CC BY
76
УДК 519.7 А.П. Скуратов, А.А. Пьяных, СД. Скуратова
УВЕЛИЧЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Показано, что в случае использования плоских штырей по периферии анода, состоящего из коллоидной массы, можно увеличить производительность электролизера при одновременном снижении энергетических затрат.
Ключевые слова: электролизер, плоский штырь, математическое моделирование, энергоэффективность.
A.P. Skuratov, A.A. Pyanikh, S.D. Skuratova
ALUMINIC ELECTROLYZER ENERGY-EFFICIENCY INCREASE ON THE BASIS OF MATHIMATIC MODELLING
The article shows that in the case of flat pins use on the anode periphery consisting of the colloid mass it is possible to increase the electrolyzer productivity at simultaneous energy consumption decrease.
Key words: electrolyzer, flat pins, mathimatic modelling, energy-efficiency.
Эффективность работы электролизера во многом определяется его тепловым состоянием. Однако детальные экспериментальные исследования влияния конструктивных параметров на теплообмен в электролизере затруднены. Поэтому наиболее рационально использовать расчетные методы анализа процесса электролиза.
Математическая модель для расчета теплового и электрического полей в электролизере состояла из трехмерного дифференциального уравнения теплопроводности с внутренними источниками теплоты, представленного в стационарном виде [1]
divU(T) ■ VT) + ff(T) ■ (УрУ- +5 = 0,
(1)
и уравнения распределения электрического потенциала, которое представляет собой непрерывное распределение электрического заряда в стационарном виде, в котором отсутствуют внутренние источники
(2)
где Т - температура, К;
А - коэффициент теплопроводности, Вт/(и ■ К)]
5-дополнительные источники теплоты, Вт/м3;
о--удельная электрическая проводимость, 1 /(Ом ■ м);
- электрический потенциал, В.
Для материалов с анизотропными свойствами учитывалось изменение теплофизических свойств от направления. Также все теплофизические свойства использовались как функции от температуры.
Влияние гидродинамики на теплообмен в расплаве учитывалось путем введения эффективных коэффициентов теплопроводности, значение которых принимались согласно данным промышленного эксперимента [2, 3]:
Ауфф — А + Я.
: ■
(3)
Как видно, запись уравнения (1) является обобщенной постановкой стационарной задачи Стефана, в которой путем введения скачка теплопроводности учитывается наперед неизвестная граница раздела фаз «расплав - твердое тело» [4]:
Я(Т) =
Л7,Т < Г; ЛЖгТ > Г;
(4)
Здесь Г; - температура фазового перехода, К; Я7 и Я^- - коэффициенты теплопроводности твердой и жидкой
фаз соответственно, Вт/(м-К).
За область решения принималась четвертая часть объема всего электролизера С-8БМ (рис. 1).
На границе расчетной области, контактирующей с воздухом, принималось граничное условие третьего рода для конвективной составляющей и закон Стефана-Больцмана для лучистой составляющей теплового потока:
--- , (5)
где а - коэффициент конвективной теплоотдачи, Зт/(>Ґ ■ .К);
£■- степень черноты;
са - 5,6687 ■ 10_е - излучательная способность абсолютно черного тела, Зт/(м^ ■ іГ);
Т и - температура наружной поверхности и окружающей среды соответственно, К.
В модели учитывались термические контактные сопротивления, которые определяют неидеальный контакт поверхностей элементов электролизера. В силу чего в пространстве между двумя контактирующими поверхностями образуется среда, имеющая отличные теплофизические параметры. Тепловое контактное сопротивление закладывалось с учетом следующего аналитического соотношения:
(6)
где Т± и Тг - соответственно температуры контактных поверхностей, К; рт - тепловое контактное сопротивление, (м2-К)/Вт;
Я - коэффициент теплопроводности одного из контактирующих материалов, Вт/(м-К).
На плоскостях симметрии модели использовалось граничное условие второго рода (адиабатическая поверхность)
дТ -Я—= 0. оп
(7)
тока:
На анодной штанге задавалась равномерно распределенная по ее сечению плотность электрического
(8) (9)
на катодной штанге задается нулевой электрический потенциал
ф = 0.
На всех наружных поверхностях задавалось условие электроизоляции
дф
В модели учитывалось также контактное падение напряжения в элементах токоподвода
где и <р2 - соответственно потенциалы соприкасающихся поверхностей, В;
Рэ - электрическое контактное сопротивление, Ом-м2;
- коэффициент электропроводности одного из соприкасающихся материалов, 1/Ом.
Решение задачи проводилось методом конечных элементов с использованием программы Дпвув. Конечно-элементная сетка математической модели, представляющая собой четвертую часть всего электролизера, содержала 494749 элементов и 530972 узла (см. рис. 1).
Рис. 1. Конечно-элементная сетка математической модели электролизера С-8БМ
Апробация математической модели проводилась путем сравнения полученных результатов расчета с данными промышленных опытов. Сравнение показывает на качественно и количественно правильный характер изменения температурных кривых, полученных расчетом. Значения расчетных температур и тепловых потоков на кожухе (на уровне поверхности раздела «металл-электролит») были близки к измеренным. Максимальное расхождение температур расплава вблизи бортового блока не превышало 2,0 % (табл. 1).
В качестве примера на рис. 2 приведено расчетное трехмерное температурное поле электролизера для принятых из практики его работы значений технологических параметров. Как видно, температурное поле в поперечном сечении электролизера имеет значительную неравномерность. Наибольший градиент температур наблюдается в теплоизоляционных слоях футеровки, а также на границе раздела «расплав - гарни-саж» вблизи бортового блока.
Таблица 1
Сравнение результатов расчета с данными промышленных экспериментов
Параметр Ед. изм. Значение
расчетное экспериментальное
1 2 3 4
Температура электролита по центру ванны :С 968 970
Температура электролита в пространстве бортанод ванны :С 954 953
Температура продольной стенки (фланец) :с 177 140-160
Температура продольной стенки уровень расплава :с 389 330-386
Температура продольной стенки возле блюмса :с 206 160-200
Окончание табл. 1
1 2 3 4
Температура продольной стенки :С 55 40-60
Максимальная температура торцевой стенки :С 360 365
Температура фланца торцевой стенки :с 221 225
Температура центра днища :с 72 68-70
Температура центра поверхности анода :с 120 104-123
Температура поверхности по периферии анода :с 65 78-97
По продольной стенке мм 180 200-400
По торцевой стенке мм 108 96
С целью улучшения теплового состояния электролизера С-8БМ и улучшения его экологической эффективности были приняты к рассмотрению новые конструкции токоподводящих штырей, расположенных по периферии самообжигающегося анода. Исследуемые конструкции токоподводящих штырей представляют собой штыри различной площади прямоугольного сечения. Предполагается, что штыри прямоугольного сечения будут обеспечивать меньшее падение напряжения в аноде, что приведет к меньшим энергозатратам электролизера. Это предположение связано с увеличением контакта электропроводной части анода с поверхностью штыря вследствие того, что, проводя геометрический анализ, можно увидеть, что при одной и той же площади сечения штыря, периметр этого сечения будет иметь минимальное значение в случае круглого сечения и увеличиваться с приближением к квадратному сечению.
0 211.111 422.222 633.333 844.444
105.556 316.667 527.778 738.889 950
Рис. 2. Температурное поле электролизера
Следует отметить, что расположение плоских штырей по периферии обеспечит, по-видимому, перераспределение температурного поля относительно исходного варианта. При этом форма коксо-пековой композиции (КПК) станет более пологой и тем самым обеспечит меньшую эмиссию канцерогенных полицикли-ческих ароматических углеводородов через верх анода, а также создаст более эффективное сопротивление для проникновения жидкой части анода в подколокольное пространство. Также в связи с переходом к использованию на заводах коллойдной анодной массы было принято решение об ее использовании в качестве анодного материала. Таким образом, были исследованы следующие варианты анодных штырей и состава анодной массы:
Вариант 1 (Базовый вариант). Типовая конструкция электролизера С-8БМ с анодными штырями диаметром 170 мм и сухой анодной массой.
Вариант 2. Типовая конструкция электролизера С-8БМ с анодными штырями по периферии диаметром 170 мм и коллоидной анодной массой.
Вариант 3. Электролизер С-8БМ, оснащенный усовершенствованным токоподводом с токоподводящими элементами по периферии размером 300х60х2200 мм и коллоидной анодной массы.
Вариант 4. Электролизер С-8БМ, оснащенный усовершенствованным токоподводом с токоподводящими элементами по периферии размером 420х40х2200 мм и коллоидной анодной массы.
Вариант 5. Электролизер С-8БМ, оснащенный усовершенствованным токоподводом с токоподводящими элементами по периферии размером 540х30х2200 мм и коллоидной анодной массы.
На основе решения модели (1)-(11) для каждого из исследуемых вариантов были получены тепловые и электрические поля в рабочем объеме электролизера. Для всех вариантов составлен энергетический и электрический (табл. 2) баланс, выполненный согласно методике [1].
Расход электроэнергии, кВгч/т, определялся по формуле [5]:
где иср - среднее падение напряжения на электролизере, В;
- электрохимический эквивалент алюминия, равный 0,3356 г/(Ач).
Производительность электролизера, кг/сут, определялась по формуле
Р = 24- 1(П3 ■ / ■ ц ■ г/г, (13)
где I - сила тока, А;
■ - - выход по току, %.
Из таблицы 2 видно, что выход по току при использовании коллоидной анодной массы выше относительно варианта с сухой анодной массой на 1,5% (см. варианты 1 и 2). При использовании плоских штырей значение выхода по току увеличилось на 0,4% по сравнению со вторым вариантом. Соответственно в вариантах 3, 4 и 5 увеличивается производительность электролизера относительно варианта 2 на 6 кг/сут. Кроме того, в этих вариантах расход электроэнергии меньше на 116 кВгч/т А1.
Таблица 2
Электрический баланс электролизера
Параметр Номер варианта
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6
Междуполюсное расстояние, см 4,0 4,2 4,5 4,5 4,5
Выход по току, % 88,3 89,8 90,2 90,2 90,2
Падение напряжения в аноде, В: 0,548 0,476 0,366 0,364 0,366
спуски 0,011 0,011 0,009 0,010 0,010
штырь 0,113 0,110 0,088 0,094 0,100
контакт штырь-анод 0,104 0,088 0,059 0,055 0,053
тело анода 0,320 0,266 0,210 0,205 0,204
Падение напряжения в электролите, В: 1,727 1,794 1,891 1,891 1,891
электролит 1,217 1,285 1,385 1,385 1,385
газовый слой 0,509 0,509 0,506 0,506 0,506
ЭДС поляризации, В: напряжение разложения анодное перенапряжение катодное перенапряжение 1,710 1,207 0,417 0,086 1,710 1,207 0,417 0,086 1,710 1,207 0,417 0,086 1,710 1,207 0,417 0,086 1,710 1,207 0,417 0,086
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6
Падение напряжения в металле, В: на поверхности алюминия в алюминии и граничных слоях 0,086 0,037 0,049 0,087 0,037 0,050 0,087 0,037 0,050 0,087 0,037 0,050 0,087 0,037 0,050
Падение напряжения в подине, В: тело катода блюмс контакт блюмс-блок 0,380 0,078 0,209 0,093 0,383 0,081 0,209 0,093 0,383 0,081 0,209 0,093 0,383 0,081 0,209 0,093 0,382 0,080 0,209 0,093
Падение напряжения от анодного эффекта, В 0,027 0,027 0,027 0,027 0,027
Падение напряжения в ошиновке ванны, В 0,231 0,231 0,231 0,231 0,231
Ошиновка, входящая в модель, В 0,045 0,045 0,027 0,027 0,027
Падение напряжения в общесерийной ошиновке, В 0,046 0,046 0,046 0,046 0,046
Греющее напряжение, В Рабочее напряжение, В Среднее напряжение, В Расход электроэнергии, кВт-ч/тД! Производительность, кг/сутки 4,523 4,682 4,756 16051 1315,6 4,522 4,681 4,755 15779 1338 4,491 4,668 4,741 15663 1344 4,489 4,666 4,739 15657 1344 4,490 4,667 4,741 15663 1344
Сравнительный анализ работы электролизера показывает, что использование плоских штырей приводит к увеличению энергетической эффективности электролизера. При использовании коллоидной анодной массы конструктивные модификации штырей в вариантах 3, 4 и 5 относительно варианта с базовой конструкцией штырей (см. вариант 2) приводят к уменьшению расстояния от нижней кромки кожуха до конуса спекания по продольной стенке соответственно на 5, 8 и 11 мм. При этом высота конуса спекания в центре анода также уменьшается в среднем на 37 мм.
Предложена трехмерная математическая модель, позволяющая оценить влияние формы анодных штырей и состава анодной массы на тепловое и электрическое состояния алюминиевого электролизера. Установлено, что наиболее рациональным является использование плоских штырей по периферии анода, состоящего из коллоидной массы. Показано, что применение плоских анодных штырей по сравнению со стандартным вариантом конструкции штырей приводит к уменьшению энергетических затрат на 116 кВгч/т Al и увеличивает производительность на 6 кг/сутки.
Литература
1. Arkhipov, G.V. Simulation of cell thermoelectric field with consideration of electrochemical processes / G.V. Arkhipov, V.V. Pingin, Y.A. Tretyakov, P.V. Polyakov// Light Metals. - 2007. - P.327-331.
2. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства / Е.Н. Панов [и др.]; М.: Изд. дом «Руда и металлы», 1998. - 256 с.
3. Скуратов, А.П. Математическое моделирование тепловых полей в алюминиевом электролизере / А.П. Скуратов, А.А. Пьяных // Вестн. ассоциации выпускников КГТУ. - Вып. 15. - Красноярск: Изд-во Сиб. федер. ун-та; Политех. ин-т, 2006. - С. 161-164.
4. Самарский, А.А. Вычислительная теплопередача / А.А. Самарский, П. Н. Вабищевич. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.
5. Минцис, М.Я. Электрометаллургия алюминия / М.Я. Минцис, П.В. Поляков, Г.А. Сиразутдинов. - Новосибирск: Наука, 2001. - 368 с.
