Разработка проекта электролизного цеха

Катодный кожух устанавливается на подкатодной балке, выполненной из двутавров высотой 300 мм. Между подкатодной балкой и опорными столбиками устанавливается узел электроизоляции, состоящий из двух металлических и одной текстолитовой пластин. Опорные столбики в торцах катодного устройства имеют по два узла опоры и изоляции. Вдоль катодного устройства располагаются еще по 5 опорных столбиков с каждой стороны электролизера.

Анодное устройство состоит из балки-коллектора для отсоса газо-воздушной смеси от электролизера. Отсос газа осуществляется через патрубок диаметром 600 мм, расположенный в одном торце электролизера.

В балке - коллекторе расположены бункеры автоматической подачи глинозема (АПГ) с шестью пробойниками. Пробойники имеют привод от пневомцилиндров диаметром 125 мм. Дозаторы объемного типа приводятся в движение от пробойников диаметром 80 мм. Глинозем в объемные дозаторы поступает самотеком за счет создания уклона в днище металлических бункеров. Угол наклона днища бункеров составляет 50 ^є.

На балке - коллекторе располагаются приводы для перемещения анодной ошиновки. С каждой стороны балки - коллектора подвешивается на винтах домкратов анодная шина сечением 180х550 мм и длиной 7300 мм. На анодных шинах закреплены анодные зажимы кулачкового типа. С помощью винта кулачок прижимает алюминиевую анодную штангу к анодной алюминиевой шине.

Всего в электролизере устанавливается 40 обожженных анодов с габаритами 520х700х1600 мм. Аноды имеют четырех ниппельные стальные траверсы с диаметром ниппелей 140 мм. С телом угольного обожженного анода ниппеля соединяются с помощью чугунной заливки. Стальная траверса крепится к алюминиевой штанге с помощью биметаллических пластин (сталь - алюминий), расположенных горизонтально.

Алюминиевая анодная шина с каждой стороны балки - коллектора имеет разрыв, а стыки шин соединены с помощью гибкого алюминиевого пакета. Каждая половина анодной шины имеет свой независимый механизм подъема. Он состоит из основного электродвигателя, редуктора, четырех домкратов и круглых передающих валов.

Анодные шины, расположенные с каждой стороны балки-коллектора, между собой соединены пятью перемычками, проходящими через балку - коллектор. Перемычки предохраняют анодные шины от «развала» в разные стороны и обеспечивают равномерное токораспределение по анодам.

Ток к анодным шинам подводится с одной стороны с помощью пяти анодных стояков. Анодные стояки имеют гибкие части, набранные из алюминиевых листов. Вокруг катодного устройства располагается катодная ошиновка. Под днищем катодного устройства проложены катодные перемычки. Соединение катодных шин с блюмсами производится с помощью гибких алюминиевых спусков. Спуски крепятся к блюмсам с помощью стыковой сварки.

Анодная плотность тока на электролизере составляет 0,72 А/см². Объем газоотсоса от одного электролизера составляет 13600 м³/час.

Пространство между катодным и анодным устройство электролизера закрыто алюминиевым укрытием, состоящим из секций. Съем секции укрытия осуществляется вручную. Каждая секция укрытия имеет две ступени электроизоляции. Коэффициент полезного действия укрытия составляет 98%.

Глинозем к течкам бункеров АПГ подводится с помощью аэрожелобов.

Расположение электролизеров в корпусе однорядное, поперечное с межосевым расстоянием 6400 мм. Поперечное расположение электролизеров в корпусе по сравнению с двухрядным, позволяет существенно снизить магнитогидродинамические возмущения на слой металла в катодном устройстве, т.к. отсутствует влияние соседнего ряда электролизеров.

При поперечном расположении электролизеров за счет одностороннего подвода тока к анодным шинам, наличия пяти перемычек между анодными шинами, двухстороннего секционированного съема тока катодной ошиновкой, наличия катодных перемычек под днищем катодного устройства удается создать близкое к симметричному магнитное поле и снизить волнение расплавленного алюминия под действием магнитных полей.

Глинозем в электролизер поступает по системе централизованной раздачи глинозема (ЦРГ). Особенность этой системы состоит в том, что транспортировка глинозема осуществляется в плотной фазе. В специальных коллекторах с диафрагмами перемещение глинозема происходит над диафрагмами под действием импульсов воздуха, проталкивающего глинозем вдоль коллектора. В отличие от транспортировки глинозема в трубах с помощью сжатого воздуха, транспортировка в «плотной» фазе имеет значительные преимущества, т.к. нет существенного истирания металлических труб, а следовательно, нет излишнего попадания железа в электролизную ванну и далее в первичный алюминий. Это также позволяет снизить затраты на ремонт системы транспортировки. Кроме того, для транспортировки в «плотной» фазе не требуется компрессоров с высоким давлением, которые сложны и дорогостоящи. Решающим преимуществом транспортировки в «плотной» фазе является отсутствие дополнительного измельчения глинозема и образования мелкодисперсных фракций. Это улучшает эффективность работы сухой газоочистки, стабилизирует технологию электролиза, снижает транспортные потери глинозема и уменьшает загрязнение воздуха рабочей зоны корпуса электролиза.

Стабилизации и улучшение технологических показателей электролиза способствует и система автоматизированной корректировки криолитового отношения за счет подачи фтористого алюминия через отдельные дозаторы. В процессе электролиза в первую очередь происходит испарение фтористого алюминия, и криолитовое отношение электролита увеличивается. Подача фторированного глинозема из сухой газоочистки способствует снижению криолитового отношения. Для того, чтобы эти два процесса не нарушали динамического равновесия криолитового отношения в электролите, в электролит в определенное время подается строго дозированная порция фтористого алюминия или смеси фтористого алюминия с глинозема. Дозирование порций регулируется частотой срабатывания дозаторов. Частота срабатывания дозаторов контролируется АСУТП.

Отсасываемая через балку - коллектор газо-воздушная смесь направляется по системе корпусных и межкорпусных газоходов на рукавные фильтры сухой очистки газов. Преимущество сухой очистки газов перед мокрой состоит в том, что процесс адсорбции фторидов на глиноземе, т.е. непосредственная очистка газов, позволяет вместе с глиноземом возвращать в электролиз фтористые соединения. За счет этого резко снижается общий расход свежих фтористых солей.

При мокрой очистке газов затраты на ремонт оборудования существенно выше, чем на сухой газоочистке, т.к. растворенные в водной среде и водных массопотоках фтористые соли имеют сильно выраженные кислотные свойства, что приводит к значительной коррозии оборудования. Кроме того, при мокрой очистке газов продуктами извлечения являются регенерационный криолит, который сильно загрязнен примесями. При введении такого материала в электролизер резко ухудшается качество получаемого алюминия.

Проектом Павлодарского электролизного завода предусмотрена сухая очистка газов, основным оборудованием которой являются реакторы и рукавные фильтры. Каждый модуль сухой газоочистки обслуживает 72 электролизера и состоит из 12 рукавных фильтров, совмещенных с реакторами адсорберами. Такое совмещение позволяет первичную адсорбцию производить в реакторе, окончательную _ на рукавных фильтрах. При этом не увеличивается напорное сопротивление на рукавах. При постоянном напорном сопротивлении двигатели дымососов работают в более стабильном режиме, и экономится значительное количество электроэнергии.

Составной частью технологии Павлодарского электролизного завода является использование в корпусах электролиза комплексных технологических кранов. Имеющиеся на кране устройства позволяют автоматически захватывать головку штанги анододержателя, разбалчивать зажим анододержателя, переносить анододержатель с обожженным анодом или огарком анода, производить обрубку корки электролита вокруг анода, производить подсыпку глинозема на поверхность анода.

Выполнение столь большого количества операций возможно только на комплексном кране при поперечном расположении электролизеров. В этом случае мост крана расположен параллельно длинной оси электролизера и достаточно места для расположения на кране всех названных устройств.

Комплексный кран позволяет также осуществлять операцию по установке рамы для перетяжки анодной ошиновки. На раме устанавливаются автоматические захваты головки анодных штанг. На комплексном кране имеются крюки для транспортировки вакуум - ковшей и различных грузов.

Анодные штанги с огарками извлекаемые из электролизеров, направляются в анодно-монтажный цех. Наличие конвейерной системы выполнения различных операций позволяет существенно сократить ручной труд и количество обслуживающего персонала.

Операция по снятию налипшего и застывшего на анодах электролита позволяет собрать оборотный электролит и отправить его в ванны. Этим снижается расход фтористых солей на технологию электролиза, и уменьшаются удельные выбросы фтористых солей в атмосферу.

Механизация процессов съема огарков, их дробления и обработки позволяют вернуть в оборот значительное количество анодного материала.

Применение оборудования для механизированной чистки анодных траверс, анодных штанг создает условия для лучшего контакта при дальнейшей заливке чугуном ниппелей и прижиме анодных штанг к анодным шинам. Это позволяет экономить электроэнергию при электролизе.

Наличие установки для предварительного нагрева гнезд ниппелей анодных блоков, покрытие гнезд коллоидной графитовой смазкой и механизированная заливка чугуном снижают степень растрескивания анодов при установке в электролизер. Это позволяет снизить расход анодов, электроэнергии и увеличить выход по току.

Склад двухпролетный, закрытого типа, оснащен кранами _ штабелерами с захватами на 10 анодов. Хранение анодов - в штабелях по 5 рядов по высоте.

Склад обеспечивает запас хранения продукции на 10 суток.

Котельная высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ) предназначается для нагрева теплоносителя, используемого для обогрева технологического оборудования отделения "зеленых" анодов (подогревателя кокса, смесителей, дозаторов пека, пекопроводов).

Общая потребность в тепле составляет 3000 кВтч. Исходя из указанной потребности, в котельной предусмотрена установка двух нагревателей ВОТ мощностью по 1500 кВт.

С целью исключения воздействия на окружающую среду в котельной устанавливаются электронагреватели, что исключает выброс вредных веществ в атмосферу.

Рабочая температура нагрева теплоносителя в электронагревателях 20-260 ^оС. В качестве теплоносителя предлагается использовать теплоноситель импортного производства.

Система нагрева - циркуляционная двухконтурная.

Заполнение системы нагрева теплоносителем осуществляется насосами из расходных баков.

Прием теплоносителя, доставляемого в бочках или в контейнерах, может быть осуществлен в баки аварийного слива или в расходные баки.

Циркуляция теплоносителя в первом контуре осуществляется насосами, установленными группами непосредственно у каждого из электронагревателей. Из двух насосов каждой группы в работе находится по одному насосу, вторые насосы - резервные.

После обогрева технологических установок отделения "зеленых" анодов и пекопроводов охлажденный теплоноситель возвращается в сборные коллекторы котельной и далее на вход циркуляционных насосов. Компенсация увеличения объема теплоносителя при его нагреве обеспечивается установкой расширительного бака. Учитывая пожароопасность теплоносителя, для его слива в случае возникновения пожара в состав комплекса котельной, в соответствии с действующими нормами, включено здание с баком аварийного слива.

В бак аварийного слива осуществляется слив теплоносителя от оборудования и трубопроводов, а также сброс теплоносителя от предохранительных клапанов контуров нагрева. Горячие газы от печей обжига анодов поступают в охладители, где охлаждаются до t^о = 90 ^оС. Охлажденные газы подаются в модули «реактор - рукавный фильтр», куда одновременно поступает глинозем, в качестве адсорбента, и происходит адсорбция фтористого водорода и возгонов каменноугольного пека на его поверхности. В рукавном фильтре улавливаются глинозем с адсорбированными загрязняющими веществами и коксовая пыль.

Очищенные газы дымососами через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Глинозем возвращается в производство алюминия пневмоаппаратом.

Эффективность очистки: от HF- 98,5 %; от смолистых веществ (возгоны каменноугольного пека) - 98 %; от пыли - 99,9 %

Газы от технологической линии, содержащие коксовую пыль и возгоны каменноугольного пека, поступают в реактор, куда одновременно подается кокс, на поверхности которого происходит адсорбция смолистых веществ. После реактора газы попадают в рукавный фильтр, где обеспыливаются. Очищенные газы дымососом через свечу выбрасываются в атмосферу. Уловленный кокс возвращается в основное производство. Эффективность очистки: от возгонов каменноугольного пека - 98 %; от коксовой пыли - 99,9 %.

Установка очистки газов склада пека состоит из термокаталитического реактора, дымососа и свечи. Количество резервуаров - 1 шт.; объем газов, поступающих на очистку (при 0 ^оС и 101,3 кПа), - 1000 м³/ч; температура газов, поступающих на очистку - 120 ^оС

Газы от установки плавления твердого пека поступают в термокаталитический реактор, где на катализаторе происходит окисление возгонов каменноугольного пека до воды и диоксида углерода. Очищенные газы дымососом через свечу выбрасываются в атмосферу.

Эффективность очистки от возгонов каменноугольного пека - 98 %.

Предусмотренный проектом Павлодарского электролизного завода перечень оборудования и технология очистки газов отделений цеха обожженных анодов позволяют гарантированно обеспечить требуемые предельно допустимые концентрации выделения вредных веществ от производства обожженных анодов на границе санитарно-защитной зоны. Тем самым, обеспечивается сочетание экономических преимуществ расположения производства обожженных анодов на территории электролизного завода и минимизация воздействия этого производства на окружающую среду.

Заключительный передел производственного цикла Павлодарского электролизного завода заключается в разливке алюминия - сырца в литейном отделении в чушки весом 20 кг. Выбранный состав оборудования позволяет механизировать все основные операции этого передела. Наличие 60-ти тонных поворотных миксеров позволяет равномерно вести процесс выливки расплавленного алюминия. В отличие от стационарных миксеров у поворотных миксеров нет застойных зон, не происходит образование шламов и не обрушаются подвесные своды. В результате срок службы футеровки и качество металла в поворотных миксерах выше.

Литейный комплекс обеспечивает непрерывную автоматическую разливку чушек в штабели и их автоматическую обвязку.

Применение данного оборудования обеспечивает высокое товарное качество выпускаемой продукции и снижение трудоемкости производства.

2. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Конструктивный расчет электролизера служит для определения основных размеров электролизера.

2.1 Определение размеров анодного массива

Площадь анодного массива

S_a= I / i_a ;

S_a = см².

Исходя из принятого размера блоков 7001650600 мм. Рассчитываем необходимое количество анодов

;

шт.

Расстояние между блоками по продольной стороне а составляет 40 мм, а между рядами блоков b - 180 мм (для размещения системы автоматического питания глиноземом).

Тогда длина анодного массива составит, см

;

;

а ширина, см

;

.

2.2 Катодное устройство электролизера

а) Внутренние размеры шахты

Размеры получают исходя из определенных ранее размеров анодного массива. Расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки примем с= 30,5 см, а от торцевой стороны анода до торца ванны d = 39 см, тогда внутренние размеры шахты составят:

ширина

В_ш = В_а + 2с = 338+231 = 400 см;

длина

L_ш =А_а + 2d = 1472+244 = 1560 см.

Глубину шахты определяется суммой уровней технологического алюминия h_M (15-25 см), электролита h_Э (22-25 см) и толщиной корки электролита с глиноземом в шахте ванны h_Г (3-6 см):

Н_Ш = h_M + h_Э + h_Г = 21+23+6 = 50 см.

б) Конструкция подины

В разработанной конструкции электролизера предусмотрено использовать сплошные блоки сечением 515 х 450 мм длиной 3.420 мм. Блоки имеют по 2 паза с торцов для монтажа блюмсов. Сечение пазов 200 х 90 мм, сечение блюмсов 180 х 50 мм.

Российская алюминиевая промышленность выпускает катодные блоки высотой h_б = 400 мм, шириной b_б=550, длиной l_б = (1600;2200 мм). Ширину шва между блоками примем равным 30 мм. Число блоков определим исходя из длины шахты

n_б = шт.

Расстояние от блока до бортовой изоляции в торцах составляет 400 мм.

2.3 Схема укладки катодных блоков

а) Размеры катодного кожуха

Боковая футеровка электролизера выполняется дифференцированной из карбидокремниевых плит толщиной 90 мм без теплоизоляции (раз утепленный борт), т.к. в случае применения АПГ электролизеры с разутепленными бортами обладают наибольшей энергетической эффективностью. При этом длина катодного кожуха

мм;

ширина

В_кож = 1600 х 2 +180 + 310 х 2 +180 = 4.180 см.

Подина шахты ванны набирается из 27 катодных блоков высотой 450 мм. Тогда высота катодного кожуха составит

Н_кож = 505 + 450 +165.5+130+67.5 = 1318 мм.

2.4 Материальный баланс электролизера

Материальный баланс представляет собой соотношение материалов загружаемых в электролизер и получаемых в процессе электролиза. Баланс рассчитывается исходя из количества Al, которое выделяется в единицу времени (кг/ч).

2.4.1 Производительность электролизера

Количество алюминия, выделяющегося в единицу времени (кг/час) можно рассчитать по выражению

кг/ч;

где I -сила тока (А);

q - электрохимический эквивалент (г/(Ачас));

- выход по току, доли единицы.

кг/ч.

2.4.2 Приходные статьи баланса

Удельный расход сырья для производства 1 кг Al возьмем на основании данных работы электролизера GP-320 kA:

- глинозем - 1,93 кг;

- аноды - 0,55 кг;

- криолит -0,001 кг;

- фтористый кальций - 0,0015 кг;

- фтористый алюминий - 0,022 кг.

Зная производительность электролизера и удельный расход сырья, легко рассчитать приход материалов в ванну.

Р_гл = Р_Alр_гл кг/ч;

Р_а = Р_Alр_а кг/ч;

Р_ф = Р_Alр_ф кг/ч,

где р_гл, р_а, р_ф - расход глинозема, анода и фтористых солей соответственно, кг/кг алюминия, р_ф=криолит+фтористый алюминий+фтористый кальций=0,001+0,0015+0,022=0,045 кг/кг алюминия.

Р_гл = 99,8151,93=192,64 кг/ч,

Р_а = 99,8150,55=54,89 кг/ч,

Р_ф = 99,8150,0245=2,44 кг/ч,

2.4.3 Расходные статьи баланса

Выход материалов включает:

а) Количество полученного алюминия (определяется производительностью электролизера, кг/ч).

б) Анодные газы. Количество анодных газов рассчитывается из суммарной реакции (17), протекающей в электролизере, и из состава анодных газов. Состав анодных газов определим по уравнению Пирсона-Ваддингтона

Nco₂ = 2( - 0,5)

Nco₂= 2(0,93-0,5) = 0,86.

Количество СО и СО₂, кмоль/ч, определяется из уравнений:

кмоль/ч;

кмоль/ч,

где Nco₂ и Nco - мольные доли СО₂ и СО в анодных газов соответственно.

Весовые количество СО и СО₂, кг/ч, определяются по выражениям

кг/ч,

кг/ч.

в) Потери углерода. Определим как разность между приходом обожженных анодов Р_а и количеством израсходованного с газами углерода Р_С

кг/ч,

где количество израсходованного с газами углерода (Р_с) находится по уравнению

кг/ч;

кг/ч.

г) Потери глинозема. Теоретический расход глинозема определяется из уравнения

кг/ч.

Потери глинозема в виде пыли и механические потери рассчитываются как

кг/ч.

д) Потери фтористых солей принимаем равными их приходу то есть 1,98 кг/ч.

Приход и расход материалов сведем в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Материальный баланс электролизера на 320 кА

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
Глинозем	192,64	70,0	Алюминий	99,82	39,9
Обожженные аноды	54,9	21,0	Потери глинозема	4,09	1,6
Фтористые соли	2,44	1,00	Потери от окисления анодов	19,12	7,6
			Газы:
			СО	11,7	4,7
			СО2	112,82	45,1
			Потери фтористых	2,44	1,0
Итого	249,98	92	Итого	250	99,9

2.5 Расчет ошиновки

Ошиновка электролизера предназначена для подвода (анодная ошиновка) и отвода (катодная ошиновка) электрического тока.

Анодная ошиновка состоит из алюминиевых шин и гибких алюминиевых лент. Все контакты между элементами ошиновки сварные.

Конструкции ошиновки должны удовлетворять следующим требованиям:

- распределение электрического тока по всему сечению анода и катода должно быть равномерным;

- стоимость ошиновки должна быть минимальной при допустимых потерях электроэнергии в ней;

- ошиновка должна обеспечивать стабильную форму поверхности расплавленного металла, близкую к горизонтальной, а также наименьшее волнение поверхности металла под действием электромагнитных сил;

- ошиновка должна обеспечивать возможность быстрого отключения и подключения в электрическую цепь одного электролизёра без нарушения работы остальных.

Для снижения вредного влияния магнитных полей на процесс электролиза на электролизере применяется схема ошиновки, обеспечивающая равномерный съем тока с подины и подвод тока к анодному устройству следующего электролизера при помощи пяти стояков. Они расположены на продольной входной стороне электролизера. Для равномерного отвода тока от подины электролизера и уменьшения горизонтальных токов в металле катодная ошиновка выполнена секционированной. Для обеспечения оптимального магнитного поля 1-го и последнего электролизеров выполнена имитация ошиновки перед первым и после последнего электролизера.

а) Сечение шинопровода, подводящего ток, определяется исходя из величины силы тока и плотности тока в шине. Экономическая плотность тока в ошиновке, исходя из данных практики за счет гибких пакетов, принимается d_эк = 0,3 А/мм².

Общее сечение шинопровода для электролизера будет равно

мм².

Примем стандартные алюминиевые шины сечением 220 х 550, тогда число шин в шинопроводе

шт.

б) Суммарное сечение алюминиевых штанг

S_ш = 1313n = 13340 = 6760 см²,

где 1313 - сечение штанги, см².

Плотность тока в штангах

i_ш = I/S_ш = 320000/6760 = 47,3 А/см².

г) Катодные спуски

Сечение пакета из алюминиевых лент (спусков)

мм².

Примем стандартное сечение пакета 50 х 1,5 мм.

Число лент в пакете

лент.

д) Суммарное сечение катодных стержней

S_ст = 5х18х27х4 = 9720 мм,

где 5х18 - сечение одного катодного стержня, см²;

27х4 - количество стержней в электролизере, шт.

Плотность тока в катодных стержнях

i_ст = I/S_ст = 320000/9720 = 32,9 А/см².

2.6 Электрический баланс электролизера

Для производства алюминия требуются большие затраты электрической энергии, и вопрос о снижении её расхода является одним из важнейших в алюминиевой промышленности. Вот почему необходимо знать, на каких участках электролизёра происходят потери электроэнергии, и от каких причин они зависят.

Расчёт электрического баланса состоит в определении падений напряжения в конструктивных элементах электролизёра, в электролите и напряжений поляризации.

В практике электролизёра различают три вида напряжений:

- Среднее напряжение U - включает в себя все виды падения напряжения, в том числе среднее повышение напряжения от анодных эффектов и падение напряжения в обще серийной ошиновке;

-Рабочее напряжение U_р - это фактическое напряжение, определяемое показаниями вольтметра на ванне, т.е. среднее напряжение без учёта падения напряжения в обще серийной ошиновке и среднего повышения напряжения от анодных эффектов;

- Греющее напряжение U_гр - учитывает падение напряжения во всех греющих элементах электролизёра, т.е. находящихся внутри того объекта, с поверхности которого рассчитываются потери тепла в окружающее пространство. Греющее напряжение обязательно включает в себя и напряжение поляризации.

Можно записать

U = Е+U_эл+U_а+U_к+U_ош+U_а.э.+ U_с;

U_р = Е+U_эл+U_а+U_к+U_ош;

U_гр = Е+U_эл+U_а+U_к+U_а.э,

где Е - напряжение поляризации, В;

U_эл - падение напряжения в электролите, В;

U_а - падение напряжения в аноде, В;

U_к - падение напряжения в катоде, В;

U_ош - падение напряжения в ошиновке ванны, В;

U_а.э.-повышение падения напряжения за счёт анодных эффектов, В;

U_с - падение напряжения в обще серийной ошиновке, В.

Рассчитанные падения напряжения в отдельных элементах электролизера сводятся в таблицу, которую называют электрическим балансом электролизера.

2.6.1 Напряжение поляризации (ЭДС поляризации)

Напряжение поляризации, или э.д.с поляризации представляет собой термодинамическую величину напряжения разложения для реакций разложения глинозема с образованием СО₂, плюс анодные и катодные перенапряжения за минусом деполяризации, вызванной растворимым в электролите алюминием (i).

Для расчета ЭДС поляризации при температуре электролиза для электролизеров с верхним подводом тока используется эмпирическое уравнение

E = 1,13 + 0,37 i_an.

Для электролизеров с обожженными анодами обычно значение Е принимают с поправкой 0,2 -0,3В выше с учетом более высокого качества анода. Для дальнейших расчетов величину Е принимают

1,6 В (Е = 1,13 +0,37х0,71+0,2).

2.6.2 Падение напряжения в обожженном аноде

Падение напряжения в обожженном аноде (из материалов ГАМИ) складывается из падения напряжения в угольной части анода U _уг, в контактах (ниппель-анод U_{н а}, кронштейн-ниппель U_{к н}, штанга-кронштейн U_{ш к} ) и в штанге, кронштейне и ниппелях.

а) Падения напряжения в угольной части анода U _уг:

, В,

где - среднее удельное электросопротивление анода в интервале температур (750...950)⁰С, Омсм;

S_а - площадь анода, см²;

l_ср - среднее расстояние от подошвы анода до дна ниппельного гнезда, см;

Ф - форм - фактор электрического поля анода, который определяется размерами анода, размерами и числом ниппельных гнезд.

Форм - фактор электрического поля анода рассчитывается по уравнению

Ф = 1 + 0,142k,

где k - безразмерный комплекс,

,

где - средний путь тока в ниппельном гнезде;

ab - площадь подошвы анодного блока, см²;

F_нп и F_нб - площадь полной и боковой поверхности ниппельного гнезда соответственно, см²;

п - число ниппелей в анодном блоке, 4 шт,

h_г - глубина ниппельного гнезда, принимаем 12 см,

D_г - диаметр ниппельного гнезда 16 см. По расчету принимаем

F_нп = 803,84 см²; F_нб = 602,88 см²;

см;

см,

где 55 - высота анодного блока, см;

12 - глубина ниппельного гнезда, см.

;

.

Удельное электросопротивление анода рассчитывается по формуле

,

где t - температура анода (в среднем за цикл работы анода температура составляет 800 °С)

Значение удельного электросопротивления при данной температуре составляет - 0,0048 Омсм. Тогда расчетное падение напряжения в угольной части анода будет равно

В.

б) Падение напряжения в контакте ниппель - анод рассчитывается по формуле

,

где I - сила тока, кА;

_н - удельное электросопротивление контакта, Омсм;

К - количество ниппелей, шт;

F_нг - полная площадь ниппельного гнезда, см².

На основании промышленных измерений удельное электросопротивление в контакте принимается равным 0,04 Омсм. При этом падение напряжения в контакте ниппель-анод будет равно

В.

в) Падение напряжения в контакте штанга-кронштейн

В данной работе контакт штанги с кронштейном выполняется сварным. Падение напряжения в этом случае принимается равным 0,01B.

г) Падение напряжения в штанге, кронштейне и ниппеле

Падение напряжения оценивается в рассматриваемом узле практическими данными и в целом принимается равным 0,05B.

Таким образом, падение напряжение в обожженном аноде составит:

0,222+0,100+0,01+0,05=0,382 В.

2.6.3 Падение напряжения в катоде

В конструкции катода электролизера на 320кА применены новые решения (сплошные блоки сечением 515 на 450 мм с 2 пазами 290х90 мм для блюмсов 180х50мм, при этом блюмсы соединяются с блоками посредством клеевой массы на основе углерода). Это не позволяет использовать приведенное уравнение для расчетов. Поэтому падение напряжения в катодной части оценено на основании практических замеров и расчетов для уже эксплуатируемых ванн подобной конструкции:

Контакт между алюминием и блоком ? 0,069В

Падение напряжения в блоке 0,093В

Падение напряжения в клеевой массе 0,003

Контакт паста - блюмсы 0,016

Контакт блок-паста 0,003

Падение напряжения в блюмсах 0,147

Итого 0.331 В

2.6.4 Напряжения анодных эффектов

Для расчета превышения напряжения во время анодных эффектов принимается равным 30В, а их длительность 3 мин. Тогда падение напряжения, приходящееся на анодные эффекты при частоте «вспышек», равном 0,3 в сутки из-за применения современной АСУТП и АПГ точечного типа, будет составлять

В.

2.6.5 Падение напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите рассчитываем по уравнению, предложенному Форсбломом

,

где - удельное электросопротивление электролита, Омсм;

l - межполисное расстояние, см;

S_a - площадь сечения анода, см²;

2(А+В) - периметр анода Р, см.

Учитывая, что расположение анодов предусматривает раздвижку рядов анодов на 18 см, расчет падения напряжения верен для одного ряда анодов.

Удельное сопротивление электролита с учетом работы на к.о 2,2-2,4 принимаем как 0,521 Ом?см

Падение напряжения в электролите для межполисного расстояния 5,0 см составит

В.

2.6.6 Падение напряжения в катодной и анодной ошиновке

Падение напряжения в ошиновке рассчитывается по отдельным элементам ошиновки и прибавлением падения напряжения в контактах. На тех элементах ошиновки, в которых сила тока не изменяется по длине, падение напряжения может быть рассчитано по закону Ома.

Для участков ошиновки, где сила тока изменяется по длине, падение напряжения рассчитывается иначе. Если разбить такой участок ошиновки на элементы, в которых сила тока не изменяется, и затем просуммировать все падения напряжения на этих элементах, то получим фактическое падение напряжения на всем участке. Но это падение напряжения входит составной частью в электрический баланс, из которого дальше рассчитывается энергетический баланс электролизера. Если падение напряжения умножить на общий ток, то получим величину потерь мощности в ошиновке большую, чем на самом деле, поскольку не по всем элементам ошиновки проходит полный ток.

По данным практики величины падения напряжения на участках ошиновки следующие: катодная ошиновка, включая стояки, 125 мВ; анодная - 75 мВ. Общее падение напряжения 200 мВ.

2.6.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в обще серийной ошиновке рассчитывается исходя из длины шинопроводов, проходящих по торцам корпусов, средним проездам внутри корпуса и между корпусами. По данным практики эта величина составляет 0,05 В на каждую ванну.

Таблица 2.2 - Сводный электрический баланс электролизера

Участок цепи	Напряжение, В
1. Напряжение разложения 2. Анод 3. Электролит 4. Катод 5. Ошиновка 6. Обще серийная ошиновка 7. Повышение напряжения за счёт анодных эффектов	1,600 0,382 1,600 0,331 0,200 0,052 3,932
Греющее напряжение Рабочее напряжение Среднее напряжение	4,113 4,184 4,451

2.7 Энергетический баланс электролизера

При расчете новых электролизеров энергетические балансы дают возможность определить необходимую тепловую изоляцию электролизера, обеспечивающую сохранение теплового равновесия при принятых условиях процесса электролиза. Баланс характеризует материальный и энергетический обмен между электролизером и средой. Баланс базируется на первом начале термодинамики или, точнее, на термохимическом законе Гесса, который вытекает из первого начала и гласит, что тепловой эффект реакции зависит лишь от начального и конечного состояния системы.

Наряду с определением оптимальных условий работы электролизера, т.е. таких, при которых он бы работал с максимальной производительностью и минимальным расходом энергии, большое значение имеют вопросы интенсификации процесса электролиза. Определение путей интенсификации возможно только на основе тепловых и энергетических балансов, которые являются основными методами изучения характеристик электролизеров и позволяют улучшить их конструкцию и технические показатели.

Энергетический расчет заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этих составляющих.

Электролизер можно представить как систему, которая снабжается энергией за счет прохождения электрического тока и сгорания анода. Система расходует энергию на разложение глинозема и теряет ее с удаляемыми продуктами, а также через теплоотдающие поверхности.

Уравнение энергетического баланса электролизера можно представить в следующем виде

Q_эл+Q_реак+Q_ан=Q_р+Q_реак'+Q_мат+Q_м+Q_г+Q_п,,

где Q_эл - приход энергии в результате пропускания электрического тока, кДж/час;

Q_реак - выделение энергии в результате изменения энтальпии реакции:

2Al + 3CO₂ = Al₂O₃ + 3CO, кДж/час,

Q_ан - выделение энергии в результате сгорания анода, кДж/час;

Q_р - расход энергии на разложение глинозема, кДж/час;

Q_реак' - поглощение энергии в результате изменения энтальпии реакции

nС+nСО₂=2nСО, кДж/час,

Q_м - потери энергии с вылитым металлом, кДж/час;

Q_г - потери энергии с газами организованного отсоса, кДж/час;

Q_п -потери энергии с конструктивных элементов, кДж/час,

Q_мат - расход энергии на подогрев и расплавление материалов, вводимых в ванну, кДж/ч.

2.7.1 Расчет прихода энергии в результате пропускания электрического тока

Рассчитываем приход энергии от подведенного электрического тока

Q_эл= 3,6IU_гр,

где I - сила тока, А;

U_гр - греющее напряжение на электролизере, В;

3,6 - коэффициент перевода электроэнергии, кДж/час.

Q_эл= 3,63200003,932=4529664 кДж/час.

2.7.2 Выделение энергии в результате изменения энтальпии при реакции

2Al + 3CO₂ = Al₂O₃ + 3CO

По литературным данным принимаем изменение энтальпии данной реакции, равным: Н₉₆₀=13904,6 кДж/ч.

Q_реак= 0,335(1-_т)IН₉₆₀ ;

Q_реак = 0,336(1-0,93)32013904,6= 104651 кДж/ч.

• 2.7.3 Выделение энергии в результате сгорания анода. Приход тепла от сгорания анода вычисляется по следующей зависимости
• Q_aн=М_CO2 x Н_CO2 + M_CO Н_CO
• где М_{CO2 и} М_CO - мольные доли этих составляющих анодных газов, к/моль час. Из материального баланса они соответственно равны 2,564 и 0,418 кмоль/час.
• Н_CO2 и Н_CO - тепловые эффекты реакции образования СО₂ и СО при t=25?C. Соответственно они равны 393777 и 105141 кДж/моль
• Q_ан= 2,564393,777 + 0,418 105141 = 1053593 кДж/ч.
• 2.7.4 Расчет расхода энергии на разложение глинозема
• Q_pазл=Р_гл Н_гл ;
• Р_гл =I з10^-3/ 6F,
• где Н_гл - тепловой эффект образования оксида алюминия
• при 25?C - 1653503 кДж/моль
• Р_{гл =} 320000 х 0,93 х 10^-3 /6 х 26.8 = 1.85 моль;
• Q_pазл= 1,85 х 1653503 = 3058980 кДж/ч.
• 2.7.5 Расход энергии на расплавление и нагрев материалов, вводимых в электролизер
• Из материального баланса известен часовой расход материалов вводимых в ванну электролизера, а именно:
• - глинозем 194,2 кг;
• - обожженные аноды 54,9 кг;
• - фтористые соли 2,44 кг.
• Изменение их теплосодержания в пределах температур 25-960 С по литературным данным составляют:
• - для глинозема Н=1042,6 кДж/кг;
• - для фтористых солей, включая теплоту плавления Н=1783,7 кДж/кг;
• - для анодов Н=1385,9 кДж/кг.
• Расход тепла на нагревание:
• - глиноземаQ=194,21042,6=202473 кДж/ч
• - фтористых солейQ=2,441783,7=4352 кДж/ч
• - анодовQ=54,91385,9=76086 кДж/ч
• Итого, общий расход тепла на нагревание и плавление материалов вводимых в ванну электролизера составляет
• Q=202473+4352+76086=282911 кДж/ч.
• 2.7.6 Потери энергии с вылитым алюминием
• Количество выливаемого алюминия, отнесенное к единице времени равно количеству алюминия, полученному за тоже время, а, следовательно,
• Р_Al=кмоль,
• где _т- выход по току;
• F - число Фарадея, равное 26,8 Ач/моль;
• I - сила тока, кА.
• Температура выливаемого алюминия, соответствует температуре процесса, которая в данном случае равна 960 С. По литературным данным принимаем значение изменении энтальпии алюминия при температуре 960 С, равное 43950,94 кДж/кмоль и при температуре окружающей среды 25 С, равное 6711,76 кДж/кмоль.
• Потери тепла с вылитым алюминием определяем по следующей формуле
• Q_м=Р_Al(i_ал(Т₁) - i_ал(т₂)), кДж/ч,
• где i_ал(Т₁)-i_ал(Т₂) - соответственно теплоемкость алюминия при температуре процесса и при температуре окружающей среды, кДж/кмоль.
• Q_м=2,95(43950,94-6711,76)=109855 кДж/ч;
• Q_{Al =} P_Al C,
• где P_Al - 99,82 кг/ч
• C - изменение теплосодержания - 1393,3 кДж/кг
• Q_{A =} 99,82 х 1393,3 = 139079 кДж/ч.
• 2.7.7 Потери энергии с газами организованного отсоса
• Расчет производим на основании компонентов анодных газов, то есть на окись и двуокись углерода. Температуру отходящих газов принимаем равной 550 С.
• Потери тепла с газами организованного отсоса определяем по формуле
• Q_г=Рсо₂(ico₂[t₃] - ico₂[t₁])+Pco(i_co[t₃]-i_co[t₁]), кДж/ч,
• где ico₂[t₃] и ico[t₃] - соответственно изменение энтальпии двуокиси и окиси углерода при температуре отходящих газов t₃=550 С;
• ico₂[t₁] и ico[t₁] - соответственно изменение энтальпии двуокиси и окиси углерода при температуре окружающей среды t₁=25 С;
• Рсо₂ и Рсо - соответственно число киломолей в час СО и СО₂, которые мы берем из материального баланса электролизера
• Согласно литературным данным изменение энтальпии отходящих газов при температуре равной 550 С будут равны:
• ico₂[t₃] = 40458,98 кДж/кмоль и ico[t₃] = 24841,5 кДж/кмоль,
• при температуре окружающей среды, равной 25 С:
• ico₂[t₁] = 16433,98 кДж/кмоль и ico[t₁] = 8809,45 кДж/кмоль.
• Рсо₂ = 2,043 кмоль/ч; Рсо =0,333 кмоль/ч.
• Тогда общее количество тепла, уносимое с газами организованного отсоса, составит
• Q_г=2,564(40458,98-24841,5)+0,418(16433,98-8809,45) = 43230 кДж/ч.
• 2.7.8 Потери энергии с поверхностей электролизёра
• Процесс передачи тепла от конструктивных элементов электролизёра в пространство довольно сложен, из-за конфигурации теплоотдающих поверхностей, различных условий движения газов, омывающих поверхности и параметров лучистого обмена.
• В балансах, снятых с действующих электролизёров, все расчёты ведутся на основании измеренных температур поверхностей ванны и среды в корпусе.
• Различают три элементарных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию тепловое излучение. В действительности элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде встречаются редко, а виды теплообмена сопровождаются друг с другом.
• Потери тепла за счёт теплопроводности для плоской однослойной стенки определяются на основании закона Фурье и рассчитываются по уравнению
• Q_теп = Т / ,
• где - коэффициент теплопроводности, кДж/(мчград);
• - толщина стенки, м;
• Т - разница температур внутренней и наружной стенок, С.
• Конвективный теплообмен или теплоотдача - процесс переноса теплоты между поверхностью твёрдого тела и наружных стенок электролизёра определяется по формуле Ньютона - Рихмана
• Q_к = _к(t_c-t_в)F,
• где _к - коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки к воздуху и наоборот, кДж/м²ч;
• t_c, t_в - температура стенки и воздуха соответственно, С;
• F - площадь поперечного сечения стенки, м².
• В свою очередь коэффициент теплоотдачи можно найти по следующей формуле
• _к = Аt^1/3, кДж/м²ч,
• где t - разность температур стенки и среды, С;
• А - коэффициент, зависящий от свойств среды и определяющей температуры, под которой понимают t_m = 0,5(t_c - t_в)
• Зависимость коэффициента А от t_m приведена в таблице 2.3.
• Таблица 2.3 - Зависимость коэффициента А от определяющей температуры

tm, C	0	50	100	200	300	500	1000
А	6,07	5,91	4,77	4,06	3,56	2,93	2,01

• Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию в пространство. Потери тепла лучеиспусканием в общем виде представлено уравнением
• Q_л = С₀F[(T_С / 100)⁴ - (T_В / 100)⁴], кДж/ч,
• где - степень черноты тела, доли единицы;
• С₀ - коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрным телом,
• С₀ = 20,75 кДж/м²;
• - угловой коэффициент взаимного облучения данной поверхности соседними поверхностями, доли единицы;
• F - площадь поверхности, м²;
• Т_С, Т_В - температура стенки и среды, соответственно, К.
• Таким образом потери тепла конструктивными элементами электролизера рассчитываем по уравнению
• , кДж/ч.
• Энергетические балансы отражают как по существу, так и по форме не только тепловые, но и электрохимические и прочие процессы, происходящие в электролизёре. Таким образом, энергетический баланс понимается как сочетание электрического и теплового балансов.
• В общем случае подразумевается
• IU_гр = Е⁰_тI + Q_с,
• где U_гр - греющее напряжение, В;
• Е⁰_т - 2,21 В - напряжение разложения глинозёма при 950С;
• - выход по току, доли единицы;
• Q_с - потери тепла в окружающее пространство, Вт.
• Удельный расход электроэнергии
• W = кВтч/т.
• Полученный расход электроэнергии входит в рамки мировой промышленности. Лучшие электролизеры Саянского алюминиевого завода, находящиеся в опытно-промышленном корпусе электролиза и работающие при этой же силе тока с выходом по току 91,5-92 %, потребляют 14430 кВтч/т алюминия. Это говорит о том, что проектный электролизер оказывается еще более предпочтительным.

Возросшие требования к условиям труда и охране окружающей среды сделали конструкцию электролизеров с обожженными анодами наиболее перспективной, и сейчас вся мировая отрасль старается перейти именно на этот тип электролизера. Переход позволяет не только улучшить экологические и технологические показатели (расход электроэнергии, выход по току и др.), но и значительно увеличить единичную мощность агрегата, широко развивать автоматизацию процесса.

В проекте был произведен расчет электролизера с предварительно обожженными анодами на силу тока 320 кА и выходом по току 93 %, приведены материальные потоки, электрический и тепловой балансы.

Проектируемый электролизер имеет следующие параметры:

1.	Сила тока	320 кА
2.	Анодная плотность тока	0,71 А/см2
3.	Количество анодов	40 шт
4.	Размеры блока анода в плане	7001600 мм
5.	Высота блока анода	550 мм
6.	Количество подовых секций	27 шт
7.	Габариты шахты	156004000550 мм
8.	Расстояние от анодов
	до продольных стенок шахты	310 мм
	до торцевых стенок шахты	390 мм
9.	Выход по току	93 %
10.	Расход электроэнергии	13414 кВтч/т
11.	Среднее напряжение	4,184 В
12.	Суточная производительность	2400,0 кг
13.	Срок службы электролизера	1800 суток

2.8 Расчёт цеха электролиза

2.8.1 Краткие сведения об электролизном цехе

Падение напряжения на электролизёре невелико (4,0 - 4,5 В), и поэтому они соединяются последовательно в большие группы, которые подключаются к кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Общее количество ванн в серии зависит от напряжения, которое может обеспечить КПП, и падения напряжения на каждом электролизёре и составляет 80 - 200 штук. Они располагаются в одном или двух корпусах, длина которых достигает 800, а ширина - 30 м.

Проектируемый цех электролиза состоит из двух серий, корпуса которого располагаются вдоль господствующего направления ветра. Все корпуса стоят параллельно и связаны между собой соединительным коридором, который пересекает все корпуса примерно в середине их длинной стороны. Этот коридор используется для связи корпусов с литейным отделением и другими службами.

2.8.2 Расчёт количества ванн и производительности серии

Количество ванн, которое может быть последовательно включено в серию, зависит от выпрямленного напряжения, которое способна выдать преобразовательная подстанция. Верхний предел напряжения на серии определяется условиями электробезопасности, так как несмотря на принимаемые меры, с повышением напряжения увеличивается вероятность поражения человека током.

Исходя из этих соображений, применяемое напряжение на установках электролиза алюминия U_с на некоторых зарубежных заводах достигает 1000 В, но оно не должно превышать 850 В, так как отечественная электротехническая промышленность ориентируется на выпуск именно такого оборудования.

При расчёте количества действующих ванн N необходимо не только учитывать рабочее напряжение на ванне U_р, но и предусматривать потери напряжения в общесерийной ошиновке U_о.о и резерва напряжения на КПП для поддержания силы тока серии при одновременном возникновении нескольких анодных эффектов U_а.э..Тогда

N = (U_с - U_о.о - U_а.э.) / U_р = (850-0,03 - 30) / 4,264 = 210.

Количество установленных электролизеров N_y будет тем больше, чем меньше срок службы ванн Т_м.р и чем больше продолжительность их ремонта Т_р.

Тогда

N_y = N · Т_м.р / (Т_м.р - Т_р ) =210 ·1560 / (1560 - 13) = 211

Принимаем количество установленных электролизёров 211.

Годовая производительность серии Q_c определяется уравнением

Q_c =Т_д ·24·0,336·I · N · з_i · 10^-3 = 360· 24 · 0,336 · 262 · 211 ·0,93 = 149251,84,

где Т_д - действительный фонд времени работы электролизёра. Тогда производительность цеха составит:

149251,84 · 2 = 298503,68 тонны.

3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

В составе Павлодарского электролизного завода предусмотрена автоматизированная система управления основными технологическими процессами и производством первичного алюминия, анодной продукции, а также объектами вспомогательного производства. Объектами управления являются:

3.1 Производство первичного алюминия

- цех электролиза алюминия - 2 корпуса электролиза, оснащенных 288 электролизерами с обожженными анодами на 320 кА;

- выпрямительная подстанция (ВП), литейное отделение, оборудованное поворотными миксерами (5 шт.) и разливочными машинами для получения слитков из первичного алюминия (4 линии);

- отделение очистки газов от электролизеров, оборудованное 4 установками сухой газоочистки:

3.2 Производство обожженных анодов

- смесильно-прессовое отделение по производству "зеленых" анодов, оборудованное дробильно-размольными установками и грохотами, смесителями и вибропрессовой установкой;

- цех обжига анодов с 2 обжиговыми печами;

- отделение очистки газов от производства обожженных анодов;

- анодно-монтажное отделение, оборудованное поточно-транспортной линией для очистки и переработки огарков анодных блоков, установкой для плавки чугуна, заливки анодных штанг и монтажа новых анодов;