28

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Иркутский государственный технический университет

Кафедра металлургии цветных металлов

К У Р С О В О Й П Р О Е К Т

Расчет электролизера с обожженными анодами

на силу тока 160 кА

по дисциплине

«Производство алюминия, магния и проектирование цехов»

Выполнил: ст. гр. МЦз - 98

Хомколов А.В.

Иркутск

2003

Содержание

1. Конструктивный и технологический расчет электролизера

2. Материальный баланс электролизера

3. Электрический расчет электролизера

4. Энергетический баланс электролизера

4.1. Приход тепла

4.2. Расход тепла

5. Баланс по фтору

Литература

Конструктивный расчет и технологический расчет

Конструктивный расчет

Отечественные электролизеры с обожженными анодами (ОА) на силу тока 160 кА работают с анодной плотностью 0,72 А/см² [1].

Тогда площадь сечения анода (S_a) рассчитывается по формуле [2]:

S_a=I/i_a=230000/0,71=323944, см²,

где I - сила тока проектируемого электролизера.

Анодное устройство состоит из:

- балки - коллектора;

- механизмов подъема анодов;

- анодной ошиновки;

- обожженных анодов;

- укрытия электролизера;

- секций автоматизированного питания глиноземом.

Балка - коллектор является несущей металлоконструкцией для анодного устройства и представляет собой сварной короб. Нижняя часть состоит из трех частей: крайние являются каналами, а средняя часть - сборочный газоходный коллектор. Верхняя часть балки - газоходный коллектор. Балка - коллектор опирается на металлические опоры, установленные на катодном кожухе.

На балке - коллекторе установлены два механизма подъема анодов, включающие электроприводы и винтовые домкраты.

При конструктивном расчёте электролизера следует ориентироваться на типоразмеры серийно выпускаемых анодов [2]. Принимаем обожженные аноды конструкции электролизеров ТадАЗа, СаАЗа с размерами в плане 700х1450 мм и высотой 600 мм.

Анодные блоки установленные длинной стороной перпендикулярно шахте ванны двумя рядами, расстояние между рядами 160 мм, между анодными блоками - 50 мм (аналогично электролизерам ОА 255 кА СаАЗа).

Количество анодных блоков (n) в анодном массиве определяется по формуле [3]:

n_б=S_a/(l^.b)=32394400/(1450^.700)32, шт,

где l - длина анодного блока, мм;

b - ширина анодного блока, мм.

Общая длина (L_a) анодного массива определяется из выражения [2]:

L_a=(n_б/2). b+50. (n_б/2-1)=16. 700+50. (16-1)=11950,мм

Ширина анода (В_а):

B_a=2l+160=2. 1450+160=3060,мм.

Согласно практическим данным, оптимальное расстояние от продольной стороны анода до:

-боковой футеровки (b_ш) - 360 мм;

-торцевой футеровки (l_ш) - 535 мм;

Тогда внутренняя длина шахты (L_ш) составит:

L_ш=L_a+2. l_ш=11950+2. 535=13020 мм,

а её внутренняя ширина (В_ш):

В_ш=В_а+2. b_ш=3060+2. 360=3780 мм.

Глубина шахты (Н_ш) определяется как сумма высоты слоя металла (h_м), толщины слоя электролита (h_э) и толщины корки электролита со слоем глинозема на ней (h_г):

Согласно практическим данным для ванн большой мощности

h_м=350;

h_э=170;

h_г=80; тогда: Н_ш=h_м+h_э+h_г=350+170+80=600, мм.

К анодной ошиновке с помощью специальных зажимов прикрепляются 32 обожженных анода. Каждый анод состоит из предварительно обожженного угольного блока и токопродводящего анододержателя. Анододержатель включает в себя алюминиевую штангу и приваренные к ней стальной кронштейн с четырьмя ниппелями. Анододержатель ниппелями устанавливается в специально высверленные в блоке гнезда и крепится к нему с помощью чугунной заливки.

Электролизер с ОА оборудуется укрытием сегментного типа. Это укрытие состоит из балки-коллектора, съемных сегментных створок-крышек и торцевых щитов. Всего на электролизере 4 механизма подъема укрытия, состоящие из электродвигателя и редуктора. Кроме того, любая створка укрытия может сниматься вручную. Сегментный тип укрытия выполнен на основе опыта работы рамно-створчатого в корпусах ТадАЗа и отличается снижением площади неплотностей, увеличением эффективности газоотсоса. При этом балка-коллектор соединена с магистральным газоходом, расположенным за корпусом электролиза.

Для обеспечения эффективности газоотсоса (по фтору) не ниже 97% по расчетам, проведенным институтом ВАМИ на основании практики работы зарубежных фирм, ТадАЗа, СаАЗа [4], необходимо обеспечить следующие объемы газоотсоса от укрытия электролизера:

- от закрытого электролизера, м³/ч 9000,

- при замене анода и при открытой продольной стороне, м³/ч 13500.

Новые поколения зарубежных электролизеров с ОА, имеющие высокие технико-экономические показатели, характеризуются высоким уровнем автоматизации. Они оборудованы системами автоматического питания глиноземом (АПГ) (так, электролизеры фирмы «Pechiney” (Франция) оснащены системами АПГ точечного типа, работающими на сжатом воздухе).

В проекте для снижения выбросов фторсодержащих соединений предусматривается оснащение электролизера установками АПГ точечного типа, состоящими из 3-х секций. Каждая секция состоит из бункера для глинозема с горловиной, двух пробойников, встроенных в него, и двух дозаторов. Сам бункер располагается в центральной части балки-коллектора, горловина бункера - сверху коллектора. Установка АПГ пробивает электролитную корку и загружает глинозем по продольной оси между анодами в шести точках электролизера. Такой тип АПГ успешно эксплуатируется в корпусах ТадАЗа, СаАЗа.

Расчет основных размеров подины

Отечественной промышленностью выпускаются катодные блоки сечением 400х400 и длиною 600, 800, 1200 и 1600 мм (нормальные) и сечением 400х550 и длиной 600, 1400, 2000 и 2200 мм (укрупненные), выбираем для катодного устройства укрупненные блоки сечением 400х550 и длиною 2200 и 1400 мм. Расстояние между блоками принимаем 40 мм.

Число пар блоков рассчитываем по формуле [2]:

n=L_ш/550+40=13020/550 + 40 = 22, шт,

где 40 - расстояние между блоками, в мм.

Расстояние между катодными блоками и боковой футеровкой шахты (С) определяется следующим образом:

С=(В_ш-(В₁+В₂ + 40))/2=(3780-(2200+1400 + 40))/2=70, мм,

где В₁ и В₂ - длины выбираемых нами блоков.

Ширина шва (d) между катодными блоками и торцевой футеровкой составляет:

d=(L_ш-(n. 550))/2=(13020-(22. 550 + 21^.40))/2=40,мм

Схема укладки подовых блоков приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема укладки подовых блоков

Размеры катодного кожуха определяются в зависимости от геометрических размеров шахты ванны и толщины слоя футеровочных и теплоизоляционных материалов. Для проектируемого электролизера выбираем схему футеровки подины с сухой барьерной смесью (для повышения срока службы электролизера):

Асбестовый лист ₁=15 мм.

Засыпка из шамотной крупки ₂ =40 мм,

3 слоя диатомитового кирпича ₃ = 3 х 65 = 195 мм.

2 слоя легковесного шамотного кирпича ₄ = 2 х 65 = 130 мм.

Сухая барьерная смесь - 60 мм.

Стальной кожух.

Внутренние размеры стального кожуха составляют:

длина

L=13020+2. (200+35)+2. 40=13570мм,

ширина:

В=3780+2. (200+37)+2. 70=4394мм,

высота:

Н=600+15+195+130+60+400=1400 мм.

Кожух с днищем состоит из двух частей: стального короба и опоясывающих его балок - контрфорсов, которые крепятся к кожуху с помощью шпилек.

Катодные стержни (блюмсы) изготавливаются из стали (Ст2, Ст3), допустимая плотность тока 0,18-0,2 А/мм². Обычно принимают блюмсы сечением 115х230 мм.

Необходимое суммарное сечение катодных стержней составляет:

S_общ=I/0,2=230000/0,2=1150000, мм².

Сечение одного стержня:

S₁=S_общ/2. 22=1150000/44=26136 мм².

Необходимо проверить в них фактическую плотность тока:

I_ст=I/(2. n. 115х230)=230000/(44. 115х230)=0.2 А/мм².

Технологический расчет

Основным показателем технологической работы электролизера служит выход по току, который определяет степень полезного использования тока.

Выход по току на электролизерах с ОА на 160 кА составляет 91-92 %. С учетом стабилизации силы тока, который обеспечит кремниево-преобразовательная подстанция (КПП), с стабилизацией концентрации глинозема в электролите, которую обеспечит работа автоматической подачи глинозема (АПГ) точечного типа, автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) с индивидуальными микропроцессорными устройствами принимаем выход по току равным 92 %.

Суточная производительность проектируемого электролизера (Р, кг) составит:

P=I. g_Al. _т. 24. 10^-3=160000. 0,3354. 0,92. 24. 10^-3=1184 кг,

где g_Al=0,3354 г/А^.ч - электрохимический эквивалент алюминия.

Среднее напряжение определено в электрическом расчете, проверено в тепловом расчете и составляет 4,211В. тогда расход технологической электроэнергии в постоянном токе на 1 тонну алюминия-сырца составит:

W = U_ср/(g_Al. ). 10³ = 4,211/(0,3354. 0,92). 10³= 13650 кВт^.ч

В таблице приведены конструктивные и технологические параметры электролизера на силу тока 160 кА.

Основные технологические и конструкционные параметры электролизера

№ п/п	Наименование показателей	Един. измер.	Проект
1	Сила тока	А	160000
2	Выход по току	%	92
3	Суточная производительность электролизера	кг	1184
4	Среднее напряжение	В	4,211
5	Тип катодного кожуха		контрофорсный
6	Размер анодного блока: в плане высота	мм мм	7001450 600
7	Анодная плотность тока	А/см2	0,72
8	Количество анодных блоков	шт	22
9	Размер шахты: в плане глубина шахты	мм мм	38509120 500
10	Расстояние от анода до: продольной стенки шахты торцевой стенки шахты	мм мм	400 450
11	Количество подовых секций (блюмсов)	шт шт	44 44
12	Сечение блюмсов	мм	115х230
13	Плотность тока в блюмсах	А/мм2	0,2
14	Тип АПГ		Точечный
15	Срок службы электролизера	год	4,5
16	Частота анодных эффектов	шт	1
17	Длительность анодного эффекта	мин	2
18	Объемы газоотсоса: от закрытого электролизера; при замене анода и при открытой продольной стороне	м3/час м3/час	7400 11100

2. Материальный баланс электролизера

1. Расход сырья

Глинозем

По отчетным данным средний удельный расход глинозема на электролизерах с обожженными анодами в корпусах №7,8 КрАЗа за последние годы составил 1927-1930 кг, в корпусах ТадАЗа - 1939 кг. На заводах одной из лучших иностранных фирм “Pechiney” (Франция) этот расход составляет 1930 кг. Иностранные фирмы “Pechiney”, “Kaiser” (США), “VAW” (Германия) в своих предложениях по переводу корпусов БрАЗа, ИркАЗа, НкАЗа на обожженные аноды определяют удельный расход глинозема равным 1930 кг на 1 т алюминия-сырца. В настоящем проекте принимается удельный расход Al₂O₃ равный 1930 кг (на 1 т алюминия-сырца).

Обожженные аноды

Самый низкий удельный расход обожженных анодов (с огарками) на отечественных электролизерах с ОА имеют корпуса №7,8 КрАЗа (?580 кг), в том числе 140 кг - выход огарков.

На зарубежных заводах электролизеры с ОА имеют общий удельный расход анодов 565-580 кг (с огарками) и расход без огарков - 415-453 кг.

В предложениях иностранных фирм по переводу корпусов БрАЗа, ИркАЗа, НкАЗа на технологию с использованием обожженных анодов определен равным 580 кг на 1 т алюминия-сырца, в том числе 140 кг - выход огарков.

Фтористые соли

В проекте применяется “сухой” способ очистки газов, распространенный для зарубежных алюминиевых заводах, и успешно эксплуатируемый в цехах электролиза СаАЗа, УАЗа, в корпусе №7 КрАЗа. Поэтому общий расход свежих фторсолей рассчитывается с учетом показателей указанных заводов. За последние 5 лет в корпусах СаАЗа удельный расход свежего фтористого алюминия составил 13,5 кг, в корпусах №1Н, 2Н УАЗа - 12-13 кг. В проекте принимается удельный расход AlF₃ на 1 т алюминия-сырца П^AlF3=13,5 кг.

Удельный расход свежего криолита принимаем равным 8 кг на 1 т алюминия-сырца из расчета необходимого количества для пуска электролизеров после капитального ремонта (см. «Баланс по фтору»).

2. Составление материального баланса процесса электролиза

Расчет ведется на 1 час работы электролизера.

Для ведения технологического процесса электролизера и получения 49,33 кг в час алюминия-сырца () в электролизер требуется загрузить:

- глинозема: 1,93•49,33 =95,21 кг/ч;

- анодов: 0,58•49,33 =41,16 кг/ч;

фторсолей: (0,008 + 0,0135). 49,33 =1,06 кг/ч;

- выход огарков 0,14•49,33 =6,91 кг/ч.

Расчет расхода сырья

1) Теоретический расход Al₂O₃ на производство 1 кг алюминия составляет 1,89 кг; тогда потери глинозема составят: (1,93-1,89)• 49,33 =1,97 кг/ч.

2) Расход обожженных анодов в основном связан с реакциями, протекающими у анода. Для расчета количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющимся в результате электрохимического разложения глинозема, принимается состав анодных газов (согласно фактическим данным),% (объемный):

СО₂ -70%; СО -30%.

При получении 49,33 кг алюминия выделится кислорода:

где 48, 54 - количество кислорода и алюминия в глиноземе (молекулярный вес кислорода и алюминия в Al₂O₃).

Из этого кислорода перейдет:

в состав СО₂:

в состав СО: ,

где 2•70 + 30 - содержание кислорода в СО₂+СО,%;

2•70 - содержание кислорода в СО₂,%;

30 - содержание кислорода в СО,%.

Тогда количество углерода связанного:

- в

- в

где 12, 16 - молекулярные веса углерода, кислорода, соответственно.

Таким образом, при получении 49,33 кг в час алюминия-сырца выделяется:

- 36,11 + 13,54 = 49,65 кг/ч.

- 7,74 + 5,85 = 13,55 кг/ч.

Потери обожженных анодов связаны с газами коксования, механическими потерями и составляют:

0,58•49,33 - -“выход огарков”=28,61-13,54-5,81-6,91=2,35кг/ч.

Расход фтористых солей равен приходу фтористых солей.

Составляется материальный баланс процесса электролиза на 1 электролизер (таблица).

Материальный баланс процесса электролиза

Приход	Кг/ч	%	Расход	Кг/ч	%
Глинозем Обожжен. аноды Фтористые соли	95,21 28,61 1,06	76,3 22,9 0,8	Алюминий Анодные газы: - СО2 - СО Потери: - глинозем - фторсоли -аноды -огарки	49,33 49,65 13,55 1,97 1,06 3,4 6,91	39,5 39,8 10,9 1,6 0,8 1,9 5,5
Итого:	124,8	100	Итого:	124,8	100

3. Электрический расчет электролизера

Электрический расчет алюминиевого электролизера заключается в расчете греющего (U_гр), среднего (U_ср) и рабочего (U_раб) напряжений.

Исходные данные для расчета:

- сила тока, A - 160000;

- выход по току, % -? 92;

- размер анода в плане, мм: 1450 х 700 мм.

- количество блоков в анодном массиве, шт - 22;

- анодная плотность тока, А/см², - 0,72;

- размер шахты в плане, мм - 3860х9100;

- глубина шахты, мм - 500;

- расстояние от анода до:

- продольной стенки шахты, мм - 400;

- торцевой стенки шахты, мм - 460;

- количество подовых секций, шт - 30;

катодных стержней, шт - 30;

- сечение катодных стержней, мм - 115 х 230;

- межполюсное расстояние, см - 5,2 см;

- количество анодных эффектов - 1;

- длительность анодных эффектов, мин - 2.

3.1 Расчет греющего напряжения U_гр

Расчет U_гр производится по формуле [1]:

U_гр= E_p+ ДU_а.у.+ ДU_n + ДU_эл + ДU_аэ, В,

где Е_р - напряжение разложения глинозема, В;

ДU_а.у. - падение напряжения в анодном узле, В;

ДU_n - падение напряжения в подине,В;

ДU_эл - падение напряжения в электролите, В;

ДU_аэ- падение напряжения от анодных эффектов, В.

Iа. Расчет напряжения разложения (или ЭДС поляризации) Е_р.

Определяется по эмпирической формуле [3]:

E_р =A + 0,37^. i_а, в,

где А - коэффициент (А=1,13). У электролизеров с ОА эта величина выше на 0,15-0,2 В.

Таким образом, E_р = (1,13+ 0,37. 0,72) + 0,15= 1,55В.

Iб. Расчет падения напряжения в анодном узле ДU_а.у.

ДU_а.у. складывается [1] из потерь напряжения в угольной части анода (ДU_уг), в контакте «анод - ниппель» (ДU_а-н), потерь напряжения в ниппеле (ДU_н), потерь напряжения на участке «ниппель - кронштейн - штанга - анодная шина» (ДU_н-ш).

ДU_уг рассчитывается по формуле:

ДU_уг = ф^._а^.l_ср^.,

где ф - формфактор электрического поля анода;

_а - удельное электросопротивление угольного анода, Ом^.см;

l_ср - среднее расстояние от дна ниппельного гнезда до подошвы анода, см;

I - сила тока, А;

S_а - общая площадь анодов, см².

Ф = 1 + 0,142^.К₂,

К₂ =

l =

где axb - площадь подошвы анодного блока, см²;

F_нг - площадь полной поверхности ниппельного гнезда, см²;

F_{бок.н.г.} - площадь боковой поверхности ниппельного гнезда, см²;

h_нг - глубина ниппельного гнезда, см².

l_ср = (50+2)/2 = 26 см (50 см - расстояние от дна ниппельного гнезда до подошвы нового анода, 2 см - до подошвы огарка);

_а = 0,007^.(1 - 0,00025^.t); при t_анода = 640⁰С _а = 0,007^.(1 - 0,00025^.640) = 58,8^.10^-4 Ом^.см;

h_нг = 10 см (диаметр ниппельного гнезда равен 160 мм).

l = см.

К₂ =

ф = 1 + 0,142^.0,488 = 1,07.

Следовательно, ДU_уг = 1,07^.58,8^.10^-4.26^. = 0,117В.

2). ДU_а-н определяется по формуле:

?????

ДU_а-н= (I. ₁) / (n_k. F_нг), В,

где _{? -} ???удельное электросопротивление контакта (принимается равным 0,05 Ом^.см);

n_k - количество ниппелей, шт (=4).

F_нг = 3,14^.16^.10 + см².

Тогда: ДU_а-н =

3). ДU_н определяется следующим образом:

ДU_н = (I. ₂. l) / (n_k. S), В,

где ₂ - удельное электросопротивление ниппеля (принимается по практическим данным равным 68^.10^-6 Ом^.см);

l - длина запеченной части ниппеля, см;

S - сечение ниппеля,см².

S = см².

Тогда ДU_н = В.

4). ДU_н-ш принимается по практическим данным (СаАЗ) равным 50 мВ = 0,05 В. Тогда на проектном электролизере эта величина составит:

Итого: ДU_a.у = 0,116 + 0,128 + 0,012 + 0,05 = 0,306В.

Iв. Расчет падения напряжения на подине ДU_п.

ДU_п рассчитывается по эмпирической формуле [5]:

ДU_n = (0,96 + ) . 10^-3_. 1,098=

0,323 B,

где 1,098 - коэффициент, учитывающий увеличение напряжения по сравнению с практическими данными (выведен ВАМИ экспериментально).

Iг. Расчет падения напряжения в электролите ДU_эл.

Определяется по уравнению Форсблома-Машовца [1]:

ДU_эл= I. _эл. l / [S_a + P_a (l + 2,5)]=

1,72 B,

где _эл - удельное электросопротивление электролита, Ом^.см;

P_a - периметр анода, см.

Промышленные электролиты имеют _эл = 0,4?0,63 Ом^.см, принимаем =0,56Ом^.см.

На основании практических данных работы электролизеров с ВТ в корпусах БрАЗа, ИркАЗа, КрАЗа лучшие показатели с наименьшим расходом электроэнергии достигаются при работе на межполюсном расстоянии равном 5,0-5,5 см. В проекте принимается l = 5.2 см (факт СаАЗа).

Iд. Расчет падения напряжения от анодных эффектов ДU_аэ.

Составляющая греющего напряжения от анодных эффектов определяется по формуле [1]:

ДU_аэ= (U_аэ-U_p). t_аэ^. k / 60^.24, B,

где (U_аэ-U_p) - превышение напряжения на электролизере во время анодного эффекта, В (принимается 25 В);

60^.24 = количество мин в 1 сутках;

t_аэ = 2 мин;

k = 1.

Тогда: ДU_аэ= 0,034 В.

Итого: U_гр=0,306+0,323+1,72+0,034 + 1,6=3,983 В.

3.2 Расчет среднего напряжения U_ср

Определение U_ср ведется по следующей формуле [1]:

U_ср=U_гр+ ДU_ош, В,

где ДU_ош - падение напряжения в ошиновке.

Расчет падения напряжения в ошиновке

В проекте для электролизеров с обожженными анодами на 230 кА, поперечно расположенных в корпусе, применяется усовершенствованная схема катодной ошиновки, аналогичная работающей на электролизерах с ОА на 255 кА в корпусах СаАЗа.

Подвод тока осуществляется через 4 стояка, расположенных на входной (по ходу тока) стороне электролизера. Все 4 стояка расположены за катодным кожухом и выходят из шинного проема в проекции анода. Все стояки равномерно нагружены, то есть на каждый стояк приходится 25% от общего тока. Ток от стояков подводится к передней анодной шине (входная сторона), а к задней шине - токоведущими перемычками, расположенными у мест подключения стояков. 50% тока от катодных стержней направляется под днищем на отметке +1,03 м к двум центральным стоякам следующей ванны. При этом с входной стороны на каждую из двух ветвей ошиновки привариваются 3 спусков и 8 спусков с выходной стороны (всего 11 спусков на ветви ошиновки). 50% тока от катодных стержней идет по двум ветвям ошиновки на отметке +2,35 м вдоль торцевых сторон к двум крайним стоякам следующей ванны. При этом к одной ветви ошиновки с входной стороны электролизера приваривается 8 спусков, а с выходной 3 спуска (всего 13 спусков на стояк). Схема катодной ошиновки прилагается (рисунок).

Расчет падения в ошиновке (анодной и катодной) ведется по одной из сторон электролизера - по входной стороне. На эту сторону приходится две ветви катодной ошиновки с 2 крайними стояками. Сопротивление каждой ветви одинаково, также как и ток на каждом стояке.

Исходные данные для расчета:

температура катодных шин - 50 С;

температура катодного стержня - 204 С;

температура катодного спуска - (204 + 50)/2 =127 С;

температура анодных шин - 80 С.

Удельное электросопротивление катодных, анодных шин, катодных спусков определяется по формуле:

Ом^.см.

Удельное электросопротивление катодных шин:

3,33. 10^-6 Ом^.см.

Удельное электросопротивление анодных шин:

3,65. 10^-6 Ом^.см.

Удельное электросопротивление катодных спусков:

=4,15. 10^-6 Ом^.см.

Падение напряжения ошиновки определяется по потери мощности в замкнутом контуре, в котором оно равно 0. Тогда:

В (R₁=R₂, I₁ = I₂)

где I₁, I₂ - сила тока в 1-ой и 2-ой ветви ошиновки, А;

R_1, R₂ - сопротивление в 1-ой и 2-ой ветви ошиновки от катодных стержней до нулевой точки на анодной ошиновке, Ом.

Определение токовой нагрузки катодных стержней

Для определения силы тока в 1-ой и 2-ой ветвях ошиновки следует определить токовую нагрузку по катодным стержням в каждой секции. Эта токовая нагрузка определяется из рассмотрения замкнутого контура между двумя соседними стержнями: «металл - катодная секция - пакет катодных спусков - участок катодных шин между соседними спусками - пакет катодных спусков - катодная секция».

Для любых 2-х параллельных катодных стержней на одной секции пакета шин определяем ток стержней по уравнению:

(3.1)

где r_кс- сопротивление катодной секции, Ом;

r_спп - сопротивление спуска, Ом;

r_конт - сопротивление контактов «катодный стержень- катодный спуск» и «спуск - катодная шина», Ом;

r_ш - сопротивление участка катодных шин между соседними спусками, Ом;

i_n, i_n+1 - сила тока, протекающего на соответствующих катодных стержнях, А;

i_ш - сила тока, протекающая по участку пакета шин между катодными стержнями, А.

Сопротивление катодной секции:

61,8. 10^-6 Ом,

где 0,323- падение напряжения в подине, В;

44 - количество катодных стержней, шт.

В каждой ветви катодной ошиновки 3 секции.

r_сп, r_ш определяется по формуле:

,

где - удельное электросопротивление 3,97. 10^-6 Ом. см;

l - длина спуска (взято по чертежу для каждой секции), см;

S - сечение спуска (катодные спуски собираются из 70 алюминиевых лент, каждая из которых имеет сечение 1,5100 мм, отсюда общее сечение спуска равно 105 см²).

Катодные спуски для каждой секции пакета шин имеют различную длину. При этом сопротивления спусков равны:

Для секции пакета: 2,57. 10^-6 Ом.

Для секции пакета: 3,2. 10^-6 Ом.

Для секции пакета: 2,37. 10^-6 Ом.

Падение напряжения в контактах «стержень - катодный спуск» и «спуск - катодная шина» по замерам на электролизерах СаАЗа принимаем 9 мВ, тогда:

r_конт = 1,72^. 10^-6 Ом.

Сопротивление катодной шины между соседними катодными спусками равно:

для -й, -й секции 0,22. 10^-6 Ом,

для -й секции 0,43. 10^-6 Ом,

где 59- расстояние между двумя соседними спусками, см;

65х7х2, 65х7 - сечение катодных шин, см².

Подставляя рассчитанные величины r_спп, r_конт, r_ш в вышеприведенную формулу, определяем токовую нагрузку катодных стержней в секциях.

Таблица 3.1

Распределение тока по катодным стержням

Катодные стержни	1 (№8)	2 (№7)	3 (№6)	4 (№5)	5 (№4)	6 (№3)	7 (№2)	8 (№1)	9 (№3)	10 (№2)	11 (№1)
Ток по стержням	1,0000	1,0033	1,0099	1,0199	1,0000	1,0033	1,0099	1,01198	1,0000	1.0065	1,01196
Ток секции	4,0331	4,033	3,0261

№ - номер спуска по схеме.

Определение падения напряжения в катодной и анодной ошиновке электролизера

Определим сопротивление ветви ошиновки:

, (3.2)

где r₁, r₂, r₃ - сопротивление I,II,III секций пакета катодной ошиновки, Ом;

R_кош-сопротивление пакета от места проварки секций до стояка, Ом;

R_ст - сопротивление катодного стояка, Ом;

R_анош - сопротивление анодной ошиновки от места крепления стояка до точки «0», Ом;

R_конт - сопротивление в контактах «катодный стояк - гибкая часть анодной ошиновки - анодная шина», Ом.

Сопротивление секции равно:

, Ом, (3.3)

, Ом, (3.4)

, Ом, (3.5)

где n₁, n₂, n₃ - количество спусков на одной секции пакета, шт;

R, R, R - сопротивление участка шин, на котором приварены спуски, Ом;

R_кош, R_кош, R_кош - сопротивление участка пакета шин от последнего спуска в секции до места проварки пакета, Ом.

Сопротивление на участке пакета шин, на котором приварены спуски, находится по потере мощности на участке шин с приваренными катодными спусками соответствующей секции:

,

,

.

Подставляя значения из табл. 3.1, определим:

R'₁ = 0,19. 10^-6 Ом;

R'_II = 0,19. 10^-6 Ом;

R'_III = 0,24^. 10^-6 Ом;

Подставляем значения R_I, R_II, R_III в уравнения (3.3), (3.4), (3.5) находим:

4,06^.10^-6 Ом.

3,58^.10^-6 Ом.

2,6^.10^-6 Ом.

Сопротивление анодного пакета шин определяется расчетом сопротивления на участке от места крепления стояков до крепления штанги анода и сопротивления на участке анодного пакета, на котором прикреплены штанги анодов (расчет аналогичен определению R, R, R)

Все штанги анодов имеют одинаковую токовую нагрузку. Точка «0» находится на поперечной оси электролизера.

Сопротивление одной стороны анодной ошиновки составит:

= 1,24^.10^-6 Ом.

По замерам на электролизерах СаАЗа падение напряжения в контакте «катодная шина стояка - гибкая часть анодной ошиновки» равно 12 мВ, а в контакте «лента - анодная шина» - 4 мВ. Принимая эти величины, рассчитываем:

0,28. 10^-6 Ом.

Подставив найденное значение R_конт в уравнение (3.2), находим значение сопротивления ветви ошиновки:

R₁ = + + 1,24^.10^-6 +0,28^.10^-6 = 3,755^.10^-6 Ом.

Определяем падение напряжения в ошиновке:

0,216В,

где 57500 - сила тока на одном стояке (на одной ветви ошиновки), А;

115000 - сила тока на одной стороне электролизера (на 2-х ветвях ошиновки), А.

Падение напряжения в общекорпусной ошиновке (торцы корпуса, проходы, проезды, соединительный коридор) составляет:

0,01 В,

где 65х7 - сечение шин, см²;

16 - количество шин в пакете;

9050 - длина общекорпусной ошиновки, см;

97 - количество электролизеров в корпусе.

Падение напряжения в катодной, анодной ошиновке с учетом общекорпусной ошиновки для одного электролизера:

0,226 В.

Итого: Среднее напряжение составит:

= 3,983 + 0,226 = 4,21 В.

Рабочее напряжение равно:

= 4,209 - 0,034 = 4,175 В

По результатам расчета составляется электрический баланс электролизера (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Электрический баланс электролизера

№ п/п	Наименование	Обозначение	Значение, В	%
1	Напряжение разложения Al2O3	Ер	1,6	3,8
2	Падение напряжения в анодном узле	Uа.у.	0,306	7,3
3	Падение напряжения в подине	ДUn	0,323	7,7
4	Падение напряжения в электролите	ДUэл	1,72	40,9
5	Падение напряжения от анодных эффектов	ДUаэ	0,034	0,8
6	Греющее напряжение	Uгр	3,983	94,7
7	Падение напряжения в ошиновке (с учетом общесерийной ошиновки)	ДUош	0,226	5,3
8	Среднее напряжение	Uср	4,21	100
9	Рабочее напряжение	Uраб	4,175	99,2

алюминиевый электролизер анод фтор

4. Энергетический баланс электролизера

В условиях установившегося теплового равновесия электролизера расход тепла в единицу времени должен быть равен его приходу.

Составление энергетического баланса действующего электролизера позволяет выявить причины, вызывающий повышенный расход электроэнергии, найти оптимальное межполюсное расстояние. Расчет производится применительно к температуре окружающей среды +25С и в ккал/час (в соответствии с действующими нормами проектировании ВНТП25-86),а в итоговой таблице «Тепловой баланс электролизера» (см. табл. 4.2) все величины переведены в кДж/ч.

При составлении теплового баланса электролизера используются данные конструктивного, материального балансов и электрического расчета электролизера.

4.1 Приход тепла (Q_пр)

1. Приход тепла от электроэнергии (Q_ээ) рассчитывается по формуле:

Q_ээ= 0,86. I. U_гр=0,86. 230000. 3,987 = 787837 ккал/ч,

где 0,86-тепловой эквивалент Ватт-часа, ккал/Вт. ч.

2. Приход тепла от сгорания угольного анода (Q_ан) рассчитывается

по уравнению:

Q_ан=Р_со2. Н^со2_Т1+Р_со. Н^со_Т1=171320 ккал/ч,

где Р_со2 и Р_со2 -число молей в час СО₂ и СО, соответственно;

Н^со2_Т1 и Н^со_Т1 - тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО, соответственно: 94050, ккал/кмоль и 26400 ккал/кмоль [5].

При выходе по току _т = 92% состав анодных газов характеризуется объемным соотношением: СО₂:СО = 70:30, то есть .

Часовая производительность электролизера равна:

P_Al = кг^.моль/час,

где F - число Фарадея (26,8 А^.час/г^.моль).

Количество кислорода, выделяющегося при этом:

Р_о2 = .=кг^.моль/час.

Из химических реакций:

2C + O₂= 2CO

C + O₂ = CO₂ Р_о2 = x + .

Решая два уравнения:

= =2,333 и х + = , получим:

х = 7,684^.I^._т^.10^-6 кг^.моль/час,

y = 3,294^.I^._т^.10^-6 кг^.моль/час.

Итого: приход тепла составит:

Q_пр= Q_ээ + Q_ан = 787837 + 171320 = 959157 ккал/ч.

4.2 Расход тепла

Расход тепла (Q_расх) включает в себя четыре статьи:

Расход тепла на разложение глинозема (Q_разл) определяется по формуле:

Q_разл=Р_Al2O3. H₂₉₈^Al2O3= 526368 ккал/ч,

где Р_Al2O3 - расход глинозема на электролитическое разложение, кмоль/ч;

H₂₉₈^Al2O3-тепловой эффект реакции образования Al₂O₃, равный 400000 ккал/кмоль.

Р_Al2O3=(I. _т. 10^-3)/(6. F)

(F=26,8 А^.ч).

Унос тепла с вылитым алюминием (Q_мет) рассчитывается по формуле:

Q_мет=Р_Al. (^Al₁₂₃₃-^Al₂₉₆)= 23450 ккал/ч,

где Р_Al- часовая производительность электролизера, кмоль/ч;

^Al₁₂₃₃,^Al₂₉₆- теплосодержание Аl при 960С и 25С (их разность равна 8910 ккал/кмоль [5]).

Р_Al=(I. _т. 10^-3)/(3. F), кмоль/ч.

Унос тепла с газами (Q_газ) рассчитывается по формуле:

Q_газ=V₀. . C_p. (t_г-t_с)=57775 ккал/ч,

где V₀-приведенный объем газов в нормальных условиях, нм³/ч;

- плотность при нормальных условиях 1,252 кг/нм³;

C_p-средняя удельная теплоемкость газов 0,24 ккал/кг. град,

t_г,t_с- температура отходящих газов и окружающей среды [5].

Объем газоотсоса от одного электролизера:

-при закрытых шторах 9000 м³/ч;

-при одной открытой стороне укрытия 13500 м³/ч.

Средний объем газоотсоса с учетом работы электролизера с открытым укрытием при температуре 60С составит:

V=9000*0,98+13500*0,02=9100 м³/час

V₀=(V*273)/(273+50)= 7691 нм³/час.

4. Потери тепла конструктивными элементами электролизера (Q_кэ).

Расчет производится с общепринятыми законами теплопередачи теплообмен с окружающей средой осуществляется теплопередачей конвекцией, излучением и теплопроводностью. Расчет тепловых потерь производится по формуле [2]:

Q=S^.(Q_k+Q_изл)=S^.(. (t_п-t_с)+4.9^._п^._с[(T_п/100)⁴-(T_c/100)⁴]), кал/час

где S- площадь теплоотдающей поверхности,м²;

- коэффициент конвективной теплопередачи, ккал/м^2.ч^.град; для вертикальных стенок электролизера [1] б_к = А_к.Дt^1/3, Дж/м^2. с. ⁰С, где А_к - коэффициент, зависящий от свойств среды и определяющей температуры (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Зависимость А_к от температуры для вертикальной стенки

tм, 0С	0	50	100	200	300	500	1000
Ак	6,07	5,31	4,77	4,06	3,56	2,93	2,01

t_м - 0,5^.(t_п + t₀); б = 0,859^. б_к, ккал/м^2.ч^.0С (перевод единицы измерения);

t_п -температура поверхности,С;

t_с -температура среды,С;

4,9 -коэффициент излучения абсолютного черного тела, ккал/м^2.ч^.(К)⁴;

_п - приведенная степень черноты;

_с -коэффициент облучённости окружающего пространства рассматриваемой поверхности;

T_п,T_c - температура поверхности и воздуха, соответственно, К.

Степень черноты теплоотдающих поверхностей для стали принимаем равной 0,8 для открытых поверхностей электролита 0,15, алюминия 0,56 [5].

Теплопотери анодного устройства (Q_ау)

4.1. Боковая стенка балки - коллектора (Q_б-к)

t_п = 58 C (T_п=331 К);

t_с = 25 C (T_с=298 К);

Площадь вертикальных стенок балки-коллектора S^вер =40,5 м², а горизонтальных S^гор= 24,7 м²,

^{верт.стенок}=9,62 ккал/м^2. ч^.град,

^гор=9,62^.1,3=12,6 ккал/м^2. ч. град.

Теплопотери от вертикальных стенок и горизонтальной стенки балки-коллектора составят:

Q_б-к=40,5^.(9,62^.(58-25)+4,9^.0,8^.[(331/100)⁴-(298/100)⁴])+24,7^.(12,6^.(90-25)+ +4,9^.0,8^.[(331/100)⁴-(298/100)⁴])=33631 ккал/ч.

4.2. Горизонтальные створки укрытия (Q_гсу).

t_п = 71 C (T_п=344 К);

t_с = 25 C (T_с=298 К);

S =19,29м²;

=12,43. 0,859. 1,3=13,9 ккал/м^2.ч^.град.

Q_гсу=19,29^.(13,9^.(71-25)+4,9^.0,8^.[(344/100)⁴-(298/100)⁴])=16954 ккал/ч.

4.3. Алюминиевые штанги анодов (Q_Alшт)

t_п = 90 C (T_п=363 К);

t_с = 25 C (T_с=298 К);

S =1,1. 26=28,6 м² (поверхность штанги выше укрытия);

=12 ккал/м^2.ч^.град.

Q_Alшт=28,6. (12. (90-25)+4,9. 0,56. [(363/100)⁴-(298/100)⁴])=29745 ккал/ч.

4.4. Бункер АПГ (Q_АПГ)

t_п = 58 C (T_п=331 К); t_с = 25 C (T_с=298 К);

S =35,2 м²;

=9,62 ккал/м^2.ч^.град.

Q_АПГ=35,2^. (9,62. (58-25)+4,9. 0,56^. [(344/100)⁴-(298/100)⁴])=15125ккал/ч.

4.5. Наклонные створки укрытия (Q_ств).

t_п = 63 C (T_п=336 К);

t_с = 25 C (T_с=298 К);

Площадь наклонных створок по длинным сторонам электролизера и торцевых щитов: S =56,8 м²;

=10,05 ккал/м^2.ч^.град.

Q_ств=56,8^.(10,05^.(63-25)+4,9^.0,56^.[(336/100)⁴-(298/100)⁴]) = 29252 ккал/ч.

4.6. Открытая поверхность электролита (Q_опэ)

t_п = 960 C (T_п=1233 К);

t_с = 25 C (T_с=298 К);

S =4,69м²;

=26,5 ккал/м²*ч*град;

При расчете используется коэффициент, равный 0,02 (см. расчет эффективности укрытия по улавливанию фторидов), учитывается время работы электролизера с открытым укрытием (периодическая обработка длинных сторон электролизера, гашение анодных эффектов, перестановка анодов).

Q_опэ=4,69^.0,02^.(26,5^.(960-25)+4,9^.0,15^.[(1233/100)⁴-(298/100)⁴])=3912 ккал/ч.

Итого: потери тепла анодным устройством:

Q_{ан.устр.}=33631+16954+15152+29252+3912=98901 ккал/ч.

Теплопотери катодного устройства (Q_ку)

4.7. Обортовочный лист:

t_п=131С (Т_п= 404К);

t_о=25С (Т_о= 298К);

t_м= 0,5(131+25)=78С

S=4,4м²

А_к=3,41, тогда б= 0,8593,41(131-25)^1/3= 13,86ккал/м²чС.

.

4.8. Верхний пояс кожуха:

t_п=179С (Т_п= 452К);

t_о=25С (Т_о= 298К);

t_м= 0,5(179+25)=102С;

S=25,6 м²;

А_к=3,33, тогда б= 0,8593,33(179-25)^1/3= 15,33ккал/м²чС.

.

4.9. Нижний пояс кожуха:

t_п=90С (Т_п= 363К);

t_о=25С (Т_о= 298К);

t_м= 0,5(90+25)=57,5С;

S=13,54м²;

А_к=3,47, тогда б= 0,8593,47(90-25)^1/3= 12ккал/м²чС.

.

4.10. Торец кожуха:

t_п=110С (Т_п= 383К);

t_о=25С (Т_о= 298К);

t_м= 0,5(110+25)=67,5С;

S=16,1м²;

А_к=3,44, тогда б= 0,8593,44(110-25)^1/3= 13ккал/м²чС.

.

4.11. Блюмсы:

t_п=204С (Т_п= 477К);

t_о=25С (Т_о= 298К);

t_м= 0,5(204+25)=114,5С;

S=0,21х44=9,24 м²;

А_к=3,29, тогда б= 0,8593,29(204-25)^1/3= 16ккал/м²чС.

.

4.12 Днище:

t_п=90С (Т_п= 363К);

t_о=25С (Т_о= 298К);

t_м= 0,5(90+25)=57,5С;

S=70,2м²;

А_к=8,4, тогда б= 0,8594,79(110-85)^1/3= 12,03ккал/м²чС.

.

Итого: потери тепла катодным устройством:

Q_ку=9698+94287+15541+26393+42357+64387= 252663 ккал/ч.

Всего: потери тепла конструктивными элементами электролизёра:

Q_кэ= Q_ан.у+Q_кат.у= 98901 + 252663=351564 ккал/ч.

Итого: расход тепла составляет:

Q_расх=526368+23450+57775+351564 = 959157 ккал/ч.

По расчетам составляется тепловой баланс электролизера (таблица).

Тепловой баланс электролизера

№	Приход тепла
	Статьи	ккал/ч	кДж/ч	%
1.	От электрической энергии	778837	3255538,6	82,1
2.	От сгорания анода	171320	716117,6	17,9
	Итого:	959157	4009276,2	100

№	Расход тепла
	Статьи	ккал/ч	кДж/ч	%
1.	На разложение Al2O3	526368	2200218,2	54,9
2.	С вылитым металлом	23450	98021	2,4
3.	С газами	57775	241499,5	6
4.	С конструктивных элементов	302366,518	1265948,138	36,7
4.1	Анодным устройством	98901	413406,18
4.2	Катодным устройством	252663	1056131,1
	Итого:	959157	4009276,2	100

5. Баланс по фтору

Исходные данные для расчета.

размер шахты (B_Ш•L_Ш) - 3,78х13,02 м²;

срок службы электролизера -4,5года;

производительность электролизера - (Р)1,703 т/сут;

количество анодных эффектов - (k) 1 шт;

длительность анодных эффектов - (ф_АЭ) 2 мин;

содержание фтора:

криолите свежем - 54%;

криолите вторичном - 43%;

фтористом алюминии - 61%;

КПД “сухой” газоочистки - 99,5%;

Расчет удельных выделений фтористых вредностей в корпусе электролиза выполняется согласно [8].

5.1 Удельный приход фтора

Удельный приход F () складывается из нескольких статей:

Криолит свежий 8 кг (4,3 кг фтора);

Фтористый алюминий 13.5 кг (8,2 кг);

Возврат фтористых солей из «сухой» газоочистки в пересчете на фтор 17 кг.

5.2 Удельный расход фтора

1. Расход фтора на пропитку угольной футеровки ().

Согласно “Нормативам расхода фтористых солей и глинозема на пуск электролизеров после монтажа и капитального ремонта” расход фтора на 1 м² площади шахты составляет 230 кг.

Тогда удельный расход фтора на пропитку футеровки при этом будет:

=4,1 кг/т,

Где 365 - число дней в году.

2. Расход фтора в виде углефторидов при анодных эффектах ().

Определяется по следующей формуле:

=0.3 кг/т,

Где 0,2 - количество фтора, теряемое в виде углефторидов за 1 мин во время анодного эффекта, кг;

3. Механические потери ().

Потери фтора при транспортировке определяются по формуле:

29,5^.0,05 =1,5 кг/т,

где0,05 - доля фтора от общего прихода фтора, потерянного при транспортировке (согласно практическим данным).

4. Расход фтора с анодными огарками ().

Согласно практическим данным действующих заводов с обожженными анодами (СаАЗ и ТадАЗ) с анодными огарками расходуется 3,6 кг фтора на тонну алюминия-сырца, т.е. =3,6 кг/т.

5. Расход фтора с газами и пылью ().

Рассчитывается следующим образом:

29,5-(4,1+1,5+0.3+36) = 20 кг

29,5 кг/т.

Итого: общий расход фтора составит:

29,5 кг/т

По расчетным данным составляется баланс по фтору (таблица).

Баланс по фтору

Удельный приход фтора	Удельный расход фтора
Статья	ккг/т	% F во фторсолях	В пересчете на фтор, кг/т	Статья	В пересчете на фтор, кг/т
Фтористый алюминий	113,5	61	8,2	Для пропитки футеровки	4,1
Возврат фторсолей из «сухой» газоочистки)			17	В виде углефторидов	0,3
Криолит свежий	88	554	4,3	Механические потери	1,5
				С анодными огарками	3,6
				В виде газа и пыли	20
Итого:			28,56704	Итого:	29,5

5.3 Расчет удельного количества фтористых соединений, выделяющихся в корпусе

В процессе электролиза от электролизеров в атмосферу корпуса и систему газоочистки выделяется фтористых соединений в пересчете на фтор 20 кг/т (см. таблицу).

Для определения распределения выделяемого фтора между атмосферой корпуса электролиза и системой газоотсоса необходимо рассчитать эффективность улавливания фторидов укрытием .

рассчитывается по следующей формуле [8]:

,

где 1, 2, 3, 4, 5 - технологические операции, соответственно:

регламентированная обработка;

ликвидация анодного эффекта;

выливка металла и технологические замеры;

замена анодов;

работа с герметичным укрытием.

- эффективность улавливания фтора герметичным укрытием во время выполнения технологических операций, доли единиц;

Т_1,2,3,4,5 - длительность технологических операций, доли ед.

Согласно практическим данным принимается:

=0,7;

=0,7;

=0,7;

=0,4;

=0,985.

Расчет Т_1,2,3,4,5:

0,0035,

где5 - длительность обработки одной длинной стороны или двух торцевых, мин;

1440 - количество минут в сутках.

0,001,

0,0042,

где 6 - длительность выливки металла из одного электролизера, мин;

4. 0,01,

где23 - время перестановки одного анода, мин;

29,5 - срок службы анодов, сутки (по факту СаАЗа);

32 - чило анодных блоков, шт.

5. 0,98.

Тогда составит:

0,975 д. ед. или 97,5%.

Исходя из полученных удельного количества отходящих от электролизера фторидов в пересчете на фтор 20 кг и эффективности газоотсоса 97,5 %, фторсодержащих вредностей (в пересчете на фтор) поступает:

в систему газоочистки ():

=20• =19,5 кг, в том числе

в виде газа 40% или = •0,4=7,8 кг,

в твердом виде 60% или = 11,7 кг.

в атмосферу корпуса ():

= 20 - =0,5 кг, в том числе

в виде газа 40% или = •0,4 =0,2 кг,

в твердом виде или = 0,3 кг.

Литература

Черных А.Е., Зельберг Б.И. Технологические расчёты в проектировании электролизёров для производства алюминия. - Иркутск: ИрГТУ,1996.-89с.

Терентьев В.Г., Сысоев А.В., Гринберг А.Е. и др. Производство алюминия. - М.: Металлургия,1997.-350с.

Ветюков М.М., Цыплаков А.М., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. - М.: Металлургия, 1987. - 320 с.

Бегунов А.И. Проблемы модернизации алюминиевых электролизеров. - Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2000. - 85 с.

Нормы технологического проектирования алюминиевого производства (серии электролиза, установок газоочисток, цеха регенерации криолита). - ВНТП 25-86

Криворученко В.В., Коробов М.А. Тепловые и энергетические балансы алюминиевых и магниевых электролизёров. - М.: Металлургиздат, 1963.-320с.

Методика расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в цехах электролитического производства алюминия, оборудованных электролизерами с предварительно обожженными анодами. - Л.: ВАМИ, 1990. - 60 с.

Размещено на Allbest.ru