CC BY
23
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
6. Аршинский Л.В. Методика агрегированного 7. Ходашинский И.А. Методы мягкого
оценивания систем с поддержкой ключевых оценивания величин. Томск : Изд-во Томск.
компонентов // Онтология проектирования. гос. университет систем управления и
2015. Т. 5. № 2 (16). С. 223-232. радиоэлектроники, 2007. 152 с.
УДК 622.23.05+ 67.05 Сысоев Иван Алексеевич,
к. т. н., зам. начальника управления научной деятельности, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 89025118587, e-mail: Iwansys@mail.ru Пинаев Андрей Александрович,
директор проекта "Перевод алюминиевых заводов ОК РУСАЛ на экологически приемлемую технологию Содерберга, Инженерно-технологическая дирекция алюминиевого производства ООО "РУСАЛИТЦ",
тел. 89059084424, e-mail: Andrey.Pinaev@rusal.com Николаев Виктор Николаевич, аспирант ФТИ, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 89246037884, e-mail: selengovchanin@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ КАТОДНОГО КОЖУХА
I. A. Sysoev, A. A Pinaev, V. N. Nikolaev
MODELLING OF FORCED COOLING OF THE CATHODE CASING
Аннотация. В данной работе приведено моделирование принудительного охлаждения катодного кожуха мощного алюминиевого электролизера с обожженными анодами. В связи с малой изученностью энергетических характеристик мощных электролизеров с обожженными анодами новых конструкций, актуальными являются исследования, посвященные изучению теплового состояния ванн при различной силе тока. Применение численного моделирования электролизера позволяет изучать прямые и косвенные последствия изменения тепловых характеристик от вариации любого параметра (силы тока, МПР, химического состава электролита и др.) и рассматривать влияние каждого фактора в отдельности. Исследование теплового состояния электролизеров методом моделирования может использоваться для изучения состояния термической напряженности элементов конструкции и футеровки на стадии проектирования, выявить преимущества и устранить недостатки. Также метод дает возможность наметить пути интенсификации режима работы при существующей конструкции электролизера для увеличения его производительности и оценить целесообразность применения конструктивных и технологических решений в лабораторных условиях.
Ключевые слова: моделирование, охлаждение катода, электролизер.
Abstract. This paper describes modelling of forced cooling of the cathode casing of a powerful aluminum electrolyzer with roasted anodes. Due to the small study of energy characteristics ofpowerful electrolyzers with roasted anodes of new designs, relevant studies are devoted to the study of the thermal state of baths at different current strength. The use of numerical simulation of the electrolyzer allows one to study the direct and indirect effects of changes the thermal characteristics etc the variation of any parameter (current, PD, the chemical composition of the electrolyte) and to consider the effect of each factor separately. The study of the thermal state of electrolyzers by simulation method can be used to study the state of thermal tension of structural elements and of the lining at the design stage, to identify advantages and eliminate weaknesses. Also, the method makes it possible to outline the ways of intensification of the operation modes under existing structure of the electrolyzer to increase its performance and to assess the expediency of application of constructive and technological solutions in the laboratory conditions.
Keywords: modeling, cooling of the cathode, electrolyzer.
Введение
В настоящее время ужесточаются требования к энерго- и ресурсосбережению в связи с возникшей проблемой нарастающего дефицита электроэнергии. Это обусловлено тем, что темпы развития крупных городов превышают ранее заложенные: развиваются социальная сфера, жилищное строительство и промышленное производство. При этом алюминиевые заводы являются одними из крупнейших энергопотребителей с малоизменяемым графиком нагрузки и высокой степенью зависимости от источника электроэнергии и ее стоимости. Технология электролиза алюминия непрерывно совершенствуется в сторону увеличения единичной мощности электролизеров. Ведущие
алюминиевые компании мира стремятся к эксплуатации мощных электролизеров, работающих на высокой силе тока (300-500 кА), так как их применение позволяет повысить экономическую эффективность новых заводов за счет снижения удельных капитальных и операционных затрат.
Известно, что тепловой баланс мощного алюминиевого электролизера предусматривает отвод значительного количества тепла. Поэтому особое внимание в расчетах при повышении силы тока до 350 кА следует уделить вопросу интенсификации теплоотдачи от катодного кожуха [1-5]. Одним из способов решения этой задачи является использование принудительного обдува бортов
Т а б л и ц а 1
Результаты расчетов при изменении избыточного давления воздуха во входных патрубках системы
№ Ризб. вх, атм/Па Увх, м/с Увых м/с ^конв-, Вт/м2 Чрад^, Вт/м2 $сум?, Вт/м2 aконв, Вт/(м2К) шт-шах АТ, °С аэфф, Вт/(м2- К)
1 0 0,19 0,79 1150,2 4430,0 5258,9 0,7-5,1 225,5 23,3
2* 0 0,19 0,75 641,7 1819,2 2233,8 0,7-4,6 139,5 16,0
3** 0 0,19 0,72 265,1 948,4 1149,5 0,4-4,0 66,3 5,8
4 0,0125 1266,6 43,9 10,3 13733,5 4429,7 18045,4 3,5-51,6 266,2 67,8
5 0,025 2533,1 62,3 14,6 17719,7 4429,7 22031,4 4,6-66,4 266,8 82,6
6 0,05 5066,3 88,1 20,7 22936,3 4429,8 27248,6 6,0-85,9 267,0 102,0
7 01 10132 124,8 29,4 29763,7 4429,9 34076,5 7,7-111,5 266,9 127,7
8 1 101325 395,8 93,5 72244 4430,4 76557 17,6-271,7 265,9 281,8
Примечания.
* - уменьшен вклад излучения путем снижения температуры теплоотдающей стенки с 300 до
200 °С;
100 °С.
- уменьшен вклад излучения путем снижения температуры теплоотдающей стенки с 300 до
Ризбвх - избыточное давление на входе в систему охлаждения, атм; Увх - максимальная скорость воздуха на входе в систему, м/с; Увых - максимальная скорость воздуха на выходе из системы, м/с; дШнв - конвективный тепловой поток на обечайке среднего и верхнего поясов катодного кожуха, Вт/м2; Црад - радиационный тепловой поток на обечайке среднего и верхнего поясов катодного кожуха, Вт/м2; дсум - суммарный тепловой поток (конвекция + излучение) на обечайке среднего и верхнего поясов катодного кожуха, Вт/м2; аШнв - коэффициент теплоотдачи теплового потока на обечайке среднего и верхнего поясов катодного кожуха, Вт/(м2-К); АТ = $конв/аконв - определяющая разность температур, °С; аэфф = дсум/АТ - максимальное значение эффективного коэффициента теплоотдачи (учитывает конвекцию и излучение), Вт/(м2-К) [2, 7, 12-18].
Т а б л и ц а 2
№ Уех, м/с Ризб. вх, Па Увых м/с ^конв-, Вт/м2 Чрад-, Вт/м2 ^сум-, Вт/м2 аконв, Вт/(м2К) шт-шах АТ, °С аэфф, Вт/(м2-К)
1 0,0 -0,05 0,79 1149,5 4430,0 5258,2 0,7-5,1 225,4 23,3
2 20,0 54 4,8 7949,9 4429,9 12262,2 1,9-30,0 264,9 46,3
3 40,0 212 9,5 13017,7 4429,6 17327,6 3,3-48,9 266,2 65,1
4 70,0 635 16,8 19598,7 4429,7 23909,2 5,2-73,7 265,9 89,9
катодного кожуха в среднем и верхнем поясе сжатым воздухом.
Одним из эффективных инструментов совершенствования конструкции алюминиевого электролизера является применение численного моделирования. Модель позволяет изучать прямые
и косвенные последствия изменения энергетического режима от вариации любого параметра (силы тока, межполюсного расстояния (МПР), химического состава электролита) и рассматривать влияние каждого фактора в отдельности. Представленные численные модели электрического и
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
теплового состояния можно применять для предварительного сопоставительного анализа эффективности конструкций катодных футеровок мощных алюминиевых электролизеров при ступенчатом повышении силы тока [1, 6-11].
Для определения влияния использования принудительного охлаждения обечайки среднего и верхнего поясов катодного кожуха на значение коэффициента теплоотдачи (от кожуха к
окружающей среде) была разработана специальная численная модель гидродинамики и теплообмена в пространстве для выполнения расчетов в системе ANSYS-CFX. Расчеты проводились при задании избыточного давления и скорости воздуха во входных патрубках системы принудительного охлаждения катодного кожуха. Результаты расчетов при изменении входных параметров системы охлаждения катода приведены в табл. 1 и 2.
а)скорость - вектор
б) скорость - линии тока
в) конвективный тепловой поток
г) радиационный тепловой поток
д) суммарный тепловой поток
е) коэффициент теплоотдачи
Рис. 1. Результаты расчета теплообмена при использовании принудительного охлаждения среднего и верхнего поясов катодного кожуха при избыточном давлении во входных патрубках 0,0125 атм
Информатика, вычислительная техника и управление
и на рис. 1.
При выполнении расчетов системы принудительного охлаждения исследовалось влияние излучения на аэфф, изменения давления и скорости на входе в систему на значения аконв, аэфф.
Анализ полученных данных показывает, что при скорости обдува до 20 м/с максимальное значение эффективного коэффициента
теплоотдачи от среднего и верхнего пояса обечайки катодного кожуха возрастает примерно в 2 раза, а при увеличении скорости до 40 и 70 м/с -соответственно в 3 и 4 раза.
Анализ данных на основе проведенных электрических и тепловых расчетов позволяет сделать следующие выводы:
Обдув бортов катодного кожуха в среднем и верхнем поясе сжатым воздухом приводит к значительному снижению на 70-100 °С температур на гладких поверхностях катодного кожуха по сравнению с базовым вариантом [9, 19-34].
Таким образом, применение
принудительного охлаждения среднего и верхнего поясов катодного кожуха путем обдува сжатым воздухом положительно сказывается на температуре обечайки кожуха и необходимой толщине гарнисажа. При повышении токовой нагрузки на электролизере для минимизации последствий воздействия избыточной тепловой нагрузки на ванну целесообразно применение мероприятий по интенсификации теплоотдачи катодным кожухом.
Статья подготовлена с использованием результатов работ, выполненных в ходе проекта 02.G25.31.0181 «Разработка сверхмощной энергоэффективной технологии получения алюминия РА-550» в рамках Программы реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства, утвержденной постановлением Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Управление концентрацией глинозема в электролите при производстве алюминия / В.А. Ершов и др. // Металлург. № 11. 2011. С. 96-101.
2. Теория и практика прикладной гидроаэромеханики в обогащении полезных ископаемых и металлургии / К.Л. Ястребов и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2015. 350 с.
3. Промышленные испытания опытных электролизеров с обожженными анодами при повышении силы тока с 300 до 330 КА / Ю.В. Богданов и др. // Цветные металлы. № 2. 2009. С.47-50.
4. Шахрай С.Г., Кондратьев В.В., Белянин А.В. Энерго- и ресурсосбережение в производстве алюминия. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2014. 146 с.
5. Исследования и разработка рецептуры наномодифицированного чугуна для ниппелей анодов алюминиевых электролизеров / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. № 1. 2012. С.69-71.
6. Новые технологические решения по переработке отходов кремниевого и алюминиевого производств / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. № 5. 2013. С. 92-95.
7. Кондратьев В.В., Ржечицкий Э.П. Пути решения проблемы отложений в аппаратах глиноземного производства // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 120-125.
8. Охлаждение анодных газов алюминиевых электролизеров в теплообменниках нагрева глинозема / С.Г. Шахрай и др. // Металлург. 2015. № 2. С. 29-32.
9. Дошлов О.И., Кондратьев В.В., Угапьев А.А. Применение тяжелой смолы пиролиза в качестве компонента связующего для производства анодной массы // Металлург. 2015. № 5. С. 72-77.
10. Предварительный нагрев обожженного анода / В.В. Кондратьев и др. // Цветные металлы. 2015. № 1 (865). С. 54-56.
11. Компаундирование как перспективная технология производства альтернативных связующих материалов для производства анодной массы / О.И. Дошлов и др. // Кокс и химия. 2015. № 1. С. 34-41.
12. Повышение энергетической эффективности производства алюминия снижением газонапыленности электролита / С.Г. Шахрай и др. // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1 (25). С. 103-107.
13. Повышение эффективности газоулавливания в рабочей зоне электролизеров с предварительно обожженными анодами с силой тока свыше 300 КА / С.Г. Шахрай и др. // Экология и промышленность России. 2012. № 7. С. 8-11.
14. Исследование влияния технологических факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия /
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
И.А. Сысоев и др. // Вестник ИрГТУ. 2010. № 2. С. 193-198.
15. Кондратьев В.В., Афанасьев А.Д., Богданов Ю.В. Изучение термической регенерации фтора из угольной пены (отхода алюминиевого производства) // Цветные металлы. 2011. №7. С.36-38.
16. Кузьмин М.П., Бегунов А.И. Приближённые расчёты термодинамических характеристик интерметаллических соединений на основе алюминия // Вестник ИрГТУ. 2013. № 1 (72). С. 98-102.
17. Кузьмин М.П., Кузьмина М.Ю. Повышение эффективности деятельности Иркутского алюминиевого завода за счёт увеличения производства ронделей // Вестник ИрГТУ. 2013. № 2 (73). С. 193-197.
18. Кузьмин М.П. Определение устойчивости интерметаллидов в техническом алюминии // Вестник ИрГТУ. 2013. № 8 (79). С. 138-143.
19. Кузьмин М.П., Кузьмина М.Ю. Ликвация и повышение качества проб литейных алюминиевых сплавов // Вестник ИрГТУ. 2013. № 12 (83). С. 210-213;
20. Kuz'min M.P., Begunov A.I. Thermodynamic Stability of Intermetallic Compounds in Technical Aluminum // Журнал Сибир. федерал. ун-та. Сер.: Техника и технологии. 2014. Т. 7. № 2. С. 132-137.
21. Кузьмин М.П., Шестаков С.С., Кузьмина М.Ю., Журавлёва А.С. Инновационное развитие металлургического комплекса Иркутской области // Вестник ИрГТУ. 2015. № 5 (100). С. 236-240
22. Кондратьев В.В., Шахрай С.Г. Исследования и разработка предложений по оптимизации аэродинамических параметров систем газоудаления от электролизеров Кандалакшского и Богословского алюминиевых заводов // Вестник ИрГТУ. 2011. № 6. С. 91-98.
23. Кондратьев В.В., Николаев В.Н., Ржечицкий Э.П., Корняков М.В., Афанасьев А.Д. Технологические решения по энергосбережению и снижению капиталоемкости систем газоудаления и газоочистки
алюминиевых производств // Металлург, № 9, 2013 г., с. 27-30.
24.Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Шахрай С.Г. Сульфат натрия при производстве алюминия: проблемы и перспективы // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8. С. 148-154.
25.Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Тенигин А.Ю. Технологические решения по охране окружающей среды при производстве алюминия. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2013. 159 с.
26. Извлечение наночастиц углерода из фторированного глинозема при производстве алюминия / Ершов В.А и др. // Металлург. № 12. 2012. С. 74-78.
27.Шахрай С.Г., Коростовенко В.В., Ребрик И.И. Совершенствование систем колокольного газоотсоса на мощных электролизерах Содерберга // Красноярск, 2010.
28.Технико-экологические и правовые аспекты производства алюминия / Ершов В.А и др. // СПб. : Изд-во МАНЭБ, 2011. 224 с.
29. Влияние коэффициентов фильтрации на достоверность прогноза изменения напряжения алюминиевого электролизера / Ершов В.А и др. // Вестник ИрГТУ. 2010. № 5 (45). С. 184-187.
30.Определение эффективности работы алюминиевых электролизеров при использовании укрупненного глинозема марки Г-00К / Н.В. Евсеев и др. // Цветные металлы. 2006. № 12. С.51-54.
31.Ершов В.А. Автоматическая подача глинозема на электролизерах с боковым токопроводом // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4 (24). С.99-102.
32. Справочник металлурга. Производство алюминия и сплавов на его основе / Б.И. Зельберг и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2015. 764 с.
33. Наноструктуры и алюминиевая промышленность / Кондратьев В.В. и др. // Вестник ИрГТУ. № 8. 2015. С. 77-85.
34.Обоснование возможности нагрева глинозема теплом анодных газов алюминиевого электролизера / С.Г. Шахрай и др. // Вестник ИрГТУ. 2016. № 3 (110). С. 131-138.
