Основы расчета алюминиевого электролизера

Высота анода H_а определяется из суммы высот конуса спекания h_к (принимаем 1100 мм) и уровня жидкой анодной массы h_ж (принимаем 350 мм). Отсюда:

 

 Н_а = h_к + h_ж = 1100 + 350 = 1450 мм.

Внутренние размеры  шахты электролизера определяем из найденных размеров (длины и ширины) анода и расстояния до стенок бортовой футеровки электролизера.

Опытом эксплуатации электролизеров установлено, что оптимальное  расстояние от продольной стороны анода  до боковой футеровки должно составлять 550—650 мм, а и торцовой части 500—600 мм в зависимости от типа и мощности электролизера. Принимаем это расстояние для продольной стороны а=600 мм, а для торцовой b=550 мм. Тогда внутренние размеры шахты электролизной ванны составят:

 ширина

 

 В_ш =В_а +2а = 2700+2·600=3900 мм;

 

 длина 

 

L_ш = А + 2b = 8470 + 2·550 = 9570 мм.

 

Глубина шахты ванны (H_ш) при уровне технологического алюминия h_м =320 мм, электролита h_э=180 мм и толщине корки электролита с глиноземом в шахте ванны h_г=50 мм составит:

 

Н_ш = h_м+ h_э + h_г = 320 + 180 + 50 = 550 мм.

 

Конструкция катода. Основные размеры конструктивных элементов сборноблочного катодного устройства определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и стальных токоподводящих стержней.

Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой 400 мм, шириной 550 мм и длиной от 600 до 2200 мм. При ширине подины ванны 3900 мм выбираем длину катодных блоков, равную 2000 мм и 1600 ми. Тогда расстояние между катодными и боковыми блоками по продольной стороне шахты ванны будет равно:

 

  =130 мм,

 

где 40—ширина шва между  катодными блоками, мм.

Расстояние между катодными  и боковыми блоками в торцах шахты  ванны будет равно:

 

  =4500 мм,

 

где 10—число катодных блоков в ряду;

      9—число набивных швов между катодными блоками.

Таким образом, подина электролизера  будет смонтирована из 20 катодных секций с перевязкой центрального шва по 10 секций в ряду. В паз каждого  блока заделываются чугуном катодные стержни сечением 115х230 мм, длиной 2590 мм для блоков 400x550x2000 и длиной 2190 мм—для блоков 400x x550x1600 мм.

Размеры катодного кожуха. Внутренние размеры кожуха определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве боковой футеровки угольных плит толщиной 200 мм и теплоизоляционного слоя толщиной 60 мм, а для полипы шахты ванны, кроме катодных блоков высотой 400 мм, угольной подушки 30 мм, 
теплоизоляционного слоя из 5 рядов кирпича по 65 мм каждый и шамотной засыпки толщиной 50 мм, внутренние размеры катодного кожуха составят:

длина

 

L_кож = L_ш + 2 (200+ 60) = 14860+ 2 (200 + 60) = 15380 мм;

 

ширина

 

L_кож = В_ш + 2 (200 + 60) = 3900 + 2 (200 + 60) = 4420 мм;

 

высота

 

  H_кож = H_ш + 400 + 30 + 5 ·65 + 50 == 550 + 400 + 30 + 5· 65 + 50 =1355 мм.

 

Принимаем катодный кожух  контрфорсного типа с днищем. Число  контрфорсов зависит от длины  кожуха. Расстояние между контрфорсами принимается равным или кратным  расстоянию между катодными токоподводящими стержнями. В рассматриваемом случае число контрфорсов определяем равным 18—по 9 с каждой продольной стороны кожуха.

 

2.3 Материальный  расчет электролизера

Известно, что в процессе электролиза криолито-глиноземного расплава образуется алюминий; при этом расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных оксида и диоксида углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате уноса пыли вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода 
часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих коксования.

При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья на производство алюминия. Расчет обычно ведут на 1 ч работы электролизера.

Производительность электролизера (Р) в час при силе тока I=260000 А и принятом выходе по току η_т=86,5 % составляет:

 

P=0,335*I*η_т = 0,335 • 260 000 • 86,5 • 10^-5 =75 кг/ч (округленно).

 

Расход сырья зависит  от типа электролизера, условий вентиляции, применяемых средств механизации  и автоматизации процесса и ряда других факторов.

Обычно расход сырья  определяют на основании накопленного в промышленности опыта эксплуатации электролизеров и уточняют при обязательных испытаниях группы электролизеров новой конструкции перед внедрением их в промышленном масштабе.

На основании передового опыта эксплуатации алюминиевых  электролизеров и конструктивных особенностей принятого для расчета электролизера принимаем следующие расходы сырья на 1 кг получаемого алюминия, кг: глинозема 1,920; фтористого алюминия 0,025; криолита 0,020; анодной массы 0,530.

При этом расход сырья  для получения 46 кг/ч алюминия составит: глинозема 75•1,92= 144 кг/ч; суммы фтористого алюминия и криолита 75(0,025+0,020) = 3,375 кг/ч; анодной массы 75•0,53= 39,75 кг/ч.

Теоретически расход глинозема должен составлять 1,89 кг на 1 кг алюминия. Полученные в рассчитываемом варианте потери глинозема (1,92—1,89)•75=2,25 кг/ч объясняются наличием и его составе примесей и механическими потерями.

Расход анодной массы  обусловлен в основном реакциями, протекающими у анода. Для расчета количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющимся в результате электролитического разложения глинозема, принимаем, по данным практики, состав анодных газов, % (объемн.): СО₂ 60 и СО 40.

При получении 75 кг алюминия выделится кислорода

 

  =66,6 кг,

 

где 48 и 54 соответственно количество кислорода и алюминия в глиноземе.

Из этого кислорода  перейдет:

 в состав СО₂

 

  = 49,95 кг,

 

 в состав СО

 

=16,65 кг,

 

 где 60 и 40—содержание  СО₂ и СО соответственно, % (объемн.).

Отсюда можно рассчитать количество углерода, связанного в  СО₂ (углекислый газ):

 

=11,518,73 кг,

 

 в оксид углерода  СО (угарный газ):

 

=12,48 кг.

 

Таким образом, при получении 46 кг алюминия в час выделяется СО₂

 

Рсо₂ =49,95+18,73 = 68,68 кг/ч;

 

оксида углерода:

 

 Рсо=16,65+12,48 = 29,13 кг/ч.

 

По данным материального  расчета можно составить материальный баланс электролиза (таблица 2.3.1).

 

Таблица 2.3.1 - Материальный баланс электролизера на силу тока 260 кА

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
Глинозем	144	76,95	Алюминий	75	40
Фтористые соли	3,375	1,8	Анодные газы	97,81	52,26
Анодная масса	39,75	21,25	Потери:
			глинозем	2,25	1,2
			фтористые соли	3,975	1,8
			анодная масса	8,69	4,74
ИТОГО	187,125	100,0	ИТОГО	187,125	100,0

 

2.4 Электрический  расчет электролизера

Электрическим расчет состоит  в определении сечения и длины  токоподводящих проводников электролизера  и составляющих среднего напряжения.

Расчет токоподводящих проводников

Сечение шинопровода, подводящего  ток к электродам, определяют по величине силы тока и плотности тока в шинах. Для выбора расчетной плотности тока в шинопроводах Л. Л. Костюковым предложена следующая зависимость экономичной плотности тока (d_эк, А/мм²):

 

d_эк = ,                                            (4)

 

где А—стоимость ниш, руб/т;

     d—плотность шин, г/см3;

     b—срок амортизации шинопровода, годы;

      b_н — нормативный срок окупаемости капитальных вложений, годы;

       p—удельное электросопротивление шинопровода, Ом*м или (Ом*мм²/м), 
       а_э — стоимость 1 кВт • электроэнергии, руб.

Для упрощения дальнейших расчетов принимаем одностороннюю  схему ошиновки, состоящую из алюминиевых  шин, собранных в пакеты одинакового сечения по всей длине. Плотность тока в стояках, анодных и катодных пакетах принимаем равной 0,3 А/мм².

При этих условиях сечение  ошиновки для рассматриваемого электролизера  будет равно:

 

S_ш = = = 866667 мм² (округленно).

 

Для обеспечения заданной плотности тока при условии применения шин сечением 430-65 мм число их составит:

 

= 31 шт.

 

Принимаем 32 шин, которые собирают в пакеты по 16 шин, располагаемые с двух сторон электролизера.

Ток к аноду подводится четырьмя рядами вертикально расположенных  сталеалюминиевых штырей. Из конструктивных размеров анода принимаем длину  стальной части штыря 1400 мм и алюминиевой 1000 мм.

 Число штырей и  площадь их сечения определяем  из условия оптимальной средней токовой нагрузки на штырь около 2000 А и плотности тока для стали d_ст=0,2 A/мм².

Число штырей:

 

K= =130 шт.

 

Для удобства размещения штырей и аноде принимаем А=80 шт. При этом площадь сечения стальной части штыря будет равна:

 

S _шт = = =10000 мм².

 

При этом средний диаметр  стальной части штыря составит 115 мм. Принимаем штырь с максимальным диаметром рабочей части 130 мм, минимальным  диаметром рабочей части 100 мм, высотой конусной части 900 мм.

Конструктивным расчетом число катодных стержней определено равным 20 при поперечном сечении S_к.с=115·230 мм. Плотность тока в них составит:

 

d_к.с = = =0,49 А/мм².

Стальные катодные стержни соединяются с алюминиевыми шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент, приваренных к катодным стержням ,и шинам. Среднюю длину соединительных пакетов принимаем из конструктивных соображений равной 800 мм. Сечение пакета из алюминиевых лент при допустимой плотности тока в них 0,7 А/мм² составит:

 

S_п= = 18571 мм².

 

Принимаем стандартные  алюминиевые ленты сечением 1·5200 мм. Тогда число лент в пакете составит:

 

n_л = = 61,9; принимаем 62 ленты в пакете.

 

Исходя из размеров анодного и катодного устройств, общую  длину катодных пакетов принимаем  равной 8100 мм, анодной ошиновки 7600 мм, стояков 3000 мм.

Составляющие среднего напряжения

Составление баланса  напряжения электролизера заключается  в определении составляющих падения напряжения (U_ср), В:

 

U_cp = ∆ U_а.у + ∆U_э + ∆U_к.у + ∆U_{а. э} +∆U_н._р + ∆U_о.о,                     (5)

 

где ∆U_а.у—падение напряжения в анодном устройстве, В;

     ∆U_э—то же, в электролите, В;

     ∆U_к.у—то же, в катодном устройстве, В;

     ∆U_а.э—доля падения напряжения от анодных эффектов, В;

      ∆U_н._р—обратная э.д.с., В;

      ∆U_о.о—падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

Падение напряжения в  анодном устройстве состоит из суммы  падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде.

Падение напряжения в  анодной ошиновке (∆U_а.о), состоящей из стояков длиной L_ст=3,0 м и анодных пакетов длиной L_п=7,6 м одинакового сечения S=12·430·65=335400 мм², но которым протекает ток силой I=260000 А, определяется как

 

∆U_а.о=Ir_а.о.                                                (6)

 

Для определения электросопротивления анодной ошиновки r_а.о необходимо найти удельное электросопротивление алюминия (p_t) при средней температуре работы анодной ошиновки, рапной t₁=50°C. Принимаем удельное электросопротивление алюминия при t=20 °С, р_о=0,020 Ом-мм²м, α =0,004. Тогда:

 

p_t = p_о [1 +α (t₁—t)] == 0,029 [1 +0,004 (50—20)] =0,035 Ом • мм²/м.

 

Отсюда электросопротивление в анодной ошиновке будет равно: