Отделение электролиза алюминия

     7.2 Расчет числа электролизеров и производительности серии 

     Число работающих электролизеров в серии  определяется средним напряжением  электролизера (без составляющей от анодных эффектов) и напряжением  выпрямительных агрегатов. При этом учитываются: потери напряжения в шинопроводах преобразовательной подстанции (принимаем 1 %), резерв напряжения для предупреждения снижения силы тока при возникновении анодного эффекта (принимаем 30 В) и резерв напряжения для компенсации возможных колебаний во внешней электросети (принимаем 1 %).

     При этих условиях для подстанции на 850 В определяющее число устанавливаемых  в серии электролизеров напряжение составит: 

     850—(8,5+30+8,5) = 803 В. 

     При работе в режиме, когда допускается  один анодный эффект в сутки продолжительностью 1,5 мин с напряжением 35 В, составляющая часть от анодных эффектов в среднем напряжении электролизера будет равна:  

     1·1,5·35/(24·60) = 0,036 В (принимаем 0,04 В),  

     где 24—число часов в сутках; 60—число минут в часе. 

     Число рабочих электролизеров n_раб в серии составит: 

     n_раб = 803/(4,29 — 0,04) = 189 (округленно). 

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

          =  

     Число резервных электролизеров в серии  определяется продолжительностью межремонтной эксплуатации (принимаем 3 года) и числительностью  простоя на ремонте (принимаем 18 сут с обжигом). 365—число дней в году. 

     Общее число устанавливаемых в серии  электролизеров n составит: 

     n=n_раб+n₁= 189+3= 192. 

     При наиболее распространенном двухрядном расположении электролизеров серия  из 192 электролизеров размещается в  двух корпусах электролиза по 96 электролизеров в каждом.

     Годовая производительность серии (Р) рассчитывается по формуле: 

     Р= I · 8760 · 0,335 η_т · n_раб · 10^-6= 65 000 ·8760 ·0,335· 0,865·189 · 10-6 = 31 222 т, 
 

     где I—сила тока серии, А; 8760—число часов в голу; 0,335—электрохимический эквивалент, г/(А.ч); η_т—выход по току, доли ед.; n_раб—число работающих электролизеров в серии. 

     7.3 Конструктивный расчет электролизера 

     При конструктивном расчете определяют основные размеры (габариты) электролизера. 

     7.3.1 Размеры анода 

     Площадь сечения анода S_a определяется по силе тока I и анодной плотности тока d_a: 

     S_a=I/dа = 65 000/0,7 = 92 857 см² (округленно). 

     Ширину  анода В_а принимаем равной 270 см, тогда длина (А) определяется как: 

     А = S_а/B_а = 92 857/270 = 344 см (округленно). 

     Высота  анода H_а определяется из суммы высот конуса спекания h_к (принимаем 1100 мм) и уровня жидкой анодной массы hж (принимаем 350 мм). Отсюда: 

     Н_а = h_к + h_ж = 1100 + 350 = 1450 мм. 

     7.3.2 Внутренние размеры шахты электролизера  

     Определяем из найденных размеров (длины и ширины) анода и расстояния до стенок бортовой футеровки электролизера. 

     Опытом  эксплуатации электролизеров установлено, что оптимальное расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки  должно составлять 550—650 мм, а и торцовой части 500—600 мм в зависимости от типа и мощности электролизера. Принимаем это расстояние для продольной стороны а=600 мм, а для торцовой b=550 мм. Тогда внутренние размеры шахты электролизной ванны составят:  

     ширина  В_ш = В_а +2а = 2700 + 2 • 600 = 3900 мм;  

     длина L_ш = А + 2b = 5300 + 2 • 550 = 6400 мм. 

     Глубина шахты ванны (H_ш) при уровне технологического алюминия h_м =320 мм, электролита h_э=180 мм и толщине корки электролита с глиноземом в шахте ванны hг=50 мм составит: 

     Н = h_м+ h_э + h_г == 320 + 180 + 50 = 550 мм. 

     7.3.3 Конструкция катода 

     Основные  размеры конструктивных элементов  сборноблочного катодного устройства определяются найденными геометрическими  размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью  прошивных угольных блоков и стальных токоподводящих стержней.

     Современная промышленность выпускает катодные блоки высотой 400 мм, шириной 550 мм и длиной от 600 до 2200 мм. При ширине подины ванны 3900 мм выбираем длину катодных блоков, равную 2000 мм и 1600 ми. Тогда расстояние между катодными и боковыми блоками по продольной стороне шахты ванны будет равно:  

     3900 — (2000 + 1600 + 40) : 2 = 130 мм,  

     где 40—ширина шва между катодными  блоками, мм. 

     Расстояние  между катодными и боковыми блоками  в торцах шахты ванны будет  равно:  

     6400 — (10 • 550 + 9 • 40) : 2=270 мм,  

     где 10—число катодных блоков в ряду; 9—число набивных швов между катодными блоками. 

     Таким образом, подина электролизера будет  смонтирована из 20 катодных секций с  перевязкой центрального шва по 10 секций в ряду. В паз каждого блока заделываются чугуном катодные стержни сечением 115х230 мм, длиной 2590 мм для блоков 400Х550Х2000 и длиной 2190 мм—для блоков 400Х Х550Х1600 мм. 

     7.3.4 Размеры катодного кожуха 

     Внутренние  размеры кожуха определяются геометрическими  размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве боковой футеровки угольных плит толщиной 200 мм и теплоизоляционного слоя толщиной 60 мм, а для полипы шахты ванны, кроме катодных блоков высотой 400 мм, угольной подушки 30 мм, теплоизоляционного слоя из 5 рядов кирпича по 65 мм каждый и шамотной засыпки толщиной 50 мм, внутренние размеры катодного кожуха составят: 

     длина L_кож = L_ш + 2 (200+ 60) = 6400 + 2 (200 + 60) = 6920 мм; 

     ширина L_кож = В_ш + 2 (200 + 60) = 3900 + 2 (200 + 60) = 4420 мм; 

     высота H_кож = H_ш + 400 + 30 + 5 ·65 + 50 = 550 + 400 + 30 + 5· 65 + 50 =1355 мм. 

     Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов зависит  от длины кожуха. Расстояние между  контрфорсами принимается равным или кратным расстоянию между катодными токоподводящими стержнями. В рассматриваемом случае число контрфорсов определяем равным 18—по 9 с каждой продольной стороны кожуха. 

     7.4 Материальный расчет электролизера 

     Известно, что в процессе электролиза криолито-глиноземного расплава образуется алюминий; при этом расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных оксида и диоксида углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате уноса пыли вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих коксования.

     При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья  на производство алюминия. Расчет обычно ведут на 1 ч работы электролизера.

     Производительность  электролизера (Р) в час при силе тока I=65 000 А и принятом выходе по току η_т=88 % составляет: 

     P=0,335 • I • η_т = 0,335 • 65 000 • 888 • 10^-5 = 19 кг/ч. 

     Расход  сырья зависит от типа электролизера, условий вентиляции, применяемых  средств механизации и автоматизации  процесса и ряда других факторов.

     Обычно  расход сырья определяют на основании  накопленного в промышленности опыта  эксплуатации электролизеров и уточняют при обязательных испытаниях группы электролизеров новой конструкции  перед внедрением их в промышленном масштабе.

     На  основании передового опыта эксплуатации алюминиевых электролизеров и конструктивных особенностей принятого для расчета электролизера принимаем следующие расходы сырья на 1 кг получаемого алюминия, кг: глинозема 1,9; фтористого алюминия 0,025; криолита 0,02; анодной массы 0,5. При этом расход сырья для получения 19 кг/ч алюминия составит:  

     глинозема 19 • 1,9 = 36,1 кг/ч;  

     суммы фтористого алюминия и криолита 19(0,025 + 0,02) = 0,855 кг/ч; 

     анодной массы 19 • 0,5 = 9,5 кг/ч. 

     Теоретически  расход глинозема должен составлять 1,89 кг на 1 кг алюминия. Полученные в рассчитываемом варианте потери глинозема (1,9—1,89) • 19 = 0,19 кг/ч объясняются наличием и его составе примесей и механическими потерями.

     Расход  анодной массы обусловлен в основном реакциями, протекающими у анода. Для расчета количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющимся в результате электролитического разложения глинозема, принимаем, по данным практики, состав анодных газов, % (объемн.): СО₂ 60 и СО 40. 

     При получении 19 кг алюминия выделится кислорода:  

     19 • 48 : 54 = 16,8 кг,  

     где 48 и 54 соответственно количество кислорода  и алюминия в глиноземе. 

     Из  этого кислорода перейдет:  

     в состав СО₂ 16,8 • 2,60 : (2 • 60 + 40) = 12,6 кг;  

     в состав СО 16,8 • 40 : (2 • 60 +4 0) = 4,2 кг,  

     где 60 и 40—содержание СО₂ и СО соответственно, %. 

     Отсюда  можно рассчитать количество углерода, связанного в СО₂ (углекислый газ):  

     12,6 • 12 : 16 • 2 = 4,7 кг,  

     в оксид углерода СО (угарный газ): 

     4,2 • 12 : 16 = 3,15 кг. 

     Таким образом, при получении 19 кг алюминия в час выделяется: 

     Рсо₂ = 12,6 + 4,7 = 17,3 кг/ч;  

     Рсо = 4,2 + 3,15 = 7,35 кг/ч. 

     По  данным материального расчета можно  составить материальный баланс электролиза (табл. 1). 

     Таблица 1- Материальный баланс электролизера на силу тока 65 кА 

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
Глинозем Фтористые соли Анодная масса	36,1 0,855 9,5	77,71 1,84 20,45	Алюминий Анодные газы	19,0 24,65	40,9 53,1
			Потери
			Глинозем Фтористые соли Анодная масса	0,19 0,855 1,75	0,4 1,84 3,77
Итого	46,45	100,0	Итого	46,45	100,0

 

     7.5 Электрический расчет электролизера 

     Электрический расчет состоит в определении сечения и длины токоподводящих проводников электролизера и составляющих среднего напряжения.  

     7.5.1 Расчет токоподводящих проводников 

     Для упрощения дальнейших расчетов принимаем  одностороннюю схему ошиновки, состоящую  из алюминиевых шин, собранных в  пакеты одинакового сечения по всей длине. Плотность тока в стояках, анодных и катодных пакетах принимаем  равной 0,3 А/мм2.