10 kA底部陰極結(jié)構(gòu)電解槽熱平衡分析

吳富姬,楊文龍,李 建,羅 璇,歐陽(yáng)健強(qiáng)

(贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000)

近20年來，我國(guó)稀土電解行業(yè)都采用傳統(tǒng)電解槽，生產(chǎn)過程中暴露出許多問題，如電能利用率低等。熱平衡是電解過程中的三大平衡之一，計(jì)算電解槽的熱平衡對(duì)改進(jìn)電解槽槽型、提高電流效率、降低能耗有重大意義。研究計(jì)算了10 kA底部陰極結(jié)構(gòu)電解槽在不同極距和不同陰極半徑條件下的熱平衡，計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)電解工藝參數(shù)優(yōu)化。

1 槽體介紹

傳統(tǒng)的10 kA底部陰極結(jié)構(gòu)電解槽采用上插式陰、陽(yáng)極結(jié)構(gòu)[1]，生產(chǎn)中暴露的問題有：1)爐口處槽體石墨和陽(yáng)極石墨氧化嚴(yán)重，陽(yáng)極有效利用率低；2)槽內(nèi)溫度高，電解質(zhì)揮發(fā)損失嚴(yán)重，原料利用率較低；3)電解槽上部敞口較大，散熱量大，熱能損失較大。底部液態(tài)陰極結(jié)構(gòu)電解槽由石墨陽(yáng)極、鉬導(dǎo)體、絕緣材料等砌筑而成，其剖面如圖1所示。

圖1 底部液態(tài)陰極結(jié)構(gòu)電解槽的剖面

熱平衡計(jì)算中，模型的相關(guān)尺寸為：石墨槽體半徑64 cm，陰、陽(yáng)極距12 cm，陽(yáng)極半徑58 cm，電解槽高度45 cm，石墨槽體外壁加入絕緣材料、耐火磚、外鋼槽后外壁半徑79 cm，鋼槽外壁溫度60 ℃，電解槽底部溫度60 ℃，電解槽上部鋼板溫度300 ℃，電解液溫度1 030 ℃，環(huán)境溫度30 ℃。

2 電解槽熱平衡計(jì)算

電解槽的熱平衡是指在穩(wěn)定狀態(tài)下，供給電解槽體系的熱能為電解過程中所需求的熱能與從電解槽體系中損失的熱能的總和，即熱收入與熱支出持平。良好的熱平衡狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)電解槽高產(chǎn)低耗的重要保證。

2.1 電解槽熱收入計(jì)算

電解槽的熱量主要來自2部分：電流通入電解槽產(chǎn)生的熱Q電[2]，石墨陽(yáng)極與陽(yáng)極氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱Q化[3]。

電流產(chǎn)生的熱Q電為

Q電=3.6UI=3.6×3.311×10 000

=119 696(kJ/h)。

式中：I—電解槽的工作電流，A；U—電解槽熔體電壓，V。

陽(yáng)極氣體與石墨陽(yáng)極的化學(xué)反應(yīng)為

化學(xué)反應(yīng)熱Q化為

=44 932(kJ/h)，

其中，CO的標(biāo)準(zhǔn)恒壓摩爾熱容

Cp=2.84+4.1×10-3T-0.46×10-5T-2。

所以，電解槽熱量總收入Q收入為

Q收入=Q電+Q化=164 528(kJ/h)。

由于陽(yáng)極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)熱Q化基本為定值，而Q電遠(yuǎn)大于Q化，說明Q電直接決定電解槽熱量總收入Q收入。電解槽陰極半徑和陰陽(yáng)極距對(duì)系統(tǒng)熱總收入的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 電解槽陰極半徑和陰陽(yáng)極距對(duì)系統(tǒng)熱收入的影響

由圖2看出，陰陽(yáng)極距和陰極半徑不同，電解槽的熱收入不同：極距相同時(shí)，隨陰極半徑增大，Q電降低，電解槽熱量總收入下降；陰極半徑相同，增大極距，Q電增大，電解槽熱量總收入Q收入提高。

2.2 電解槽熱支出計(jì)算

在電解槽模型中，有些部位只存在對(duì)流換熱或輻射換熱，如鋼板底部；而有些部位既存在輻射換熱又存在對(duì)流換熱，如鋼板側(cè)部和上蓋板。計(jì)算這些部位熱交換時(shí)，這2種換熱方式都應(yīng)考慮。電解槽熱支出包括以下幾部分：側(cè)部鋼板散熱Q側(cè)[4]，槽體上蓋板散熱Q上蓋，熔鹽表面散熱Q熔鹽，陽(yáng)極氣體帶走熱量Q氣，原料吸收的熱量Q料，槽底導(dǎo)熱Q底，氧化釹分解熱量Q釹。對(duì)極距為12 cm、陰極半徑為64 cm的電解槽計(jì)算其熱支出。

側(cè)部鋼板散熱Q側(cè)：

s側(cè)=π×2×0.79×0.45=2.202(m2)，

=981.7(kJ/h)。

式中：t環(huán)—環(huán)境溫度，℃；Δt—溫度差，℃；l—槽體豎直高度，cm；ε側(cè)—黑度，即一般實(shí)物表面發(fā)射率，取值范圍為0～1；Cb—黑體輻射系數(shù)，5.67 W/(m2·K)。

槽體上蓋板散熱Q上蓋：

=0.483(m2)，

=2 924.6(kJ/h)。

熔鹽表面散熱Q熔鹽：

=53 869.3(kJ/h)。

陽(yáng)極氣體帶走熱量Q氣：

假設(shè)陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體全部為CO，反應(yīng)式為

則每小時(shí)氣體生成量為

=190.962(mol/h)。

200 ℃時(shí)，CO的熱焓[5]為

1 030 ℃時(shí)，CO的熱焓為

當(dāng)CO溫度從200 ℃升至1 030 ℃時(shí)，熱焓增量為

=26.594(kJ/h)，

則

Q氣=ΔH·x=5 078.4(kJ/h)。

原料在加入前都進(jìn)行預(yù)熱，取原料溫度為150 ℃，則

=613.8(mol/h)，

其中，

Cp=94.76+0.297 6t，

所以，

Q料=ΔH·y=39 070.8(kJ/h)。

槽底導(dǎo)熱Q底：

s底=(0.77+0.15)×0.77+0.15π

仍以筆者所在學(xué)校為例。為了體現(xiàn)拓展性課程的選擇性理念，滿足不同層次學(xué)生的需求，學(xué)校建構(gòu)了拓展性課程“綜合批發(fā)超市”，即兩大課程類型：以培優(yōu)為目標(biāo)的21門社團(tuán)課程和適合零起點(diǎn)學(xué)生的41門拓展課程；兩類課程實(shí)施形式：校內(nèi)班級(jí)授課制和校外社會(huì)實(shí)踐。在指導(dǎo)學(xué)生選擇課程的過程中，四門校本課程“小小銀球”乒乓課程、“木偶情”綜合實(shí)踐課程、“汝湖藝苑”書法課程和經(jīng)典閱讀課程，作為省市特色項(xiàng)目，引導(dǎo)每個(gè)學(xué)生選擇參與。37門教師設(shè)計(jì)的個(gè)性課程，教導(dǎo)處按課程門類分解到3～6年級(jí)，每個(gè)年級(jí)開設(shè)7～8門，每門30人以內(nèi)。中高段學(xué)生在班主任的指導(dǎo)下進(jìn)行選擇，統(tǒng)籌報(bào)名，保證了每個(gè)學(xué)生都能選到合適的課程。

=1.179(m2)，

電解槽底部下方是地面，所以熱支出只有導(dǎo)熱散熱，

Q底=s底h底Δt=1 150.8(kJ/h)。

氧化釹分解熱Q釹：

Q釹=3.6EI

=3.6×1.69×10 000

=60 840(kJ/h)，

式中：E—氧化釹的理論分解電壓，V；I—電流，A。

總熱量支出Q總：

Q總=Q側(cè)+Q上蓋+Q熔鹽+Q氣+Q料+

Q底+Q釹

=163 915.6(kJ/h)。

按上面的公式和方法，改變電解槽陰極半徑和陰陽(yáng)極距，相應(yīng)部分的熱支出計(jì)算結(jié)果如圖3～5所示。可以看出：

1)無論極距和陰極半徑怎么變化，氧化釹分解熱、陽(yáng)極氣體帶走熱、原料吸收熱均為定值；槽底散熱、槽體上蓋板散熱、熔鹽表面散熱、側(cè)部鋼板散熱是熱量支出的主要形式；由于熔鹽表面散發(fā)的熱量遠(yuǎn)大于其他3方面所散發(fā)的熱量，所以，熔鹽表面散熱是電解槽熱量總支出的決定因素。熔鹽表面散熱Q熔鹽、槽底散熱Q底、上蓋板散熱Q上蓋只受陰極半徑影響，基本不受極距變化影響，Q釹、Q料、Q氣為定值[6]；而熔鹽表面散熱Q熔鹽、槽底導(dǎo)熱Q底、上蓋板散熱Q上蓋，只受陰極半徑影響基本不受極距變化影響，側(cè)部鋼板散熱Q側(cè)很小：所以，電解槽熱量總支出只受陰極半徑影響，基本不受極距變化影響[7]。從圖5看出,不同極距的熱量總支出變化趨勢(shì)基本一致。

2)陰、陽(yáng)極距不變，隨陰極半徑逐漸增大，熔鹽表面散熱迅速提高，槽底導(dǎo)熱逐漸增大，上蓋板散熱逐漸減小，側(cè)部鋼板散熱減小。陰極半徑增大后，熔鹽與空氣接觸面積增大。熔鹽與空氣的接觸面為圓環(huán)形狀，陽(yáng)極半徑不變，即圓環(huán)內(nèi)圓半徑不變。接觸面積增大，熔鹽向空氣輻射的熱量增大，熔鹽表面散熱增加[8]。隨陰極半徑增大，槽底面積增大，導(dǎo)致槽底散熱也增大。槽底面積增大后，槽內(nèi)電解質(zhì)水平下降，所需電解槽高度減小，導(dǎo)致電解槽側(cè)壁表面積減小，最后側(cè)部鋼板散熱減小[9-10]，最終熱量總支出隨陰極半徑增大而逐漸增大。

圖3 陰極半徑對(duì)側(cè)部鋼板散熱的影響

圖4 陰極半徑對(duì)電解槽其余部分熱量支出的影響

圖5 陰極半徑對(duì)熱量總支出的影響

3 結(jié)論

電解槽極距相同時(shí)，隨陰極半徑增大，熔體電壓減小，電流產(chǎn)生的熱量減少，最后電解槽熱量總收入減少。陰極半徑相同時(shí)，隨陰、陽(yáng)極極距增大，熔體電壓增大，電流產(chǎn)生的熱增加，最后電解槽熱量總收入增加。據(jù)此，可通過調(diào)節(jié)極距來使電解槽達(dá)到熱平衡，熱支出大于熱收入時(shí)可以適當(dāng)增大陰、陽(yáng)極距，熱支出遠(yuǎn)小于熱收入時(shí)則可以適當(dāng)減小陰、陽(yáng)極距。電解槽熱量總支出只受陰極半徑影響，且隨陰極半徑增大逐漸增大。熔鹽表面散熱也是電解槽熱量總支出發(fā)生變化的決定因素。

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