Тепловые и энергетические балансы алюминиевых электролизёров

Для технолога электролизного производства практический интерес представляют вопросы, связанные с возможностью повышения анодной плотности тока, снижения удельных затрат электроэнергии на тонну произведенного алюминия, сохранения тепловой стабильности электролизёра и т.д. Такие вопросы решаются с использованием тепловых и энергетических балансов.

Балансы, составленные с учётом теплового обмена между средой и электролизёром, носят название тепловых балансов. В тепловых балансах не отражены особенности электрохимических процессов при электролизе.

Если в приходной части баланса учитывается электроэнергия, а в расходной – наряду с энергией тепловых потерь принимается в расчёт и энергия электрохимических превращений, то такие балансы называют энергетическими. Они понимаются как сочетание теплового и электрического балансов. Энергетический баланс составляется на основе практического напряжения разложения и отражает реальные процессы в электролизёре, показывая уровень потребления электроэнергии по отдельным узлам ванны. Примеры энергетического и электрического балансов основных типов электролизёров представлены в таблицах 5.1 и 5.2.

При составлении этих таблиц автор воспользовался подборкой материалов, предоставленных ему Скворцовым А.П. (ВАМИ). Приведенные в таблицах сведения дают картину энергетического состояния электролизёров. Они позволяют оценить энергетическую нагрузку электролизера в целом и по отдельным узлам, что даёт возможности планировать пути совершенствования технологии электролиза.

Как правило, при составлении энергетического баланса сводная таблица составляется в развёрнутом виде. В приходной части баланса детализируется приход тепла в анодном узле, в электролите, в угольной подине. Раздел 3 в расходной части баланса «Потери тепла от элементов конструкции» включает пункты: потери тепла днищем, блюмсами, фланцевым листом, боковой поверхностью в верхней, средней и нижних зонах. В анодном узле также указываются все виды потерь в зависимости от типа анода (от штырей, анододержателей, анодных кожухов и т.д.). Это помогает планировать снижение энергетических затрат и возможные пути интенсификации электролизёра. Рассмотрим результаты балансов для различных типов электролизёров более подробно.

Таблица 5.1

Энергетические балансы электролизёров

Таблица 5.2

Электрический баланс основных типов электролизёров, мв

Катодное устройство. Потери тепла с поверхности днища катодного кожуха относительно невелики и составляют 6-7% от общего расхода энергии. Однако величина этих потерь в значительной степени определяет температурное поле в катодном устройстве, точнее расположение изотерм в кирпичной и угольной футеровке. Это связано с точкой замерзания электролита, возможность проникновения которого в верхние слои футеровки всегда существует.

При расположении изотермы, соответствующей температуре замерзания электролита, в верхних слоях кирпичной кладки удаётся заморозить расплав, проникший ниже катодных блоков, и не допустить разрушительного воздействия фтористых солей. Это особенно важно при использовании графитовых подовых блоков, имеющих высокую тепловую проводимость. Однако изотерма кристаллизации не должна выходить на поверхность подины, т.к. это привело бы к образованию подовых настылей.

Если катодные устройства установлены на фундаменты, то потери тепла через цоколь значительно меньше (БТ, ВТ).

В части снижения тепловых потерь в катодном узле имеются определённые достижения за счёт использования современных конструкционных материалов с низким коэффициентом теплопроводности. Расчётные и практические данные показывают, что при применении плит на основе вспученного вермикулита (КАЗ, КрАЗ, ВгАЗ) происходит уменьшение потерь тепла, эквивалентное снижению среднего напряжения на 30-50 мВ, а при использовании силикаткальцитовых плит - на 50-80 мв.

Большие резервы заложены в части перепада напряжения в подине и выделения в ней джоулева тепла. Применение графитизированных материалов при одновременном усилении тепловой изоляции катода позволяет улучшить эти характеристики.

Как видно из таблицы 5.1, основной поток тепловых потерь имеет место от бортовых стенок. Большая роль в этом принадлежит блюмсам, имеющим высокую тепловую проводимость. Если в районе бровки не заложена достаточная тепловая изоляция блюмсов, то это приведёт к охлаждению подины и образованию подовых настылей. Регулирование тепловых потерь от бортов ванны достигается также созданием надёжных бортовых гарнисажей и настылей.

Для поддержания стабильности теплового баланса катодной части активно используется уровень металла в электролизёре. Повышение уровня металла и столба расплава приводят к росту тепловых потоков от бортовой стенки электролизёра и наоборот. Однако влияние уровня металла не ограничивается только фактором тепловых потерь.

Уровень металла воздействует на циркуляцию и перекос расплавленного алюминия, металл отделяет бортовые осадки от соприкосновения с электролитом. При снижении зеркала металла анод погружается в шахту ванны, перегревается и интенсивно окисляется. Все эти факторы весьма существенно влияют на энергетический баланс электролизёра и используются для поддержания его стабильности.

Анодное устройство. Суммарное падение напряжения в анодном узле электролизеров БТ составляет 510±50 мВ. Реальное снижение напряжения в анодном узле возможно за счет улучшения распределения тока по штырям, оптимизации схемы расстановки и угла забивки штырей, повышения качества анодной массы и других мероприятий, однако на практике они не позволяют снизить падение напряжения более чем на 50-70 мВ.

Относительно низкое падение напряжения в анодах БТ, а также шторное укрытие рабочего пространства электролизёра обеспечивают сравнительно низкие энергетические затраты в анодном узле. Этому же способствует дожигание анодных газов в «огоньках» в закрытом пространстве под шторным укрытием. Усиление отсоса газа сдвигает тепловой баланс в сторону увеличения потерь тепла от электролизёра.

В анодном узле электролизёра ВТ падение напряжения составляет 600-700 мВ, что выше, чем на электролизерах ОА на 200-300 мВ (см. табл.5.2). Основным резервом улучшения энергетического баланса в этом случае можно считать уменьшение перепада напряжения в токоведущей части анода, в штырях и контактах, о чём весьма подробно изложено в главе 7. Возможное снижение напряжения при реализации всех мероприятий может составить 70-100 мВ.

Низкий перепад напряжения (350-400 мВ) в анодном узле ванн ОА - одно из основных их преимуществ по сравнению с ваннами с самообжигающимися анодами. Через верх ванны (от анодов, анододержателей и анодного укрытия) теряется половина всего тепла электролизёра. Часть этого тепла идёт на нагрев укрывного материала анодного массива и глинозёма на корке электролита. Это зона наибольших возможностей экономии электроэнергии, особенно за счёт регулирования толщины и свойств укрытия анодного массива и корки (см. раздел 7.2.5).

Резервы снижения энергетических затрат на электролизёрах ОА могут быть найдены в повышении качества заливки ниппелей, в использовании ниппелей большого диаметра и др. (см. главу 7).Анодные газы уносят значительное количество тепла, поэтому регулирование газоотсоса также может оказаться достаточно эффективным. Однако снижение газоотсоса лимитировано из-за опасности выбросов фторидов в атмосферу цеха электролиза.

Ошиновка. Современные конструкции ванн рассчитываются на плотность тока в ошиновке 0,2-0,25 А/мм² и имеют суммарное падение напряжения в ошиновке 250-300 мВ. Хотя данная составляющая не входит в “греющее” напряжение, тем не менее, она является составной частью среднего напряжения и удельного расхода технологической электроэнергии. Что касается потерь напряжения при размещении ошиновки в шинных каналах, то их удаётся снизить за счёт поддержания надлежащего порядка и температуры в шинных каналах. В противном случае рост перепада напряжения в ошиновке может составить 50-80 мВ

Удельный расход электроэнергии в постоянном токе на лучших образцах электролизёров ОА составляет 13500±500 кВч/т, а энергетический КПД приближается к 55%. При этом под КПД понимается отношение затрат энергии на реакцию восстановления алюминия к общим энергетическим затратам. Эти же показатели на лучших отечественных ваннах ВТ, несмотря на их давнее освоение, составляют 15800±500 кВт-ч/т, что примерно на 2500 кВт-ч/т выше расхода на ваннах ОА и на 1000 кВт-ч/т на ваннах с боковым подводом тока. КПД также ниже и составляет 45-46%.

Значение суммарного падения напряжения в междуполюсном пространстве (сумма обратной ЭДС и падения напряжения в электролите) для ванн с высокими технико-экономическими показателями составляет 3,0-3,1 В.

Проблема интенсификации электролиза путём повышения анодной плотности тока – одна из приоритетных задач, решаемых на основе анализа энергетических балансов. Энергетический баланс алюминиевого электролизёра можно выразить в виде относительно простого уравнения:

860 I (Епр + Еа + δr) = P Qт,

Где: I (Епр + Еа + δr) - энергия, подведенная электрическим током; Еа – увеличение напряжения за счёт анодных эффектов, В; Епр – практическое напряжение разложения, В; δ,r – плотность тока в аноде (А/см²) и приведенное электросопротивление электролизёра, равное произведению общего сопротивления на площадь анода; P – энергия, расходуемая на химические и электрохимические реакции с учётом тепла на нагрев материалов; Qт – тепловые потери конструктивными элементами электролизёра.

Из приведенного уравнения следует, что при прочих равных условиях увеличение плотности тока, в том числе и производительности, возможно путём снижения электрического сопротивления электролизёра. Основными путями уменьшения греющего сопротивления можно считать повышение электрической проводимости материалов (в первую очередь электролита), увеличение площади анодов за счёт уменьшения расстояния от анода до борта, а также уменьшения междуполюсного расстояния и электрического сопротивления конструктивных узлов анода, катода и электролита. Впервые это положение было сформулировано в 60-е годы М.А.Коробовым (ВАМИ).

Из перечисленных направлений только увеличение электрической проводимости материалов и уменьшение электрического сопротивления в аноде и катоде не приводят к снижению выхода по току. Работа над улучшением этих параметров практически не прекращается. Увеличение площади анодов (как самообжигающихся, так и обожженных) также позволяет существенно уменьшить греющее сопротивление электролизёра без заметного снижения выхода по току.

Уменьшение МПР (как компенсация повышения анодной плотности тока) влечёт за собой снижение выхода по току и тем сильнее, чем меньше междуполюсное расстояние. В этой связи при увеличении плотности тока путём уменьшения МПР производительность электролизёра возрастает несколько медленнее, чем плотность тока. По мере достижения определённого предела производительность ванн начинает снижаться. Этот предел устанавливается индивидуально для каждого типа электролизёров и зависит от особенностей технологии. На практике приходится учитывать и усиление вредного воздействия МГД-нестабильности при увеличении силы тока, которое повышает порог минимально допустимого МПР.

Плотность тока и производительность действующих электролизёров могут быть повышены также за счёт увеличения тепловых потерь. Это достигается путём повышения уровня металла, частоты обработок, увеличения перегрева электролита. Однако целесообразность такого направления интенсификации зависит от стоимости электроэнергии, так как при этом её удельный расход возрастает.

На действующих электролизёрах удельный расход электроэнергии на компенсацию тепловых потерь уменьшается, если увеличение производительности достигается снижением греющего сопротивления при постоянных тепловых потерях. В том случае, если производительность увеличивается за счёт роста тепловых потерь, который опережает рост производительности, удельный расход электроэнергии на компенсацию тепловых потерь повышается.

Энергетический баланс предусматривает стабильное равенство между приходом и расходом энергии, также как и соответствие между средним напряжением на ванне и расходом энергии на электрохимический процесс и компенсацию тепловых потерь. Если такое равновесие (баланс) устанавливается при оптимальном значении МПР и соответствует максимальной производительности электролизёра при низком удельном расходе электроэнергии, то это в наибольшей степени соответствует требованиям технологии и экономическим интересам производства.

Если по каким-либо причинам возрастает приходная часть баланса (повышение среднего напряжения на ванне, частые анодные эффекты, поджатие ванны и др.), то тепловое равновесие электролизёра нарушается, что сопровождается цепью сопутствующих превращений. Прежде всего, повышается температура и перегрев электролита, начинается подплавление гарнисажей и бортовых настылей. Тепловое сопротивление бортовых стенок и корки электролита снижается. На электролизёрах ОА подплавляется укрытие анодного массива. Соответственно тепловые потоки возрастают и баланс приходит в новое равновесие. Такое явление носит название как «тепловое саморегулирование» электролизёра. Однако новый баланс может не соответствовать оптимальным показателям работы ванн.

Нарушение баланса может происходить и в том случае, когда снижается приход энергии относительно равновесных значений. Это может произойти, например, при занижении рабочего напряжения и тока на серии, снижении частоты анодных эффектов и т.д. Ответной реакцией на такие изменения также будет саморегулирование электролизёра, направленное на снижение тепловых потоков от ванны путём наращивания толщины настылей.

В процессе саморегулирования происходят заметные изменения состава и свойств электролита. Основную роль при этом играет перегрев электролита и изменения температуры ликвидуса. При наращивании настылей и гарнисажей на «холодной» ванне криолитовое отношение будет снижаться, электрическое сопротивление электролита, напротив, будет возрастать. Тем самым греющая мощность в междуполюсном зазоре соответственно возрастёт. Усиление такого эффекта можно достигнуть повышением уставки напряжения на ванне.

При сдвиге баланса в сторону прихода тепла перегрев электролита возрастает и происходит подплавление настылей. Криолитовое отношение и проводимость электролита при этом начнут возрастать и способствовать снижению греющего напряжения в МПР. В таких ситуациях весьма эффективно использование современных программ АСУТП, рассчитанных на автоматический выбор уставки напряжения, что будет содействовать естественному саморегулированию электролизёра.

В заключение этого раздела следует отметить высокую степень стабилизирующего воздействия на энергетический баланс систем АПГ, работающих в автоматическом режиме. В последние годы наметилась тенденция отказа от работы по “заданному” приходу тепла (постоянной уставки регулирования АСУТП) в пользу более гибкого использования энергетического баланса. При наличии АПГ более эффективным оказывается технологический режим по минимуму сопротивления в междуполюсном зазоре и применение различного рода корректирующих добавок к уставке напряжения (см. раздел 9.4.3).