Способ энергосбережения при производстве алюминия на основе импульсного метода электролиза Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»



УДК 669.71

Способ энергосбережения при производстве алюминия на основе импульсного метода электролиза

В. И. Каганов,

МИРЭА, доктор технических наук, профессор

Рассматривается возможность питания электролизёра от импульсного генератора, что может привести к существенной экономии электрической энергии, требуемой для производства алюминия. Обсуждается синтез импульсного сигнала с помощью генераторов непрерывного действия, что позволяет избавиться от коммутирующих элементов. Приводятся схема и пример расчёта такого импульсного генератора. Метод следует рассматривать как предположительный, требующий экспериментальной лабораторной проверки.

Ключевые слова: алюминий, уравнение диффузии, ряд Фурье, импульсный генератор.

Производство цветных металлов требует значительного расхода электроэнергии. Усреднённые значения энергии для выплавки одной тонны меди, никеля и алюминия, а также (для сравнения) стали в дуговых электропечах, приведены в табл. 1 [1-2].

Таблица 1

№ Металл Количество электроэнергии, требуемой для производства 1 тонны, кВт-ч

1 Медь 250-350

2 Сталь (в дуговых электропечах) 300-400

3 Никель 3300

4 Алюминий 13000-17000

где к = 0,3354 кг/кА-ч - электрохимический эквивалент алюминия; I - сила постоянного тока, кА; t - время протекания процесса, ч; П = 0,9-0,95 - коэффициент использования электролизёра.

Расход электроэнергии для получения М кг алюминия с учётом (1) при п=0,9 составляет:

ми„

■ = 3,313Миср [кВт-ч]

ЦТ = яу = -

кг\

(2)

Как видно из приведенных данных, наибольшие затраты электроэнергии требуются при производстве алюминия, основным расходуемым материалом при выплавке которого является глинозём (А^Оз). Последний, подвергаясь электролизу с помощью мощного источника постоянного тока, разлагается на металлический алюминий, выделяющийся на катоде, и кислород, сжигающий (окисляющий) угольные аноды. Применение в последние годы так называемых обожжённых анодов позволило примерно на 10 % снизить потребление электроэнергии, доведя её при использовании качественного глинозёма до 13000 кВт-ч на одну тонну алюминия [2].

Масса алюминия, получаемого при его выплавке с помощью электролизёра - ванны с глинозёмом, в которой подводится постоянное напряжение величиной около 4,5 В и громадным током от 50 до 350 тысяч ампер, определяется по формуле, вытекающей из электролизных уравнений Фарадея:

где Ц"ср=3,8-4,5 В - среднее значение напряжения постоянного тока на зажимах электролизёра.

При иср=4,5 В для выплавки одной тонны алюминия требуется 15000 кВт-ч электроэнергии, одного миллиона тонн - 15 млрд кВт-ч. В последнем случае при непрерывной работе электростанции в течение 150 суток в году требуемая генерируемая мощность составит 4 ГВт. В результате на производство алюминия в нашей стране в год расходуется около 70 млрд кВт • ч электроэнергии. Поэтому снижение этого потребления хотя бы на несколько процентов будет означать большой потенциал энергосбережения. В связи с этим обратимся к предполагаемой возможности применения иного, более экономичного способа производства алюминия по сравнению с используемым в настоящее время.

Согласно теории кинетики электродных процессов, при электролизе пространственное и временное изменение концентрации ионов вещества, растворенного в электролите, описывается уравнением диффузии, называемым также законом Фика [3]:

дС _ д2С д1 дх2 '

(3)

M=k•I•t•ц,

(1)

где C=F(x,t) - концентрация ионов растворенного вещества;

x - координата, отсчитываемая от поверхности электрода;

£ - время;

Б - диффузионный коэффициент.

Наиболее простое решение уравнения в частных производных (3) возможно численным способом с помощью компьютерной программы. Такая программа приведена, например, в [4].

Обозначив номер шага по линейной координате х через I, а по времени £ через j и заменив левую часть уравнения (первая производная) и правую (вторая производная) соответствующими разностными выражениями, получим

Т -Т

1)+V 1'

Т -2 Т

(4)

А/ Ддг

и путём разделения переменных преобразуем к виду

где Я=БД£/Дх2 - «шаговый» параметр.

Таким образом, исходное дифференциальное уравнение (3) заменим разностным уравнением (5), решение которого, как показывает анализ, получается устойчивым при Я<0,5, причём точность улучшается с уменьшением значения Я. Данное обстоятельство следует учитывать при выборе шагов Д£, Дх, которые должны быть достаточно малы. Решение уравнения (5) при нормированном шаговом параметре Я=0,5 в виде четырёх графиков зависимости концентрации С от координаты х в разные моменты условных единиц времени £=0, 10, 20 и 50 построены на рис. 1, на котором I означает координату х, j -координату

Согласно полученному решению, концентрация вещества С со временем после прекращения действия внешнего источника постепенно уменьшается. Зная коэффициент диффузии Б, можно от нормированных координат перейти к их действительным значениям.

Можно предположить, что уравнение (3) относится и к случаю электролиза глинозёма. Тогда при резком сбросе внешнего постоянного напряжения концентрация анионов и катионов, образуемых при электролизе раствора, мгновенно не упадёт до нуля, а будет постепенно уменьшаться, пусть даже за очень короткое время, измеряемое миллисекундами, подобно тому, как показано на рис. 1. Если данное предположение окажется справедливым, то к зажимам электролизёра напряжение можно будет подводить не постоянно, а импульсами.

Итак, по причине инерционности диффузионного процесса предположительно открывается возможность импульсного характера питания электролизёра, что и должно привести к существенной экономии потребляемой электроэнергии при плавке алюминия. Предлагаемый метод производства алюминия требует, без сомнения, обширной экспериментальной проверки.

Импульсы повышенной мощности используются для формирования сильных и сверхсильных магнитных полей и влияния последних на физико-химические свойства различных веществ [5, 6]. Установка по генерации импульсов повышенной мощности состоит из трёх основных частей: источника постоянного напряжения или тока, накопителя электрической энергии емкостного, индуктивного типа или их сочетания, и ключей, рассчитанных на коммутацию боль-

Со,,

1 14 12 10 8 6 4 2 0

1 14 12 10 8 6 4 2 о

20

40

60

80

100

20

40

60

80

100

1 14 12 10 8 6 4 2 0

С50,,

20 40 60 80 100 /

1 14 12 10 8 6 4 2 0

20 40 60 80 100 /

Рис. 1. Графики изменения нормированного значения концентрации при четырёх значениях времени:

0, 10, 20 и 50 условных единиц

С

С

ших токов. В подобных установках генерация одиночных импульсов осуществляется путём относительно длительного времени накопления электрической энергии и её быстрого разряда посредством коммутации электрической цепи.

В [7] показано, что, основываясь на разложении периодических функций в ряд Фурье, импульсы требуемой длительности можно формировать и с помощью генераторов непрерывного действия без ключей, что должно значительно упростить устройство импульсного генератора. Для энергетических параметров при этом получим: мощность к-го генератора

= 0,5 (Uk)

2 J_ R'

(6)

где ик = - амплитуда А'-й гармоники;

Я - сопротивление общей нагрузки; Т - период следования импульсов; т - длительность импульса;

ток к-го генератора:

1=ик/Я; (7)

мощность К суммируемых генераторов

мощность одного синтезированного импульса сигнала £(<:)

. 0,5т /

Pr =- J [SCO]2 dt R.

(9)

' 0,5т

W=WT+W9,

(10)

где - энергия постоянного электрического тока, преобразуемая в тепло;

So(t)

Si(t)

S2(t)

2 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2

а

А 1 А

1 Л Л

W \Л/ J W W и W V V\

2 -1 ,6 -1 ,2 -0 ,8 -0 ,4 0 0 б ,4 0 ,8 ,2 1 ,6 2

I 1

Результаты расчёта по формулам (6)-(9) при Т=1 мс, т=0,1 мс, ит (амплитуда импульсного напря-жения)=4,5 В, К=4,5-10-4 Ом и числе складываемых генераторов К=9 приведены в табл. 2, а графики исходного £(<:) и синтезированных импульсов ^(¿О при К=5 и ^(¿О при К=9 построены на рис. 2.

Согласно (8) и (9) и данных табл. 2 при суммировании сигналов пяти генераторов их суммарная мощность Рс=3,2 кВт, а импульсная Р1=23,3 кВт. При суммировании сигналов девяти генераторов соответственно имеем: Рс=3,6 кВт, Р:=31,3 кВт .

Электрическую энергию, расходуемую при производстве алюминия в электролизёрах, можно представить в виде суммы двух составляющих:

-2 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2

в

Рис. 2. Импульсный сигнал: а) исходный; б) при К=5; в) при К=9

- энергия, расходуемая на поддержание химической реакции для получения в процессе электролиза алюминия согласно уравнению (1).

Замена источника постоянного тока электролизёра на импульсный и должна, предположительно, привести к экономии второй составляющей электрической энергии '^э в Кэ=Р^/Ро раз. При этом нагрев криолитоглинозёмного расплава, требующий энергии '^т, можно производить с помощью промышленных газовых горелок. Если считать, что энергии '^э и '^т примерно равны, то экономия при переходе к импульсному режиму плавки ориентировочно может составить 25-30 %.

Предлагаемый импульсный метод выплавки алюминия носит в значительной степени гипотетический характер и потому требует, в первую очередь, лабораторной проверки, подобной той, которая приведена, например, в [8]. Эскиз такой лабораторной установки приведен на рис. 3. Внутрь тигля 1 заливается электролит 2 на основе соединения КF-NaF-AlFз, в который опускаются два электрода - анод 3 и катод 4.

Таблица 2

№ генератора 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Частота fk, кГц 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Напряжение и к, В 0,885 0,842 0,773 0,681 0,573 0,454 0,331 0,210 0,098

Ток 1к, кА 1,97 1,87 1,72 1,51 1,27 1,1 0,74 0,47 0,22

Мощность Рк, кВт 0,87 0,79 0,66 0,52 0,36 0,23 0,12 0,49 0,01

ШНЕРашРЕтурСШШБЕШШЕтиЕшшэНЕРШшэФФЕшаштишЬ 23

К последним подключается генератор импульсов, обеспечивающий ток до 10 А при разной длительности импульсов и периоде их повторения. В процессе эксперимента подбирается оптимальное соотношение между этими параметрами. В результате процесса электролиза на дне тигля осаждается алюминий 5.

Фильтры необходимы для исключения взаимного влияния генераторов друг на друга. В простом случае такой фильтр представляет собой контур последовательного типа. Общей нагрузкой для всех генераторов является ванна с глинозёмом. КПД такого импульсного генератора при современной элементной базе может быть получен равным 70-80 %.

( Г Г2 Гз Г4 5 )

Ф, Ф2 Фз Ф4 Ф5

Рис. 3. Эскиз лабораторной установки

Одновременно с этим в такой же установке проводится процесс электролиза при подведении к электродам постоянного напряжения согласно методике, описанной в [8]. Сравнение результатов эксперимента при обоих способах питания электролизёра позволит сделать заключение о возможности практического использования импульсного метода при плавке алюминия.

Структурная схема импульсного генератора на основе генераторов непрерывного действия

При положительном результате лабораторных испытаний можно приступить к созданию промышленной установки по плавке алюминия на основании импульсного метода. Возможная структура устройства такой установки с импульсным генератором по реализации предложенного способа формирования периодической последовательности мощных импульсов приведена на рис. 4, где Тк - генераторы с частотой fk=k•fl=k/T, к - целое число от 1 до N. Последовательно с каждым генератором включен полосно-пропускающий фильтр Фк, настроенный на ту же частоту fk■

Рис. 4. Структурная схема питания электролизёра

Выводы

Высказано предложение по замене питания электролизёра от источника постоянного тока импульсным генератором. Данная идея основывается на том, что процесс электролиза глинозёма подчиняется уравнению диффузии и носит инерционный характер. Результат такой замены -постоянного напряжения на импульсное - возможная существенная экономия электрической энергии при производстве алюминия.

Импульсный генератор наиболее целесообразно построить в виде группы генераторов непрерывного действия, непосредственно подключаемых к электролизёру, что исключает применение мощных коммутирующих устройств.

Предлагаемый импульсный метод плавки алюминия требует, в первую очередь, обширной экспериментальной лабораторной проверки, после чего можно решать вопрос о целесообразности его промышленного внедрения.

2

5

Литература

1. Минцис М. Я., Поляков П. В., Сиразутдинов Г. А. Электрометаллургия алюминия. - Новосибирск: Наука, 2001.

2. Лысенко А. П., Хайрулина Р. П. Металлургия алюминия. - М.: МИСиС, 2012.

3. Фрумкин А. Н., Багоцкий В. С., Иофа З. А., Кабанов Б. Н. Кинетика электродных процессов. - М.: МГУ, 1952.

4. Каганов В. И. Колебания и волны в природе и технике. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008.

5. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. - М.: Мир, 2004.

6. Месяц Г. А., Пепель И. В. Введение в импульсную энергетику и электронику. - М.: ФИАН, 2009.

7. Каганов. В. И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс. - М.: ФОРУМ-ИНФРА, 2005.

8. Дедюхин А. Е. Легкоплавкие электролиты на основе системы КF-NaF-AlFз для получения алюминия: Автореферат дисс. - Екатеринбург, 2009.

А possible way of energy-savings with pulse method of an electrolysis process in aluminum production

W. I. Kaganov,

MIREA, D. T. S, professor

The author suggests a possibility of pulse generator feeding of an electrolyser, which can lead to significant electrical energy savings required for the production of aluminum. Discusses the synthesis of the pulse signal generator with eliminating of switching elements. The scheme and the calculation example of pulse generator are given. The method requires experimental laboratory tests.

Keywords: aluminum, diffusion equation, Fourier series, pulse generator.

«Солнечный» светофор для российской зимы!

Гарантия 3 года, Продукция сертифицирована,

GCLIOMnSTCn

ООО «ТЭМ-Инвест» (8552) 54-45-75 (85556) 2-39-08 8 917-260-72-82

E-mail:399812@mail.ru www.pk-agromaster.ru