Выбор анодной плотности тока на основании анализа тепловых балансов электролизеров с обожженными анодами

Ахмедов С.Н., Козлов В.А., Громов Б.С., Пак Р.В., Ахмедов А.С.

При проектировании алюминиевых электролизеров к числу задаваемых параметров относятся сила тока и анодная плотность тока. На основании задаваемой плотности тока определяются геометрические размеры катодного и анодного устройств, рассчитываются материальный, электрический и тепловой балансы электролизеров. Конечной целью расчета теплового баланса является минимизация потерь электроэнергии, подбор оптимальных значений температур электролита и теплоотдающих конструктивных элементов электролизера, обеспечение устойчивого защитного слоя гарнисажа на боковых стенках шахты катодного устройства.

Решение задачи оптимизации теплового баланса исходит из допущения о фиксированных значениях междуполюсного расстояния, постоянства скоростей движения металла и электролита, неизменности состава электролита во времени и по объему ванны. Как правило, оптимизация теплового баланса производится для одной заданной силы тока и конкретной конструкции электролизера.

Учитывая современные тенденции в мировой алюминиевой промышленности к увеличению силы тока на электролизерах, представляет практический интерес анализ выбора плотности тока на основе сопоставительных расчетов тепловых балансов электролизеров. Предпосылкой для подобного рода исследований является наблюдаемые различия в технологических параметрах электролизеров, полученные в промышленной эксплуатации и по расчетным данным.

Нами была поставлена задача определения оптимальных значений анодных плотностей тока с точки зрения рассмотрения теплового баланса для электролизеров различной мощности и сопоставления их с фактическими данными по многолетнему опыту эксплуатации различных алюминиевых заводов. В качестве объекта рассмотрения выбраны электролизеры с обожженными анодами.

Расчеты проводились с использованием компьютерной программы, разработанной на основе базовых пакетов прикладных программ Научно-исследовательского Центра Ресурсосберегающих Технологий НТУУ КПИ (г. Киев, Украина).

При проведении расчетов использовались следующие исходные предположения:

На первом этапе проведены расчеты тепловых балансов электролизеров различной мощности при одной и той же анодной плотности тока - 0,8 А/см². В таблице 1 показаны расчетные значения температуры поверхности анодов, днища и стенок катодного кожуха для электролизеров с различной силой тока.

Результаты расчетов тепловых балансов при фиксированной плотности тока

Из представленных данных видно, что температуры основных теплоотдающих элементов электролизеров возрастают с ростом силы тока. Соотношение теплопотерь катодным и анодным узлами меняется в сторону увеличения теплопотерь анодом. Эта закономерность имеет существенное значение при формировании общих принципов проектирования и строительства корпусов электролиза. Соотношение теплопотерь между катодным и анодным устройствами входит в расчеты воздухообмена в корпусе электролиза и определяемую температуру воздуха рабочей зоны. В 50-70-х годах прошлого века считалось, что возможно обеспечить увеличение производительности электролизеров и достижение требуемой температуры воздуха в рабочей зоне путем установки электролизеров на высоту, дающую возможность воздуху циркулировать с нулевой отметки корпуса под днищем электролизера и далее через вентиляционные отверстия в полу рабочей отметки в "фонарь" крыши корпуса. Отсюда проектные решения большинства корпусов электролиза предусматривали установку электролизеров с рабочей отметкой +4,5 метра. Многолетняя практика выявила отрицательные стороны подобного подхода. В условиях перепада температур в течение года от -50°С до +40°С, изменение температуры наружных поверхностей электролизера за счет их интенсивного обдува окружающим воздухом приводило к нарушению теплового равновесия и, как следствие, падению всех технико-экономических показателей электролиза и срока службы электролизеров. Воздух в рабочей зоне при таких условиях не соответствовал требованиям, предъявляемых нормативными документами по охране труда обслуживающего персонала. Практика мировой алюминиевой промышленности показывает, что при увеличении теплоотдачи от анодного устройства в корпусах электролиза стремятся обеспечить воздухообмен в рабочем пространстве за счет приточной вентиляции вдоль стенок корпуса, минимизируя при этом потоки воздуха под днищем катодного устройства.

Важными параметрами теплового равновесия электролизеров является толщина защитного слоя гарнисажа на боковых стенках и температура перегрева электролита, т.е. разница между температурой ликвидуса и рабочей температурой электролита. На рис. 1 приведены значения перегрева электролита и толщины гарнисажа в зависимости от силы тока при фиксированной плотности тока. Из представленных данных видно, что при силе тока ниже 80 кА резко увеличивается толщина гарнисажа и уменьшается перегрев электролита. При полученных значениях невозможно нормальное ведение технологического процесса электролиза. Кроме того, сам угол наклона кривых толщины гарнисажа и перегрева электролита говорит о том, что при изменении мощности электролизеров эти значения существенно меняются. Это не соответствует промышленному опыту эксплуатации и не отвечает оптимальному тепловому балансу электролизеров.

Чтобы добиться адекватности расчетных значений наблюдаемым на практике нами была проведена серия расчетов, в которой оптимизация теплового состояния электролизеров различной мощности осуществлялась за счет подбора анодной плотности тока. За критерий оптимизации была выбрана неизменность формы рабочего пространства для разных типов электролизеров. Результаты расчетов представлены в таблице 2 и на рис. 2.

Результаты расчетов тепловых балансов при подборе плотности тока

Сопоставление данных таблицы 1 и таблицы 2 показывает, что температуры теплоотдающих поверхностей при изменении плотности тока меняются мало. Аналогичный результат получается при сопоставлении соотношения теплопотерь анодным и катодным узлами. Кривая значений перегрева электролита на рис. 2 имеет более пологий характер, чем на рис.1, и диапазон изменений близок к величине перегрева, наблюдаемой в промышленных электролизерах.

При изменении плотности тока меняется значение падения напряжения на электролизере. Зависимость греющего напряжения и удельного расхода электроэнергии от задаваемой силы тока показана на рис. 3. В соответствии с представленными данными, на электролизерах малой мощности (50 кА) греющее напряжение может составлять 4,22 В, расход электроэнергии 14500 кВт·ч на тонну алюминия. Для электролизеров большой мощности (300 кА) эти параметры составляют 4,1 В и 14100 кВт·ч/т, соответственно. Полученные результаты достаточно хорошо коррелируются с промышленным опытом эксплуатации электролизеров.

Исходя из представленных результатов расчетов, и считая толщину гарнисажа критерием оптимизации теплового состояния электролизера, можно построить зависимость анодной плотности от силы тока на электролизере (рис. 4). Из рисунка видно, что с ростом задаваемой силы тока соответствующее значение анодной плотности тока должно снижаться, и только при этом тепловое состояние электролизера будет обеспечивать устойчивую форму рабочего пространства. На рис. 4 представлена также зависимость анодной плотности тока от силы тока, определенная на основе статистического анализа показателей промышленно используемых электролизеров [1]. Кривые 1 и 2 пересекаются при значении силы тока 130 кА. При значениях силы тока более 130 кА анодная плотность тока, полученная из статистической обработки фактических данных, ниже, чем по данным оптимизации тепловых балансов. По-видимому, выбор плотности тока для мощных электролизеров определяется не только тепловым балансом, но и факторами магнитной гидродинамики. В зависимости от конструктивных и технологических параметров (тип футеровки, размеры анодов, состав электролита и т.п.) и критериев оптимизации (толщина гарнисажа, температура перегрева электролита) кривая 1 может смещаться вверх-вниз, и, соответственно, будет смещаться точка пересечения с кривой 2. Однако в любом случае для электролизеров большой мощности фактор МГД нестабильности будет оказывать более существенное влияние на тепловое равновесие, чем для электролизеров малой мощности.

Это необходимо учитывать как при выборе проектной мощности электролизеров с обожженными анодами, так и при оценке факторов технологического риска, т.е. нестабильности качества глинозема, анодов, фторсолей, футеровочных материалов. Возмущающее воздействие факторов риска на электролизерах малой и средней мощности проще компенсируется с помощью технологических приемов (регулировка МПР, частота срабатывания АПГ, корректировка состава электролита). На электролизерах большой мощности из-за их высокой тепловой инерционности труднее обнаружить и впоследствии устранить нарушения в технологическом режиме эксплуатации, что увеличивает вероятность их аварийного выхода из строя.

Выводы:

Библиографический список

РЕФЕРАТ

Целью расчета теплового баланса является минимизация потерь электроэнергии, подбор оптимальных значений температур электролита и теплоотдающих конструктивных элементов электролизера, обеспечение устойчивого защитного слоя гарнисажа на боковых стенках шахты катодного устройства.

Расчетную оптимизацию тепловых балансов электролизеров с обожженными анодами различной мощности необходимо проводить за счет подбора анодной плотности тока при выборе в качестве критерия формы рабочего пространства и величины перегрева электролита.