CC BY
32
ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
УДК 669.71
Щербань Г. И.
ПОВЫШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
Представлены результаты практических исследований по контролю технологических параметров электролизеров с различными конструкциями и электрохимическими системами. На основании данных, полученных на электролизерах для производства алюминия, разработан и внедрен способ контроля водородного электролизера, что позволило снизить энергоемкость производства водорода с 5,6 до 5,3 кВт/ч и экономить 800 тыс. гривен на каждый электролизер ежегодно.
Ключевые слова: ЭДС, сопротивление, электролизер, контроль, ток, напряжение.
1. Введение
Специфика технологии электролиза состоит в недостаточном уровне информации о параметрах процесса, что снижает его эффективность. В настоящее время, электролизное производство требует фактически ручного ведения процесса высококвалифицированным обслуживающим персоналом, способного по внешним признакам процесса и по показаниям вольтметра оценить текущее состояние электролизера, что приводит к увеличению влияния человеческого фактора и не эффективной эксплуатации средств автоматизации.
2. Формулировка цели работы и анализ литературы
Величина ЭДС показывает, насколько полно осуществляется процесс перехода электрической энергии в химическую [1 - 4], отрицательно влияет на расход электроэнергии при электролизе [4 - 7] и зависит от температуры, химических свойств активных веществ электродов и концентраций их ионов в электролите и не зависит от размеров электродов [2 - 4, 8 - 10]. Поэтому, зная величину ЭДС и ее зависимость от условий электролиза, можно создать технологический процесс с более низким расходом энергии [5, 11].
Обратная ЭДС не подлежит прямому измерению [11 - 15], но ее высокая информативность способствуют развитию методик ее определения [1, 10]. В настоящее время в промышленности нет универсального электрода сравнения, подобного каломельному или водородному [16 - 18], исключается также возможность расчета потенциалов разложения для сложных расплавленных электролитов, они определяются только экспериментальным путем [19], поэтому практическое значение контроля обратной ЭДС бесспорно [8].
3. Основная часть
При решении задачи по определению текущих значений обратной ЭДС и сопротивления водородного электролизера ФВ-500 на ЧАО «Завод полупроводников», использовались ток и напряжение электролизера (рис. 1). Колебания тока вызваны переключением ступеней выпрямителя и изменением температуры и концентрации едкого кали в электролите. Наложение переменной составляющей тока позволило определить обратную ЭДС и общее сопротивление (рис. 2) водородного электро-
лизера таким же способом, что и алюминиевой ванны [20, 21], методика определения аналогична.
- Напряжение электролизера,В -Ток электролизера, кА
Рис. 1. Ток и напряжение электролизера ФВ-500
- Сопротивление ячейки, Ом
- Обратная ЭДС ячейки, В
Рис. 2. Обратная ЭДС и сопротивление ячейки электролизера ФВ-500
Различия состояли только в изменении полосы пропускания частотных фильтров, поскольку инерционность изменения обратной ЭДС при электролизе водорода меньше, чем при электролизе алюминия.
На базе способа расчета обратной ЭДС и сопротивления электролизера создана прикладная программа, интегрированная в АСУ ТП водородной станции цеха №19 ЧАО «Завод полупроводников», позволяющая контролировать текущие электрохимические параметры водородных электролизеров ФВ-500 для оптимального ведения технологического процесса.
Характерной особенностью методики является достаточность величины колебаний тока электролиза 1,5...2,5 %
305
а зоо
2.5
295
1.5
290
Дата и время
0.15
75
0.125
0.1
с 0.075
0.05 г
Дата и вр
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 6/5(14], 2013, © Щербань Г. И.
ISSN 2226-3780
ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
от номинального, что не оказывает негативного влияния на электролиз, а также низкая инерционность (запаздывание) расчета текущих значений обратной ЭДС и сопротивления электролизера в пределах 3-8 минут.
4. Выводы
В результате выполненных исследований установлено, что наложение переменной составляющей на ток электролиза позволяет контролировать обратную ЭДС и сопротивление промышленного электролизера. Определена оптимальная величина переменной составляющей тока электролиза.
В результате использования способа контроля обратной ЭДС и сопротивления электролизера установлено:
1. промышленный способ оперативного определения обратной ЭДС и общего электрического сопротивления электролизера, использующий в расчетах только измеряемые значения тока и напряжения электролизера применим для электролизеров с различными конструкциями и электрохимическими системами с учетом их особенностей;
2. использование способа контроля обратной ЭДС и сопротивления электролизера позволяет более устойчиво вести процесс электролиза средствами АСУ ТП;
3. оптимальный диапазон значений амплитуды переменной составляющей для устойчивого определения значений обратной ЭДС и сопротивления электролизера составляет 1,5.2,5 % от значения постоянной составляющей тока серии;
4. при снижении амплитуды переменной составляющей тока серии ниже 1,0 % от значения постоянной составляющей тока серии, определение обратной ЭДС и сопротивлением электролизера невозможно из-за влияния напряжения шума;
5. оптимизация процесса по значениям обратной ЭДС и удельного сопротивления электролита приводит к снижению энергоемкости электролиза водорода на 5,4 %.
Экономия только на каждый водородный электролизер ФВ-500 составляет 800 тыс. гривен ежегодно.
Литература
1. Федотьев, Н. П. Прикладная электрохимия [Текст]/ Н. П. Федотьев, А. Ф. Алабышев, А. Л. Ротинян и др.; под ред. Н. П.Федотьева. - Л.: Гос. НТИ химической литературы, 1962. - 639 с.
2. Зимон, А. Д. Физическая химия [Текст]/ А. Д. Зимон. -М.: Агар, 2003. - 320 с.
3. Лукомский, Ю. Я. Физико-химические основы электрохимии [Текст]/ Ю. Я. Лукомский, Ю. Д. Гамбург. -Долгопрудный: Интеллект, 2008. - 424 с.
4. Герасимов, Я. И. Курс физической химии [Текст]/ Я. И. Герасимов, В. П. Древинг, Е. Н. Еремин и др.; под ред. Я. И. Герасимова. - М.: Химия, 1973. - Т. 2. - 623 с.
5. Краснов, К. С. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ [Текст]/ К. С. Краснов, Н. К. Воробьев, И. Н. Годнев и др. // Физическая химия. - В 2-ух кн. Кн. 2. - М.: Высш. шк., 2001. - 319 с.
6. Голиков, Г. А. Руководство по физической химии [Текст]/ Г. А. Голиков. - М.: Высшая школа, 1988. - 383 с.
7. Жуховицкий, А. А. Физическая химия [Текст] / А. А. Жухо-вицкий, Л. А. Шварцман. - М.: Металлургия, 1987. - 688 с.
8. Ремпель, С. И. Анодный процесс при электролитическом производстве алюминия [Текст]/ С. И. Ремпель. - Свердловск: Металлургиздат, 1961. - 144 с.
9. Конофеев, Н. Т. Автомобильные аккумуляторные батареи [Текст]/ Н. Т. Конофеев. - М.: ДОСААФ, 1979. - 64 с.
10. Киреев, В. А. Курс физической химии [Текст]/ В. А. Киреев. - М.: Химия, 1975. - 775 с.
11. Якименко, Л. М. Электролиз воды. [Текст]/ Л. М. Якименко, И. Д. Модылевская, З. А. Ткачик. - М.: Химия, 1970. - 264 с.
12. Изгарышев, Н. А. Курс теоретической электрохимии [Текст]/ Н. А. Изгарышев, С. В. Горбачев. - Москва: Госхимиздат, 1951. - 503 с.
13. Дембовский, В. В. Автоматизация управления производством [Текст]/ В. В. Дембовский. - СПб.: СЗТУ, 2004. - 82 с.
14. Кольдиц, Л. Анорганикум [Текст]: пер с нем. / Г. Блумен-таль, З. Энгельс, И. Фиц, В. Хабердитцль и др.; под ред. Л. Кольдица. - В 2-х т., Т. 1. - Москва: Мир, 1984. - 672 с.
15. Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство [Текст]: учеб. пос. для вузов / под ред. Б. П. Никольского. - Л.: Химия. 1987 - 880 с.
16. Антипин, Л. П. Электрохимия расплавленных солей [Текст]/ Л. П. Антипин, С. Ф. Важенин. - М.: Металлургия, 1964. -376 с.
17. Энгельгард, Д. В. Электрометаллургия водных растворов [Текст]/ Д. В. Энгельгард. - Л.: ОНТИ Химтеорет, 1937. -
463 с.
18. Тейлор, Х. С. Физическая химия [Текст]/ Х. С. Тейлор. -В 2-х т., Т.1. - Л.: ОНТИ Химтеорет, 1935. - 832 с.
19. Щербань, Г. И. Оптимизация режима работы электролизера для получения водорода при производстве кремния [Текст]/ Г. И. Щербань, И. Е. Лукошников, Д. В. Прутцков, С. Г. Егоров, Р. Н. Воляр // Металургія. - 2011. - Вип. 25.
20. Щербань, Г. И. Контроль обратной ЭДС и общего сопротивления алюминиевого электролизера [Текст] / Г. И. Щербань, И. Е. Лукошников, Д. В. Прутцков, И. Ф. Червоный, О. А. Позднякова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - №3/6(51). - С. 14-17.
21. Щербань, Г. И. Использование цифровой обработки сигналов для определения параметров процесса электролиза [Текст] / Г. И. Щербань, А. И. Громыко, П. И. Луценко, С. И. Кривошей, К. Ф. Никандров // Алюминий Сибири. -Красноярск: ООО «Версо». - 2008. - С. 220-221.
ПІДВИЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ ПРОМИСЛОВОГО ЕЛЕКТРОЛІЗЕРА
Представлені результати практичних досліджень по контролю технологічних параметрів електролізерів з різними конструкціями та електрохімічними системами. На підставі даних, отриманих на електролізерах для виробництва алюмінію, розроблений і упроваджений спосіб контролю водневого електро-лізера, що дозволило понизити енергоємність виробництва водню з 5,6 до 5,3 кВт/ч і економити 800 тис. гривень на кожен електролізер щорік.
Ключові слова: ЕРС, опір, електролізер, контроль, струм, напруга.
Щербань Геннадий Иванович, аспирант, кафедра металлургии цветных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, Украина, е-mail: qgi@mail.ru
Щербань Геннадій Іванович, аспірант, кафедра металургії кольорових металів, Запорізька державна інженерна академія, Україна, е-mail: qgi@mail.ru
Shcherban Genady, Zaporozhye State Engineering Academy, Ukraine, е-mail: qgi@mail.ru
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 6/514), 2013
