物,例如:
CaCl2+Ca─→2CaCl
AlCl3+2Al─→3AlCl
低价化合物重溶于熔盐中,并易被空气或阳极析出的气体氧化而成为高价化合物,因而引起更多的金属被溶解,降低电流效率。
此外,析出的金属也可从熔盐中置换出其他金属,而溶解于熔盐中。
阴极反应熔盐电解时阴极上进行的反应为:
Men++ne─→Me
式中Me为金属,n为得失电子数。
当熔盐温度高于金属的熔点时,所得金属为液态。
在工业生产中,有时液态金属即成为阴极表面,如电解铝;由于工艺要求及电解槽构造的不同,有时生成的液态金属迅速自金属阴极离开,如电解镁、锂、钠等。
若熔盐温度低于金属熔点时,所得金属为固态。
随着条件的不同,可以得到金属粉末、片状晶体或薄层覆盖物。
由于高熔点金属的广泛应用,熔盐电解法在这些金属的制备中也获得更大的进展。
如铍、锆、钽、铌、钍等都可用此法制备。
阳极反应在电沉积时常使用碳电极作为阳极,而在电解精炼时则使用粗金属电极。
使用碳电极时,如MgCl2的电解,阳极反应可以使氯离子放电而析出氯气:
2Cl-─→Cl2↑+2e
也可以是碳与氧的化合,如Al2O3在冰晶石熔体中的电解,生成CO或CO2:
2O2-+C─→CO2↑+4e
在电解精炼中,粗金属作为阳极,其反应为:
Me─→Men++ne
电极电势较被提取金属为正的杂质将不溶解,而电极电势较被提取金属为负的杂质,虽溶解于熔盐内,但不能在阴极析出,从而起到提纯的作用。
三.电解生产工艺流程
1.电解原理
工业生产铝,主要采用冰晶石—氧化铝熔盐电解发。
主要设备是电解槽,电解法原理为:
直流电流通入电解槽,在阳极和阴极上起电化学反应,电解产物在阴极上析出率,阳极上是co2(约75%~80%)和co(约20%~25%).电解槽内,电解质通常有冰晶石。
氧化铝和添加剂组成,电解温度为940~950,密度为|cm3,铝液密度为g、cm3,二者因密度差而分我上下层,铅液用真空抬包抽出,经过净化。
澄清和配料之后,浇铸成商品铝锭。
其纯度课达含铝量%~%.阳极气体中含有少量
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