（有色金属冶金专业论文）新型余热回收型铝电解槽的研究.pdf

i 一 一 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 i i i 1l ll l rll l 1 l rllli y 17 17 0 8 9 r e s e a r c ho nn e wh e a t r e c o v e r y a l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l b yw a n gc h a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gz h a o w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 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 = 匕 思。 学位论文作者签名： 日期： 互起 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1 3一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名：丑，) jb 轰 签字日期： ，以了；o 东北大学硕士学位论文 摘要 新型余热回收型铝电解槽的研究 摘要 目前，每吨铝的电能消耗已经降低到1 3 0 0 0 一1 4 0 0 0 k w 。h ，但是铝电解的能量利用率 却还不到4 5 。很多学者从降低平均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5 0 ，侧部散热4 3 ，底部散热7 。为了铝电解 过程中的节能降耗，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理 论分析，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进出口温差 和换热功率的影响。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，进出口温差和换热功率也随之改变。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，换热功率也随着相应的增加或减少。 研究了铝电解过程中换热熔盐的流量对进出口温差和换热功率的影响。电解温度为 9 8 0 以上，电流在1 5 5 0 a - - 一1 8 0 0 a 范围内波动，电压在8 v 左右，功率为1 2 8 0 0 w 左右。 在维持稳定电解的条件下，当换热熔盐的流量增加时，进出口温差降低和换热效率增加。 找到了本试验槽的最佳流量，当流量增大到0 3 m 3 h 左右时，换热系数变得稳定，电解 槽侧壁热阻变得稳定，换热效率为5 0 左右，此时电解槽趋于稳定，换热效果最佳。 关键词：节能；能量平衡；余热回收；铝电解；熔盐流量；输入功率；换热功率 - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho i ln e wh e a tr e c o v e r ya l u m i n u mr 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 np e rt o na l u m i n u mh a sb e e nr e d u c e dt ob e t w e e n 13 0 0 0k w ht o14 0 0 0k w 。h ，b u tt h ee n e r g ye f f i c i e n c yi so n l y4 5 o rs o m a n yr e s e a r c h e r s h a v ed e e pr e s e a r c h e do na l u m i n i u me l e c t r o l y s i se n e r g ys a v i n gf r o md e c r e a s ea v e r a g ev o l t a g e a n di n c r e a s ec u r r e n te f f i c i e n c y b u ta n a l y s i so nt h ee n e r g yb a l a n c e ，h a l fo ft h ee l e c t r i ce n e r g y f 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 ef o r mo fh e a te n e r g y a n dt h eh e a t d 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 r5 0 ，4 3 f r o ms i d ea n d7 f r o mt h eb o t t o m i no r d e rt oe n e r g ys a v i n g ，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 tr e c o v e r ya n di t sa f f e c t i n g f 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 tt h e o r e t i c a l a n a l y z e de n e r g yb a l a n c e ，h e a td i s s i p a t i o n d i s t r i b u t i o na n dh e a t d i s s i p a t i o nm o d e n e ww a s t eh e a tr e c o v e r ya l u m i n u mr e d u c t i o nc e l ls t r u c t u r ew a s c o m p r e h e n s i v ed e s i g n e da n dh 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 ef o rt h i se x p e r i m e n tw a s c 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 d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n l e ta n do u t l e tw e r es t u d i e d ，w h e nc o k ea st h e h 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 k e e pi n p u tp o w e rs t a b l e ，t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e b e t w e e ni n l e ta n do u t l e ta n dt h er e c o v e r yp o w e rc o r r e s p o n d i n gc h a n g ew h e nf l o wr a t eo f m o l t e ns a l t 。i s i n c r e a s e do rd e c r e a s e d k e e pf l o wr a t eo fm o l t e ns a l ts t a b l e ，r e c o v e r yp o w e r i n c r e a s eo rd 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 t h ee f f e c to ff l o wr a t eo nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n l e ta n do u t l ea n dt h e r e c o v e r yp o w e rw e r es t u d i e d e l e c t r o l y t i ct e m p e r a t u r ew a su p w a r d9 8 0 c e l e c t r i cc u r r e n t f l u c t u a t e db e t w e e n15 5 0 aa n d18 0 0 a v o l t a g e k e p t a b o u t8 v p o w e r k e p t a b o u t 12 8 0 0 w k e e pe l e c t r o l y t i cp r o c e s ss t a b l e ，t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n l e ta n do u t l e c o r r e s p o n d i n gr e d u c ea n dt h er e c o v e r yp o w e rc o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ew h e nf l o wr a t eo f m o l t e ns a l ti si n c r e a s e d f o u n dt h eb e s tf l o w ，w h e nt h ef l o ww a s0 3 m 3 h ，c o e f f i c i e n to fh e a t t r a n s f e ri ss t e a d y , t h e r m o r e s i s t a n c eo ft h e s i d eo ft h ec e l li ss t a b l e ，t h ee f f i c i e n c yo fh e a t e x c h a n g ei s5 0 ，t h ec e l lw o r k i n gn o r m a l i ti st h eb e s tr e s u l t s 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 yp o w e r v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要，i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 铝电解节能意义1 1 2 铝电解节能方式2 1 2 1 大型槽的推广2 1 2 2 低温铝电解的研究3 1 2 3 阴极和阳极技术的改进3 1 2 4 新槽型的设计6 1 2 5 离子液体铝电解7 1 3 铝电解槽散热分布与节能降耗8 1 3 1 铝电解槽散热分布8 1 3 2 余热回收研究现状。9 1 3 3 目前铝电解余热回收的缺陷及本试验的优点1 2 1 4 本课题的主要研究内容1 4 第二章余热回收式铝电解槽的设计与初步试验1 7 2 1 电解槽能量平衡。1 7 2 1 1 电解槽的能量平衡1 7 2 2 电解槽散热l8 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19 2 3 电解槽的设计2 1 2 3 1 电流密度2 1 2 3 2 槽膛深度2 2 2 3 3 阳极到槽帮的距离2 3 2 3 4 阴极结构2 4 2 4 电解槽内换热器的设计计算2 4 2 4 1 换热器尺寸的计算2 4 v 1 1 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 2 换热介质的选择2 5 2 4 3 换热熔盐流速的计算2 6 2 5 电解槽内侧部保温转厚度的设计计算2 8 2 6 电解槽炉底的保温结构设计2 9 2 7 铝电解槽和换热器的结构2 9 2 7 1 铝电解槽的结构2 9 2 7 2 换热器结构2 9 2 7 3 换热器上热电偶的分布31 2 7 4 整个系统的流程3 2 2 7 5 辅助设备一熔盐炉选型3 3 2 8 初步试验3 4 2 9 本章小结3 5 第三章电解槽的改造及测试偶的校正3 7 3 1 电解槽结构的改造3 7 3 1 1 提升碳化硅板的摆放高度和改善保温材料3 7 3 1 2 双阳极的改造3 8 3 1 3 电解槽的槽膛改造3 9 3 1 4t i b 2 涂层的铺设4 0 3 2 测温偶的校正4 0 3 3 本章小结4 3 第四章焙烧换热试验矗_ 4 5 4 1 工业上的焙烧方法4 5 4 1 1 炭粒焙烧法4 5 4 1 2 铝液焙烧法4 5 4 1 3 燃料焙烧法4 6 4 1 4 焙烧方法的选择4 6 4 2 不同温度换热熔盐不同流量下的换热效果4 6 4 2 1 熔盐流量的变化对电解槽内换热器进出口温差的影响4 6 4 2 2 熔盐流量的变化对换热功率的影响4 9 4 2 3 熔盐流量的变化对换热系数的影响5 3 4 3 本章小结：5 7 第五章电解换热试验5 9 5 1 铝电解槽的启动5 9 v l i i 东北大学硕士学位论文 目录 5 1 1 干式启动5 9 5 1 2 常规启动5 9 5 1 3 本实验铝电解槽启动6 0 5 2 电解期间关键数据的确定6 2 5 2 1 下料时间的确定6 2 5 2 2 电流电压的控制6 3 5 3 电解换热试验6 3 5 3 1 流量对进出口温差及换热功率的影响6 3 5 3 2 流量对板面平均温度的影响6 6 5 4 电解换热试验中结壳和换热系数的变化情况6 8 5 5 本章小结7 2 第六章结论7 3 参考文献7 5 致谢7 7 一i x 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 铝作为应用最广泛的有色金属材料之一【i j ，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。 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，约占铝总产量的9 5 t 引。 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【4 】 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 i 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i 引。 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 1 ，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 、4 0 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1 8 j 。 1 1 铝电解节能意义 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约为1 3 0 0 0 k w h ( 直流电) 。而理论上电解铝的吨铝电耗值不过 6 3 2 0 k w h ，这表明有一半以上的电能被无故消耗，节电潜力巨大。由于当前能源紧张， 全世界都在积极寻求铝电解的节能途径f 9 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 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 , - 一3 个百分点；吨铝直流电耗相差3 0 0 , - - 一8 0 0 k w h t a 1 ； 电解铝阳极吨铝消耗相差5 0 , - 一l o o k g t - a l ( 折合标准煤约1 0 0 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0 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巨大l l 。 1 2 铝电解节能方式 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，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。 蚤 罱 皇 旦 量 - 一 o 基 ： u a g e 图1 1近5 0 年间铝电解槽电流强度增大趋势 f i g 1 1 t 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 热损+ 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 _ 2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 当作恒定看待。( 1 2 ) 式右侧诸项中，比重最大的项目是w 热损，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 热损减少，所以大型 槽可以达到节能的效果。 ( 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 热损而实现的，方面是设法减少电解槽的热损失量( w 热损) ， 另一方面是提高电流强度和电流效率。 1 2 2 低温铝电解的研究 电解温度通常为9 5 0 c - - - 9 7 0 c ，低温铝电解能够有效地提高电流效率，降低能耗， 此外，低温铝电解还能延长电解槽寿命i l l , 1 2 】。 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原 理是：在减少电解槽能量收入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 对漉+ q 辐射，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 1 1 ) 。 低温电解能够降低槽的热损失，提高能量效率【1 3 1 。 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 ，电流效率将降低1 ，但此结论并未被完全公认。 1 2 3 阴极和阳极技术的改进 1 2 3 1 可湿润型阴极t i b 2 的应用 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。近年来，t i b 2 被公认为所 较为合适的惰性阴极材料【1 4 】，因为t i b 2 有下面的优点： ( 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 一- 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 一3 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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 ) 由于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女n 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副；表 1 2 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。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 m c 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单位：元 t a b l e l 2e c o n o m i cb e n e f i to f ae x p e r i m e n t a la l u m i n i u mc e l lo r l ey e a r 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 6 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、 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 1 7 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 啪，上面的实验结果表明石墨化阴极节能效果十分显著。 表1 3 阴极炭块的分类 他l 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 t a b l ei 4 c o m p a r i s o na m o n g 4t 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 3 3 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 8 i ： - 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 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 , - - 一5 c m ，其电压降达到 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 c m 缩短到3 c m ，这相当于降低槽电压0 5 v 。 ( 3 ) 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 g a 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i l9 1 。 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 2 4 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 m 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 0 v ，电流效率9 2 ，电耗1 5 3k w h k g ，阳极消耗量4 1 5 k 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 岫，阳极消耗量也将有 明显减少。 图1 2 德国易北铝厂v a w 连续预焙槽示意图f 0 1 f i g 1 2 t 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 - 6 ；霹。，”黧疆盯 ，j 凌皇 王蚕霉 _!iij蓥一。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 3c o m a l c o 公司惰性i 碉极电解槽 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 1 2 0 1 ，从而实现 电耗的降低。 东北大学冯乃祥教授发明的异性阴极炭块结构铝电解槽，其中槽壳，设置在底部的 耐火保温材料，阳极和阴极，阴极炭块为异性结构，即在阴极炭块的表面形成若干凸起， 此发明的阴极结构铝电解槽可以缓解电解槽内阴极铝液的流动速度和降低铝液的波动 高度，从而达到提高铝电解的金属铝液面稳定性，减少铝的溶解损失，提高电流效率和 减少极距，降低铝电解生产电能消耗。 据报道：2 0 0 8 年初，重庆某铝厂采用此项技术，在1 6 8 k a 预焙铝电解槽系列上， 构筑三台电解槽进行试验。从2 0 0 8 年5 月1 日至2 0 0 8 年8 月3 1 日，对四个月稳定运 行的技术经济指标进行考核：槽电压比对比系列电解槽的槽电压降低0 3 伏，达到3 8 0 伏( 包括效应分摊电压) ；电流效率平均提高1 3 6 ；直流电耗达到1 2 2 8 1 千瓦时屯铝， 比系列1 2 7 台电解槽的平均直流电耗1 3 3 9 3 千瓦时吨铝降低了1 1 1 2 千瓦时吨铝，节能 效果十分显著。 1 2 5 离子液体铝电解 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 以下 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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 l 】。 1 3 铝电解槽散热分布与节能降耗 1 3 1 铝电解槽散热分布 以上所论述的种种节能措施主要是从降低平均电压和提高电流效率角度考虑的。 而铝电解生产每吨铝的电耗量是1 3 0 0 0 k w h ( 直流电) ，而理论上电解铝的吨铝电耗值不 过6 3 2 0 k w h ，而其余的电能国内外学者普遍认为是以热能的方式散发出去，如果将这部 分热能回收，将大大提高能源的利用率，将是铝电解工业节能的新举措1 2 2 。由表1 7 可 以看出，铝电解槽以散热的形式损失了大量能量，而且回收铝电解槽的散热量是完全可 行的，完全可以达到节能降耗的效果。 表1 73 5 0 k a 至2 0 0 k a 的电解槽散热量( k w ) t a b l e i 7h e a td i s s i p a t i n gc a p a c i t yo f c e l lf r o m3 5 0 k at o2 0 0 k a 铝电解槽单槽散热量可分为顶部散热- 量- q t o p 、底部散热量q 。、侧部散热量q 。三部分， 各部分散热比率由槽体结构来决定。当电解槽设计完毕后，各种内衬材料的性质，包括 热阻也就确定了。对于正常稳定工作的电解槽来说，各部分散热比例基本是固定的。国 外典型预焙阳极电解槽散热分布结果，见图1 4 。由图看出，国外典型预焙阳极电解槽的 侧部散热量占总散热量的4 5 ，这说明了电解槽所散发的热量中4 5 左右是通过侧壁散 发出去的。对于电解槽热流分布的问题，国内外学者认为：在现代电解铝生产中大约5 0 总能量输都散失到环境中去了【2 引，而总损失量中又有4 3 从侧部散失。 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 a v - a , 缸 8 孽白 图1 4 典型预焙阳极电解槽散热分布 f i g 1 4 h e a td i s s i p a t i n gd i s t r i b u t i o no f t y p i c a lp r e b a k e da n o d ec e l l 1 3 2 余热回收研究现状 挪威海德鲁铝业公司的o l e j a c o b 等人在电解槽钢壳内侧直接采用碳化硅成型冷却 装置1 2 训，用于回收电解槽侧部散失的热量，其结构如图1 5 所示。其所用冷却剂有气体 和液体两种，气体为空气、n 2 、a r 和h e 气等，液体有熔盐和耐热油等。当气流量为 6 1 2 l m i n 时，其空气入口和出口温度差最高可以达到8 0 4 ，相应单位面积的热交换量 为o 8 7 k w m 2 。即使在流量为7 6 6 7 l m i n 时，温差也能达到6 1 2 ，相应热交换量为 8 2 9 k w m 2 。回收的热量用于预加热氧化铝。法国彼施涅公司的l a m a z ea i r y p i e r r e 和 l a u c o u m e tr i c h a r d 2 5 】研制一种余热回收型换热槽，其槽结构图如图1 6 所示。其思路是 在电解槽槽壳外部安置足够多的多孔性材料层，通过在该层中投入空气、金属蒸汽等方 法回收电解槽侧部散失的热量。采用空气作热交换介质，当流量从2 6 n m 3 h 到1 8 n m 3 h 变化，气体出入口温差从5 3 5 变到1 9 5 ，相应的单位面积热交换量从9 1 k w m 2 变化 到2 9 。8 k w m 2 。 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 5 海德鲁铝业公司换热电解槽 f i g 1 5h y d r oa l u m i n i u mh e a te x c h a n g ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l 1 阴极2 - 电解质3 阳极4 炉帮5 槽面6 放气阀7 接1 2 1 8 热管热盘9 碳化硅材料 1 0 接口件1 1 槽壳1 2 气压表1 3 换热片1 4 换热器 图1 6 法国彼施涅公司换热电解槽 f i g 1 6p e c h i n e y a l u m i n i u mh e a te x c h a n g ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l 1 耐火砖2 阴极钢棒3 进气e l4 多孔材料5 容器6 出气口7 换热器8 阀门9 接口 l o 炉帮1 1 阳极1 2 钢爪1 3 碳化硅砖1 4 捣糊 - 1 0 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 此外，美国的i n g ob a y e r ，r i c h a r d sb a y 在电解槽的侧部碳化硅板和槽壳之间安装 热管1 2 5 】，管内通入空气或液态介质，用于强制冷却电解槽，热管带出的热量用于加热氧 化铝。其电解槽热管安装结构示意图如图1 7 所示。加拿大多伦多l a u r e n tf i o t 等人也在 电解槽侧部布置冷却装置，见图1 8 。 口 图1 7 美 l n g ob a y e r 发明的强制散热换热电解槽 f i g 1 7 f o r c e dh e a td i s s i p a t i o na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l li n v e n t e db yi n g ob a y e r l 一接口2 一进气管3 一大面热管装置4 一小面热管装置5 - 摇蓝架6 二天面热管装置 7 一汇接头8 一阴极9 一碳化硅砖1 0 一热管 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 i !冷却 系统 r i j 图1 8 加拿大l a u r e n tf i o t 发明的强制散热换热电解槽【2 6 j f i g 1 8 f o r c e dh e a td i s s i p a t i o na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l li n v e n t e db y l a u r e n tf i o t 1 一炉帮2 一碳化硅砖3 一钢槽壳4 一限制阀5 一限制阀6 一冷区系统 7 一汇集导管8 一阴极钢棒9 一保温砖 目前国内刚刚起步研究电解槽余热利用装置。这主要是利用电解槽散发的热量，首 先研究热驱动热声热机的热源和热端热交换器，进一步研制余热利用热声发动机，再开 发出余热利用热声发动机驱动热声发电机。利用电解槽散发的热量达到发电的目的，这 是与铝电解有关的一种新节能措施的研究【1 2 】。在铝