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1、铝电解车间工艺设计,主要内容,概述,主体设备的设计,技术条件及技术经济指标的选择,冶金计算,车间配置,铝电解的基本知识,1、铝的性质与应用,密度小、导电性好,熔点为660.37，万能金属 绿色、低碳、节能、生态,一.概述,现代铝工业生产普遍采用冰晶石氧化铝熔盐电解法。电解铝在熔盐电解槽中进行，以氧化铝为原料，熔融的Na3AlF6 -Al2O3为电解质。采用炭素材料作阳极，铝液作阴极，在直流电作用下进行电化学反应。,一,冰晶石,氧化铝,氟化盐,炭素材料,直流电解,气体净化,载氟氧化铝,废气,阳极气体,铝液,铸造,铝锭,澄清或净化,残极,返回炭素生产线,烟气,原料,铝电解过程的主要原料Al2O3
2、铝电解对其化学纯度要求： 比铝更正电性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等）含量有要求； 比铝负电性元素，如碱及碱土金属等，电解时与氟化铝反应，使其损失，分子比改变； 水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。,铝电解对其物理性能要求： 具有吸水性小，活性大，粒度适宜，在电解质中溶解性好等，同时要求能够严密地覆盖阳极，以防止阳极暴露在空气中被氧化，保温性能要好。 这些性质主要取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。 根据氧化铝的物理性能不同，可分为砂状、粉状和中间状。,辅助生产材料,Na3AlF6因外观酷似冰而得名冰晶石，分为天然冰晶石和人造冰晶石，仅格陵兰岛有天然冰
3、晶石，一般用人造冰晶石。 冰晶石生产方法有：酸法、碱法、干法和磷肥副产法等，其中酸法应用最广。,冰晶石,冰晶石-氧化铝熔体的结构,冰晶石的晶体结构,氟化盐,氟化盐包括NaF、AlF3、CaF2和LiF等。其作用如表所示,炭素材料,炭素材料耐高温，抗腐蚀，导电良好，有足够的机械强度和热稳定性。,生产炭素阳极的原料：骨料和粘接剂两部分 1、骨料-石油焦、沥青焦 对骨料的要求： 灰分含量不能过高，会因带入杂质而影响铝的质量； 硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高； 钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。 2、粘接剂-沥青 其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭
4、糊焦化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。,技术条件及技术经济指标的选择,技术条件,电流,电流槽的大小一般称为电流槽的容量，皆以电流大小表示。电流槽的电流反映了电流槽的单槽产能。,法国彼斯涅公司对年铝产量均为20万t/年、分别采用180kA与300kA两种容量电流槽的方案做了比较(见表83)。结果表明，建一个系列240台300 kA的电流槽与建两个系列400台180kA的电流槽相比，总投资节约15%。,电流,静电除尘器的除尘效率可达99%以上，压力损失小于500Pa。,技术条件,面积电流,设计与生产中总是取阳极面积电流作为设计与计算的基础。,电解质水平与铝水平,电解质水平是指电解槽中
5、电解质的深度。同样，铝水平是指电解槽中铝液的深度。电解质水平为1622cm，铝水平为2030cm。,极距,阳极底面与铝液镜面间的距离称为极距。通常情况下极距不小于4cm。,技术条件,电解质分子比,电解质中NaF与AlF3的物质的量之比称为电解质分子比，简称分子比。目前分子比多选为2.22.8。,效应系数,阳极效应(简称效应)是熔盐电解过程中发生在阳极上的特殊现象，电解槽发生效应期间其输入功率为平常的数倍，同时电解过程基本停止，导致电解质过热，电流效率降低，并耗费大量电能，不利于生产。某一系列电解糟平均每台电解槽每天发生阳极效应的次数称为效应系数，是电解槽系列是否正常运行的标志。,技术经济指标,
6、电流效率,电能效率,=(1000000Q)/(0.3356It)100% 式中 电流效率，% q每台电解槽的铝产量，t I电流，A t电解时间，h,式中 电流效率，% V平均电解槽的实际电压，V I电解槽的电流，A 电解时间，h 0.3356铝的电化当量，g/(Ah),E0 为氧化铝可逆分解电压； 为阳极反应过电压； 为阴极过电压； Ra 为阳极电阻； Rc 为阴极电阻； Re 为电解质电阻； Rx 为母线电阻； Ve 为效应分摊电压； VB 为槽间电压和电解厂房到整流所之间母线电压降的分摊电压之和。,槽平均电压,槽平均电压,槽工作电压,效应分摊电压 Ve,槽间电压、厂房外母线分摊电压 V黑,
7、技术经济指标,氧化铝单耗,炭阳极单耗,氟化盐单耗,上世纪6080年代以前广为使用现仍有少量存在的侧插阳极棒自焙阳极电解槽,主体设备的设计,上世纪6080年代广为使用的上插阳极棒 自焙阳极电解槽,主体设备的设计,在上世纪6070年代，上插棒自焙阳极电解槽在世界范围内得到了很大发展，其电解槽的最大电流强度达到了170180kA。,图3.3 当代的预焙阳极电解槽,主体设备的设计,国外主要槽型的技术指标,国内外铝电解技术现状,主体设备的设计,国内外工业铝电解技术现状,国内外电解槽的典型参数,主体设备的设计,国内主要铝厂,抚顺铝厂中国最早的铝厂 百色平果铝厂中铝公司 贵州铝厂 中国铝业公司 青海铝厂中国
8、铝业公司 青铜峡铝业集团公司 云南铝业股份有限公司 包头铝业集团公司 总电投集团旗下的铝厂 兰州铝业股份有限公司和兰州连城铝业有限公司 郑州铝厂中国铝业公司,主体设备的设计,主体设备的设计,平果铝厂,平果320KA铝电解,抚顺230KA铝电解,主体设备的设计,主体设备的设计,贵州铝厂200KA,贵州铝厂烟气净化系统,青海200KA铝电解槽,伊川300KA铝电解槽,主体设备的设计,南山300KA铝电解槽,兰州200KA铝电解槽,主体设备的设计,青铜峡200KA铝电解槽,主体设备的设计,电解槽的主体结构,主体设备的设计,出铝操作（法国300kA槽）,主体设备的设计,主体设备的设计,大型预焙电解槽结
9、构阴极结构 、上部结构、母线结构、电气绝缘。 阴极结构 槽壳、内衬砌体。 槽壳槽壳为内衬砌体外部的钢壳和加固结构，是生产期间成装铝液、电解质的容器。分有底槽和无底槽。 内衬砌体分为四种材质：碳质内衬材料、耐火材料、保温材料、粘结材料。 内衬气体在筑炉过程中自槽壳下部向上依次为：石棉板、硅酸钙板、保温砖、防渗料、阴极炭块、扎固糊料、侧部炭块。 侧部炭块种类|普通材质炭块、碳化硅结合氮化硅。,主体设备的设计,上部结构承重桁架、阳极提升装置、自动打壳下料装置、阳极母线和阳极组、集气排烟装置。 阳极提升装置有两种方式：一种是采用涡轮蜗杆螺旋起重器阳极升降机构，另一种是采用滚珠丝杠三角板阳极升降装置。
10、自动打壳下料装置有打壳系统（打壳气缸和打击锤头）、下料系统（料仓和筒式下料器）。 阳极母线和阳极组阳极母线是由两条平行母线和中间进点联络母线组成。阳极组由：炭块、钢爪、铝导杆组成。,主体设备的设计,母线结构电解槽的母线结构由阳极母线、阴极母线、立柱母线、软母线一个一个串连在一起的。可分为压延母线、铸造母线两种。 电气绝缘电解槽绝缘部位较多，槽壳对地，阳极对阴极等。,图4-2-8,预焙阳极块生产的基本工艺流程图,主体设备的设计,我国现行大型预焙槽阳极的主要技术参数,我国现行的阳极炭块质量标准（GB874288）,主体设备的设计,国外现代预焙槽炭阳极质量要求,主体设备的设计,成型,制备 阳极生块,
11、主体设备的设计,阳极仓库,主体设备的设计,吊装阳极生块,主体设备的设计,碳阳极放置图,主体设备的设计,碳阳极残极图,主体设备的设计,电解槽设计参数的选择,阳极尺寸,预焙阳极炭块尺寸，视阳极排列与组数不同，长度各异，而宽度一般为500-750cm。高度一般在550mm，过低则残极率增大，过高则阳极上的平均电压增高。,槽膛深度主要取决于电解质水平、铝水平及操作工艺制度，一般取400600mm。大型预焙阳极电解槽的槽膛深度通常取550600mm。,槽膛深度,阳极到槽帮的距离,阳极到槽帮的距离对电解楷的工作影响很大。距离过大，则热损失大；过小，则不便操作。预熔阳极电解槽的这个距离，大多取450mm。,
12、母线面积电流,铝电解槽上母线用量很大。一个中型电解槽约需铝母线69t，而大型电解槽铝母线的用量高达2535t。,计算举例:某铝厂电解槽设计电流为160kA，电流效率为90%，则每台电解槽理论日产原铝量按下式计算：,冶金计算,一般物料平衡计算,氟平衡计算,A 铝电解槽氟的收入量。,(2)净化回收系统回收后随氧化铝加入。合计吨铝27.2-0.544-0.347=26.31kg,冶金计算,(1) 随氟盐加入。合计吨铝13.42+2.12=15.54kg,上述两者之和即为铝电解槽氟的收入量，共计为吨铝15.54+26.31=41.85kg,一般物料平衡计算,氟平衡计算,B 铝电解槽氟的支出量。,(2)
13、随残极吸收带走的氟量为吨铝0.3kg,冶金计算,(1) 槽内衬吸收氟量为吨铝6.05kg,铝电解槽氟的支出量，共计为吨铝6.05+0.3+27.2+3+5.3=41.85kg,(3)水解、挥发、飞扬进入烟气的气态和固态氟量为吨铝27.2kg,(4)机械损失氟量为吨铝3kg,(5)电解质增量消耗氟。耗氟量为5.3kg,一般物料平衡计算,铸造金属平衡计算,冶金计算,以年产能力为10万吨/年的电解铝厂为例，原铝铸造损失率为0.5%,铸造金属平衡见表8-10,表8-10 铸造金属平衡表,铝电解槽的能量平衡及其计算,冶金计算,在稳定状态下，供给电解楷体系的能量等于电解过程需要的能量与从电解槽体系损失的热
14、能之和，这就是电解槽的能量平衡。,目的：在设计电解槽工程中，通过能量平衡计算可以确定出电解槽适宜的保温条件，即确定出适宜的热损失与恰当的极间距离，并为调整电解槽的热损失的分配与事先估计电能效率提供必要的资料。,能量平衡计算的温度基础、体系、体系电压及时间,温度基础,指计算所假定采取的初始温度。通常取电解温度为计算基础，或者取0或25作计算基础。,计算对象的边界范围，它应该包括电解槽体。对有罩预焙槽，可取槽底槽壁槽罩槽壁为边界范围。对无罩预焙槽，可取槽底槽壳槽面阳极为边界范围。,体系,体系电压,计算对象边界范围以内的电压降。对于带罩的预焙槽，体系电压是从铝导杆起至阴极樟头为止一段线路上的电压降。
15、对于不带罩的预焙槽来说，体系电压则取从钢爪起到阴极棒头止一段线路上的电压降。,时间,通常取1h或24h。,铝电解槽的能量平衡及其计算,铝电解槽的能量平衡式,以0为计算温度基础，解槽能量平衡涉及的项目如图8-14所示.,铝电解槽的能量平衡及其计算,图8-14 以0为计算温度基础的能量平衡示意图,铝电解槽的能量平衡式,铝电解槽的能量平衡及其计算,能量收入项为： (1)电力供给计算体系的能量Q电能； (2)原料带入计算体系的能量Q原料t1-0； (3)阳极气体在离开计算体系之前放出的热量(其中包括因气体温度降低和烘烧而放出的热量) Q气体t3-t2 。,能量支出项为： (1)电解反应消耗的能量Q反应
16、0 ； (2)铝液带走的热量Q铝液0-t3 ； (3)阳极气体带走的热量Q气体0-t3； (4)残极带走的热量Q残极0-t3； (5)电解格计算体系向周围环境通过传导、对流和辐射而损失的热量Q损失。,铝电解槽的能量平衡式,铝电解槽的能量平衡及其计算,以0为计算温度基础，能量平衡式为,铝电解槽的热损失,铝电解槽的能量平衡及其计算,传导热损失,铝电解槽槽底与槽帮由内向外的热损失属于传导热损失,铝电解槽的热损失,铝电解槽的能量平衡及其计算,对流热损失,铝电解槽的热损失,铝电解槽的能量平衡及其计算,辐射热损失,电解铝生产系统,电解铝厂生产系统包括电解、铸造、氧化铝储运、烟气净化、阳极组装等工段或车间。,铝电解车间的主要任务是生产液态原铝，主要生产和辅助设备为铝电解槽、电解多功能机组，母线转接装置。,电解车间,电解车间
