Промышленность алюминия

 

       Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: ∆U_О = 0,3 В

       Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ∆U_ОО = 0,016 В

Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 175 кА

                                                      Размеры в Вольтах

       

       1.4 Тепловой баланс  электролизёра

       1.4 Тепловой баланс  электролизёра 

       Нормальная  работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх

       Приход  тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы

       Тепловой  баланс составляют применительно к  определённой температуре: окружающей среды или температуре протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25˚С.

       В этом случае уравнение теплового  баланса можно представить в виде:

       Qэл + Qан = Q_Г + Q _Al + Q_газ + Qп,    (38)

где Qэл - приход тепла от электроэнергии;

     Qан - приход тепла от сгорания анода;

     Q_Г - расход тепла на разложение глинозёма;

     Q _Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;

   Q_газ - тепло, уносимое отходящими газами;

     Qп - потери тепла в окружающее пространство.

       1.4.1 Расчет приход  тепла

 

       Приход  тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

       Q эл = 3600 * I * U_гр * τ      (39)

где 3600 – тепловой эквивалент 1 кВт_*ч, кДж;

    I – сила тока, кА;

    U_гр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);

    τ – время, часы.

       Q эл = 3600 * 175 * 4,443 * 1 = 2799090 кДж

       Приход  тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

       Qан = Р¹_{СО2 *} ∆H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO     (40)

где  Р¹_СО2 и Р¹_СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);

   ∆Н^Т_СО2 и ∆Н^Т_СО – тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):

       ∆H²⁹⁸_СО2 = 394 070 кДж/кмоль

       ∆H²⁹⁸_СО = 110 616 кДж/кмоль

              (41)

       

=1,07 кмоль

             (42)

       

=0,71

       Qан = 1,07* 394070 + 0,71∙* 110616=500192,26 кДж

       1.4.2 Расход тепла

 

       На  разложение глинозема расходуется тепла Q_Г, кДж:

       Q_Г = R¹_{Г *} ∆H^T_Г                                       (43)

∆H^T_Г - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

                                       (44)

       

=0,97 кмоль

       

 кДж

       Потери  тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время.

       При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ∆H^T1_Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆H^T2_Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла Q_Al, кДж с выливаемым алюминием составят:

       Q_Al = Р¹_{Al *} (∆H^T1_Al - ∆H^T2_Al)     (45)

где Р¹_Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:

               (46)

       

 кмоль

       

кДж

       Унос  тепла с газами при колокольной  системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Q_газ, кДж будет равен:

       Q_газ = Р¹_{СО *} ( H^T1_CO - H^T2_CO) + Р¹_{СО2 *} (H^T1_CO2 - H_T2^CO2),   (47)

где Р¹_СО и Р¹_СО2 – количество CO и CO₂, кмоль

   H^T1_CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль

   H^T2_CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль

   H^T1_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль

H^T2_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль  

       Q_газ =

кДж

       Потери  тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи  конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла ко нструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:

       Q_п = (Q эл + Qан) - (Q_Г + Q_Al + Q_газ)     (48)

кДж

Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 175кА

       

       1.5 Расчёт цеха

 

       В расчёт цеха входит определение числа  рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и тремя сериями и удельный расход электроэнергии.

       Расчёт  числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.

       КПП обеспечивает серию электролизёров, напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 1% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.

       Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:

       U = 850 - (U₁ + U₂ + U₃)      (49)

       U =

В

Число рабочих электролизеров N в серии составит:

        ,      (50)

где  U - напряжение серии U, В

    U_СР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);

   U_АЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)

       

       Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров N_У должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.

       Количество  резервных ванн N_Р рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:

        ,      (51)

где N – число рабочих электролизёров в серии;

t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 6 дней;

Т –  срок службы электролизёра, 4 года;

365 –  дней в году.

              

Принимаем 1 резервный электролизёр на серию, тогда в серии будет установлено электролизеров N_у шт.:

       N_у =  N + N_Р,     (52)

где   N - число установленных электролизеров;

     N_Р - число резервных электролизеров

       N_у = 181 +1 = 182

Так как  в серии количество электролизеров должно быть кратно 4, резерва напряжения в 803 В достаточно только для 180 электролизеров, из которых 1 резервный.