铝电解车间工艺设计

铝电解车间工艺设计2主要内容概述主体设备的设计技术条件及技术经济指标的选择冶金计算车间配置3铝电解的基本知识1、铝的性质与应用密度小、导电性好,熔点为660.37℃，万能金属绿色、低碳、节能、生态4一.概述现代铝工业生产普遍采用冰晶石－氧化铝熔盐电解法。电解铝在熔盐电解槽中进行，以氧化铝为原料，熔融的Na3AlF6-Al2O3为电解质。采用炭素材料作阳极，铝液作阴极，在直流电作用下进行电化学反应。5一冰晶石氧化铝氟化盐炭素材料直流电解气体净化载氟氧化铝废气阳极气体铝液铸造铝锭澄清或净化残极返回炭素生产线烟气6原料铝电解过程的主要原料—Al2O3铝电解对其化学纯度要求：比铝更正电性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等）含量有要求；比铝负电性元素，如碱及碱土金属等，电解时与氟化铝反应，使其损失，分子比改变；水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。铝电解对其物理性能要求：具有吸水性小，活性大，粒度适宜，在电解质中溶解性好等，同时要求能够严密地覆盖阳极，以防止阳极暴露在空气中被氧化，保温性能要好。这些性质主要取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。根据氧化铝的物理性能不同，可分为砂状、粉状和中间状。7辅助生产材料Na3AlF6因外观酷似冰而得名冰晶石，分为天然冰晶石和人造冰晶石，仅格陵兰岛有天然冰晶石，一般用人造冰晶石。冰晶石生产方法有：酸法、碱法、干法和磷肥副产法等，其中酸法应用最广。冰晶石8冰晶石-氧化铝熔体的结构冰晶石的晶体结构Na3AlF6是离子型化合物；晶格以AlF63-原子团构成的立方晶格为基础，且与Na(1)+,Na(2)+离子分别形成的两个不同尺寸的体心立方晶格相互穿透形成属复式晶格；晶型转变序：单斜体心晶系565℃立方体心晶系880℃立方晶系9氟化盐氟化盐包括NaF、AlF3、CaF2和LiF等。其作用如表所示10炭素材料炭素材料耐高温，抗腐蚀，导电良好，有足够的机械强度和热稳定性。生产炭素阳极的原料：骨料和粘接剂两部分1、骨料----石油焦、沥青焦对骨料的要求：灰分含量不能过高，会因带入杂质而影响铝的质量；硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高；钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。2、粘接剂---沥青其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。11技术条件及技术经济指标的选择技术条件电流电流槽的大小一般称为电流槽的容量，皆以电流大小表示。电流槽的电流反映了电流槽的单槽产能。法国彼斯涅公司对年铝产量均为20万t/年、分别采用180kA与300kA两种容量电流槽的方案做了比较(见表8—3)。结果表明，建一个系列240台300kA的电流槽与建两个系列400台180kA的电流槽相比，总投资节约15%。12电流静电除尘器的除尘效率可达99%以上，压力损失小于500Pa。13技术条件面积电流设计与生产中总是取阳极面积电流作为设计与计算的基础。电解质水平与铝水平电解质水平是指电解槽中电解质的深度。同样，铝水平是指电解槽中铝液的深度。电解质水平为16~22cm，铝水平为20~30cm。极距阳极底面与铝液镜面间的距离称为极距。通常情况下极距不小于4cm。14技术条件电解质分子比电解质中NaF与AlF3的物质的量之比称为电解质分子比，简称分子比。目前分子比多选为2.2~2.8。效应系数阳极效应(简称效应)是熔盐电解过程中发生在阳极上的特殊现象，电解槽发生效应期间其输入功率为平常的数倍，同时电解过程基本停止，导致电解质过热，电流效率降低，并耗费大量电能，不利于生产。某一系列电解糟平均每台电解槽每天发生阳极效应的次数称为效应系数，是电解槽系列是否正常运行的标志。15技术经济指标电流效率电能效率η=(1000000Q)/(0.3356It)×100%式中η—电流效率，%q—每台电解槽的铝产量，tI—系列电流，At—电解时间，h100%WW理电能实-3-610=29800.335610IVVI平均平均式中η—电流效率，%V平均—电解槽的实际电压，VI—电解槽的电流，Aτ—电解时间，h0.3356—铝的电化当量，g/(A•h)160acacexBVEIRRRRVeV平()acE0为氧化铝可逆分解电压；为阳极反应过电压；为阴极过电压；Ra为阳极电阻；Rc为阴极电阻；Re为电解质电阻；Rx为母线电阻；Ve为效应分摊电压；VB为槽间电压和电解厂房到整流所之间母线电压降的分摊电压之和。槽平均电压++VVVV黑平工作效应17槽平均电压VEVVVV电解质工作极化阳极阴极母线()2460minVkVVtVVket效应效槽应槽－－效应电压；－－槽电压；效应系数；效应时间（）。槽工作电压效应分摊电压Ve槽间电压、厂房外母线分摊电压V黑--V工作总电压槽工作电压总和效应分摊电压总和生产槽台数18技术经济指标  氧化铝消耗总量氧化铝单耗铝产量氧化铝单耗炭阳极单耗氟化盐单耗 氟化盐消耗总量氟化盐单耗铝产量  炭素材料消耗总量炭素阳极单耗铝产量19上世纪60～80年代以前广为使用现仍有少量存在的侧插阳极棒自焙阳极电解槽主体设备的设计20上世纪60～80年代广为使用的上插阳极棒自焙阳极电解槽主体设备的设计在上世纪60～70年代，上插棒自焙阳极电解槽在世界范围内得到了很大发展，其电解槽的最大电流强度达到了170～180kA。21图3.3当代的预焙阳极电解槽主体设备的设计22公司或铝厂槽型电流强度(kA)电流效率(%)直流电耗(kWh/t)槽寿命(Mon.)AlcanP18018094.51440060-80AlcoaA69721694.51390070-80BecancourAP-1818094.91330080-100GrangesP8615095.41317072ZSNFZiarHAL23023096.313306--DubalCD20020094.01440065LauralcoAP-3031996.01300072-96AlocaPortlandA81730395.01360060-72国外主要槽型的技术指标国内外铝电解技术现状主体设备的设计23国内外工业铝电解技术现状参数国外电解槽国内200kA系列国内300kA系列电流强度(kA)300-320200300日铝产量(kg)247515142295直流电耗(kWh/kg)12.9-13.513.2-13.313.1-13.2电流效率(%)9492-9392-93阳极电流密度(A/cm2)0.8-0.850.720.733槽膛面积(m2)40-4540.156.6阳极面积(m2)3827.740.9阳极/槽膛面积比~0.90.690.723阴极铝液流速(cm/s)平均4~5最大17最大16~17阴极寿命(d)2500-30001500-18002000阳极净耗(kg/kg)0.430.440.42国内外电解槽的典型参数主体设备的设计24国内主要铝厂抚顺铝厂——中国最早的铝厂百色平果铝厂——中铝公司贵州铝厂——中国铝业公司青海铝厂——中国铝业公司青铜峡铝业集团公司云南铝业股份有限公司包头铝业集团公司总电投集团旗下的铝厂兰州铝业股份有限公司和兰州连城铝业有限公司郑州铝厂——中国铝业公司主体设备的设计25主体设备的设计平果铝厂26平果320KA铝电解抚顺230KA铝电解主体设备的设计27主体设备的设计贵州铝厂200KA贵州铝厂烟气净化系统28青海200KA铝电解槽伊川300KA铝电解槽主体设备的设计29南山300KA铝电解槽兰州200KA铝电解槽主体设备的设计30青铜峡200KA铝电解槽主体设备的设计31电解槽的主体结构321号槽控机系列电流检测信号交换机1#监控微机电流信号传输线CANBUS通信网M#监控微机1号电解槽2号槽控机2号电解槽n号槽控机n号电解槽服务器接其他监控、管理微机接车间、分厂工作站以太网（TCP／IP通信）铝电解智能模糊控制系统硬件配置图计算站电解车间整流车间主体设备的设计33出铝操作（法国300kA槽）主体设备的设计34主体设备的设计大型预焙电解槽结构—阴极结构、上部结构、母线结构、电气绝缘。①阴极结构——槽壳、内衬砌体。⑴槽壳——槽壳为内衬砌体外部的钢壳和加固结构，是生产期间成装铝液、电解质的容器。分有底槽和无底槽。⑵内衬砌体——分为四种材质：碳质内衬材料、耐火材料、保温材料、粘结材料。㈠内衬气体在筑炉过程中自槽壳下部向上依次为：石棉板、硅酸钙板、保温砖、防渗料、阴极炭块、扎固糊料、侧部炭块。㈡侧部炭块种类——|普通材质炭块、碳化硅结合氮化硅。35主体设备的设计②上部结构——承重桁架、阳极提升装置、自动打壳下料装置、阳极母线和阳极组、集气排烟装置。㈠阳极提升装置——有两种方式：一种是采用涡轮蜗杆螺旋起重器阳极升降机构，另一种是采用滚珠丝杠三角板阳极升降装置。㈡自动打壳下料装置——有打壳系统（打壳气缸和打击锤头）、下料系统（料仓和筒式下料器）。㈢阳极母线和阳极组——阳极母线是由两条平行母线和中间进点联络母线组成。阳极组由：炭块、钢爪、铝导杆组成。36主体设备的设计③母线结构——电解槽的母线结构由阳极母线、阴极母线、立柱母线、软母线一个一个串连在一起的。可分为压延母线、铸造母线两种。④电气绝缘——电解槽绝缘部位较多，槽壳对地，阳极对阴极等。图4-2-837预焙阳极块生产的基本工艺流程图主体设备的设计38我国现行大型预焙槽阳极的主要技术参数我国现行的阳极炭块质量标准（GB8742—88）主体设备的设计39国外现代预焙槽炭阳极质量要求主体设备的设计40成型制备阳极生块主体设备的设计41阳极仓库主体设备的设计42吊装阳极生块主体设备的设计43碳阳极放置图主体设备的设计44碳阳极残极图主体设备的设计45电解槽设计参数的选择阳极尺寸预焙阳极炭块尺寸，视阳极排列与组数不同，长度各异，而宽度一般为500-750cm。高度一般在550mm，过低则残极率增大，过高则阳极上的平均电压增高。槽膛深度主要取决于电解质水平、铝水平及操作工艺制度，一般取400—600mm。大型预焙阳极电解槽的槽膛深度通常取550—600mm。槽膛深度阳极到槽帮的距离阳极到槽帮的距离对电解楷的工作影响很大。距离过大，则热损失大；过小，则不便操作。预熔阳极电解槽的这个距离，大多取450mm。母线面积电流铝电解槽上母线用量很大。一个中型电解槽约需铝母线6—9t，而大型电解槽铝母线的用量高达25—35t。46计算举例:某铝厂电解槽设计电流为160kA，电流效率为90%，则每台电解槽理论日产原铝量按下式计算：冶金计算47一般物料平衡计算氟平衡计算A铝电解槽氟的收入量。(2)净化回收系统回收后随氧化铝加入。合计吨铝27.2-0.544-0.347=26.31kg冶金计算(1)随氟盐加入。合计吨铝13.42+2.12=15.54kg上述两者之和即为铝电解槽氟的收入量，共计为吨铝15.54+26.31=41.85kg48一般物料平衡计算氟平衡计算B铝电解槽氟的支出量。(2)随残极吸收带走的氟量为吨铝0.3kg冶金计算(1)槽内衬吸收氟量为吨铝6.05kg铝电解槽氟的支出量，共计为吨铝6.05+0.3+27.2++3+5.3=41.85kg(3)水解、挥发、飞扬进入烟气的气态和固态氟量为吨铝27.2kg(4)机械损失氟量为吨铝3kg(5)电解质增量消耗氟。耗氟量为5.3kg49一般物料平衡计算铸造金属平衡计算冶金计算以年产能力为10万吨/年的电解铝厂为例，原铝铸造损失率为0.5%,铸造金属平衡见表8-10收入支出项目数量/t项目数量/t原铝102233普通铝锭101722铸造损失511合计102233合计102233表8-10铸造金属平衡表50铝电解槽的能量平衡及其计算冶金计算在稳定状态下，供给电解楷体系的能量等于电解过程需要的能量与从电解槽体系损失的热能之和，这就是电解槽的能量平衡