电解槽热平衡测定原理及分析

电解槽热平衡测定原理及分析电解槽的热平衡是铝电解生产过程中的电热行为，是铝电解生产中的核心理论和技术内容之一。良好的电解槽热平衡状态是电解槽设计者和生产技术管理者的追求目标，因为它是铝电解槽实现高效、低电能消耗的技术保证。电解槽的热平衡的实质是指在槽计算体系中，把外部供给的电能和氧化铝分解消耗的能量都转变成热能的形式计算，即热收入等于热支出。一、热平衡测定的理论基础在铝电解生产过程中，当电解槽处于热平衡状态时，存在着下列关系式：W输入一^日0—Q热损失=0（1）式（1）是铝电解槽的能量平衡方程式，或称之为热平衡方程式。在式（1）中，W输入为单位时间内输入热平衡体系内的能量；△H0为在单位时间内用于电解生产铝所需要的能量，这其中包括将原料由室温加热到电解温度所需的热量；Q热损失为单位时间内电解槽热平衡体系的热损失量。在热平衡方程式中，单位时间内输入热平衡体系内的能量可以用热平衡体系内的电压降乘以系列电解槽的电流强度来表示，而电解槽对周围环境的热损失是通过测量电解槽热平衡体系表面温度和临界环境温度，并使用相关的散热数学公式计算而来。电解槽对周围环境的热损失也可以借助于热流计仪器进行直接测量。但无论是通过散热公式进行计算，还是借助于热流计直接测量，其第一步都要确定所测量与计算的电解槽的热平衡体系的边界范围。二、热平衡体系的确定Hauping等人所做的典型的预焙阳极电解槽对周围环境热损失分布情况的测量结果，如图1所示：

图1典型预焙阳极电解槽热损失分布测量结果根据图1可确定电解槽的热平衡体系的边界范围包括电解槽的槽壳和槽罩的整个外表面，即所有封闭的体系，如图2所示：图2电解槽热平衡体系示意图为了准确测量铝电解槽体系散热损失，需要在槽体系与环境之间的界面上，布置许多测点，并且要求这些测点具有代表性，既能够满足测量的目的要求，又能够通过测量数据体现铝电解槽区域能量分布特征。此外需测量排风口烟气温度及环境温度。三、热平衡分析:维持电解槽热平衡的目的：其一是使电解槽在稳定的热平衡状态下生产，热收入等于热支出；其二是尽量减少热损失，同时减少热收入，达到降低平均电压、节省电能的目的。电解槽的热平衡及电解槽的热损失分布主要与电解槽的热设计有关。改变上部氧化铝保温层的厚度，改变电解槽侧部材料及其结构设计，改变槽底保温材料及其结构设计，使用不同种类的阴极炭块，都会改变电解槽热损失的分布。除此之外，电解槽的工艺技术操作对电解槽热损失的分布也有影响。如改变槽电压或电解质分子比，会使电解温度发生变化，并改变电解质槽帮结壳的厚度和槽底沉淀情况，从而使电解槽侧部和底部的散热量发生变化。改变电解槽中的铝水平和电解质水平，会使电解槽侧部的热损失发生变化，从而使电解槽热损失的分布发生变化。影响电解槽热损失的主要因素有以下几个方面：1、阴极内衬的保温性能降低槽底保温砖的热传导系数，可有效地降低槽底部的热损失，但槽底保温砖的热传导系数受国内技术水平的影响，很难降低下来。2、氧化铝保温料的厚度在氧化铝质量和槽结构允许的情况下，加厚氧化铝保温料的厚度是降低电解质结壳表面热损失最好的办法，较厚的保温料还可防止阳极氧化，对降低阳极炭耗也有一定的好处。但过厚的保温料容易导致阳极钢爪发红，造成阳极脱落；过剩的热量会从侧部散失，使炉帮破坏。而且保温料的厚度是根据电解槽的热平衡计算得出，不能随意进行更改。3、阴极钢棒的热损失阴极钢棒是热的良导体，其向外的散热损失与其截面积成正比，因此可通过缩小阴极炭块外面的阴极钢棒的横截面积的办法来减小此处的热损失。但阴极钢棒的横截面积本身就不大，不可能缩小的太大，因此，这种方法存在一定的局限性。4、电解质温度电解槽内电解质与外界环境温差大约是920〜930°C，其热损失很大。加热与熔化电解质24小时需消耗的热量为3.97X107千卡，如果电解温度降低10C，则24小时可节省热能40000千卡，等于降低电耗0.06千瓦•时/公斤•铝。而且低温电解是铝电解的发展方向，随着