無(wú)隔板鎂電解槽能量分析

王中原，吳復(fù)忠

（貴州大學(xué) 材料科學(xué)與冶金工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

無(wú)隔板鎂電解槽最早由加拿大鋁業(yè)公司開(kāi)發(fā)并使用，隨后在鎂工業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1］。國(guó)內(nèi)某廠使用110kA無(wú)隔板鎂電解槽生產(chǎn)電解鎂，其噸鎂能耗平均為17 000kWh，比國(guó)際先進(jìn)的無(wú)隔板鎂電解槽噸鎂能耗高出3 000kWh［2－3］。該廠鎂電解能耗高的原因主要是槽電壓偏高，電流效率偏低。為此，對(duì)該廠的無(wú)隔板鎂電解槽進(jìn)行了熱平衡測(cè)試，找出造成能耗高的原因，并提出一些改進(jìn)措施，為下一步改善生產(chǎn)條件、實(shí)現(xiàn)鎂電解節(jié)能降耗提供依據(jù)。

1 熱平衡測(cè)試

1.1 熱平衡測(cè)試

熱平衡測(cè)試是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)、以確定的體系為對(duì)象，研究生產(chǎn)過(guò)程中與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的收支情況［4］。熱平衡測(cè)試是加強(qiáng)能源管理、提高能源利用水平、降低能源消耗的重要工作基礎(chǔ)。

1.2 熱平衡測(cè)試體系與基準(zhǔn)

在計(jì)算能量平衡時(shí)，以槽底—槽殼—槽面—槽蓋—電極頭—集氣罩作為熱平衡測(cè)試的邊界，以車間溫度作為基準(zhǔn)溫度。能量收支項(xiàng)目中，收入項(xiàng)包括1）直流電能，2）原料帶入的熱；支出項(xiàng)包括1）MgCl2分解（反應(yīng)熱），2）粗鎂帶走的熱量，3）槽渣帶走的熱量，4）煙氣帶走的熱損失，5）氯氣帶走的熱量，6）廢氣溢流熱損失，7）槽體表面散熱。

測(cè)試在常壓下進(jìn)行，系列電流均為110kA，其他條件見(jiàn)表1。

表1 電解質(zhì)測(cè)試條件

2 測(cè)試結(jié)果

選擇該廠2臺(tái)鎂電解槽（9＃、25＃）進(jìn)行熱平衡測(cè)試。測(cè)試時(shí)，鎂電解槽運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，基本能反映110kA鎂電解槽的實(shí)際運(yùn)行水平。

2槽物料平衡測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，熱平衡測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出9＃槽A、B兩組電流效率分別為69.88%和72.31%，噸鎂能耗分別為17 576kJ／h和17 686kJ／h，收支能量差分別為－14 049.7kJ／h和42 658.14kJ／h，誤差率分別為－0.60%和1.69%；25＃槽A、B兩組電流效率分別為64.78%和64.27%，噸鎂能耗分別為20 525kJ／h和21 168kJ／h，收支能量差分別為93 366.11kJ／h和112 376.02kJ／h，誤差率分別為3.74%和4.19%。兩槽誤差率均＜5%。

表2 物料平衡

表3 熱平衡測(cè)試結(jié)果表

熱量收入以電能為主，兩槽比例均＞95%。熱量支出以反應(yīng)熱、槽體表面散熱兩部分為主，9＃槽A、B兩組反應(yīng)熱分別為44.5%和46.4%，槽體表面散熱分別為47.29%和44.10%；25＃槽A，B兩組反應(yīng)熱分別為43.89%和43.43%，槽體表面散熱分別為47.27%和47.20%。

3 測(cè)試結(jié)果分析

1）以A組數(shù)據(jù)為例，25＃、9＃槽槽電壓分別為6.03V和5.57V，高于設(shè)計(jì)工作槽電壓4.88 V，槽電壓偏高，原因是電解質(zhì)溫度較高時(shí)，需要較高的槽電壓來(lái)維持。兩槽電解質(zhì)工作溫度分別為725℃和694℃。25＃槽工作溫度高于設(shè)計(jì)的工作溫度680～710℃，槽溫較高，原因是無(wú)隔板鎂電解槽固定的陰陽(yáng)兩極極距固定不變，不能通過(guò)調(diào)整極距這一主要方式來(lái)調(diào)控電解質(zhì)溫度。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況看，電解槽熱槽情況較多，熱損失偏大，因?yàn)榇嬖陉?yáng)極氯氣排量小、電解質(zhì)成分不合理、陰極管路堵塞等因素。此時(shí)，電解生成的鎂與氯氣二次反應(yīng)放出熱量，使槽溫升高，造成熱槽現(xiàn)象。

2）以A組數(shù)據(jù)為例，在系列電流為110kA條件下，25＃、9＃槽電流效率分別為64.78%和69.88%，電流效率偏低。根據(jù)公式［5］

（式中：M——粗鎂直流電耗，kWh；Q——消耗的總直流電量，kJ／h；m——粗鎂總產(chǎn)量，t；V——電解槽的工作電壓，V；K——常數(shù)；η——粗鎂電流效率，%）可以看出，電流效率（η）偏低，是因?yàn)椴垭妷浩摺?＃槽電流效率高于25＃槽電流效率5%，相差較大。電流效率（η）與槽電壓成反比，每降低0.1V工作電壓，可提高1%的電流效率。9＃槽槽電壓比25＃槽槽電壓小0.46V，溫度每升高10℃，電流效率降低1.67%，9＃槽電解溫度比25＃槽低31℃。

3）以A組數(shù)據(jù)為例，25＃、9＃槽的熱效率分別為43.89%和44.50%，直流電耗分別為20 525 kWh和17 576kWh，相對(duì)于正常生產(chǎn)時(shí)的14 350 kWh要高。從表3看出，兩槽槽體表面總散熱分別為47.27%和47.29%，槽體表面散熱較大，特別是槽體上側(cè)各部分散熱更大，原因是陽(yáng)極石墨導(dǎo)熱系數(shù)大，陽(yáng)極頭溫度高于其他部分，致使其附近槽蓋溫度升高，表面散熱較大。

熱平衡收支誤差均小于5%，9＃槽運(yùn)行狀況優(yōu)于25＃槽。

4 節(jié)能分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在目前生產(chǎn)狀況下，為解決能耗高的問(wèn)題，主要從以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)：

1）電解質(zhì)溫度過(guò)高、槽電壓偏高是造成無(wú)隔板鎂電解槽能耗高的重要原因。降低電解質(zhì)溫度，可通過(guò)經(jīng)常清理陽(yáng)極上的雜物、及時(shí)更換斷裂陽(yáng)極、調(diào)整電解質(zhì)成分、適當(dāng)增加出渣次數(shù)、增加衛(wèi)生排氣量、加裝分流器、降低系列電流、及時(shí)添加固體氯化鎂等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。降低槽電壓，可通過(guò)降低系列工作電流、增加開(kāi)槽臺(tái)數(shù)、適當(dāng)降低氯化鎂濃度、在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)個(gè)別接點(diǎn)采取勤測(cè)、勤清、勤緊固等措施。減少熱槽現(xiàn)象，在陰、陽(yáng)兩極極距固定條件下，及時(shí)清理陰極氣體管路，提高陰極氣體排氣量，提高從槽上帶走的熱量。調(diào)整電解質(zhì)成分配比，提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率，降低電阻率，減少電解質(zhì)的發(fā)熱量。

2）提高電流效率，對(duì)于降低無(wú)隔板鎂電解槽生產(chǎn)能耗意義重大。通過(guò)調(diào)整電解質(zhì)中氯化鎂濃度，調(diào)整電解質(zhì)溫度，勤出渣，控制大氣濕度，及時(shí)清除電解質(zhì)中的雜質(zhì)等措施，可以提高電流效率。

3）從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果看，電解槽槽體表面散熱比較大，特別是槽體上側(cè)各部分散熱更大。在充分滿足鎂電解槽工藝條件前提下，應(yīng)對(duì)槽體采取保溫措施，避免熱損失偏大。煙氣、氯氣收集管道設(shè)計(jì)應(yīng)更加合理，減少壓力損失。同時(shí)，在不影響正常操作的情況下，盡量完整密閉集鎂室蓋板，減少?gòu)U氣溢流帶走熱，也相應(yīng)減少冷空氣的進(jìn)入。

5 結(jié)論

無(wú)隔板鎂電解槽電耗高的原因主要是槽電壓偏高，電解溫度高，電流效率低以及熱槽現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)整電解質(zhì)成分、降低系列電流、及時(shí)清理陰極氣體管路、增加陰極氣體排氣量、增加陰極氣體排氣量等措施來(lái)降低槽電壓以及電解溫度，減少熱槽現(xiàn)象，提高電流效率，從而降低電解能耗。

［1］張永健.鎂電解生產(chǎn)工藝學(xué)［M］.長(zhǎng)沙中南大學(xué)出版社.2006：355.

［2］姜寶偉，陳平，牟楊波，等.鎂法海綿鈦生產(chǎn)工藝中大型無(wú)隔板鎂電解槽的節(jié)能實(shí)踐［J］.有色礦冶，2006（4）：35－37.

［3］莫畏，鄧國(guó)珠，羅方承.鈦冶金［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，1998：6.

［4］嚴(yán)東.110kA無(wú)隔板鎂電解槽熱平衡測(cè)試及分析［J］.輕金屬，2005（5）：40－42.

［5］徐日瑤.鎂冶金學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1981：145.