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1、3.2.5反应生成的气体量 133.3热平衡计算 143.3.1 计算体系的选择 143.3.2 能量平衡计算数据基础 143.3.3 能量收入 153.3.4 能量支出153.4槽体的设计163.4.1 主要设计参数 163.4.2 阳极炭块组203.4.3 阴极装置203.4.4 铝母线设计213.4.5 槽体上部结构22参考文献： 24一、已知条件年产量：20万吨；电流强度：280KA ；电流效率：90%；电解槽单槽年实际工作天数：360天；阳极尺寸：1600mmX 660mmx 550mm；二、设计内容1、 概述1.1铝电解工艺原理及生产技术发展情况1.1.1 铝电解工艺原理及生产技术
2、发展情况铝在自然界中分布极广，地壳中铝的含量约为8%,仅次于氧和硅，居第三位。但在各种金属元素中，铝居首位。铝的化学性质十分活泼，故自然界中极 少发现元素状态的铝。含铝的矿物质总计有250多种，其中主要是铝土矿、高岭土、明矶石等。铝的电负性较负，无法通过水溶液电解铝的化合物获得金属铝，而只能通 过熔盐电解或有机物电解获得。铝的电解最初方法是 Ha卜Heroult（霍尔一埃鲁）法，基本原理为 AI2O3的电 化学分解反应，冰晶石是熔剂，并有添加剂AIF3, CaF2, MgF2和LiF等，将氧化铝熔入其中形成一种复杂的熔盐体系，并且熔体中可产生传导电流的离子 （钠离子和各种络合离子），用碳素材料
3、作为阴、阳极材料，通入直流电，含氧 络合离子在阳极放电并氧化碳素阳极析出CO2和C0气体，同时含铝络合离子在阴极放电得到熔融金属铝，沉积于阴极，反应式为：AbO3+3/2C=2AI + 3/2CO 2而现代工业主要在上述方法的基础上进行的改进，其主要原理和 HallHeroult（霍尔一埃鲁）法一样，知识在上述方法上进行改进。冰晶石一氧化铝熔盐电解法（现代电解铝的主要方法）制取金属铝，熔融的冰晶石是熔剂，氧化铝作为溶质溶解在其中，以碳素体为阳极，以铝液为阴极，当强大的直流电流通过电解槽，于930C960E下发生电化学反应，阳极产物主要是CO2和CO气体，电解反应方程式（总、阴、阳）为：阳极反应
4、：3O2-（络合的）+1.5C-6e=1.5CO2 （气）阴极反应：AI3+3e=AI（液）总反应为：Al2O3+1.5C=2AI（液）+1.5CO2 （气）铝液用真空抬包抽出，经净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其质量可达99.5%99.8%AI，或直接加 工成线坯、型材等。阳极气体中含有70% 80%CO2和20%30%CO,以及少量氟化物（HF）、沥青烟气和固体粉尘，经过 净化之后，废气排放入大气，回收的氟化物返回电解。电解铝过程的简单描述 为：溶解的氧化铝- 液态铝（阴极）+气态物质（阳极）1.1.2 工艺流程在铝电解工业生产中，冰晶石氧化铝作为熔剂，铝液的密度大于电解质溶 液，铝液在下
5、层。随着电解过程的不断进行，铝液也不断增加，然后通过天车 用真空包定期性的从电解槽中将铝液吸出，运往铸造车间，再经过净化、浇铸 成商品铝锭。阳极生成的 CO和CO2经过净化回收，从烟囱排入大气，其工艺 流程图见下图1。图1铝电解生产工艺流程1.1.3 设备流程图2铝电解设备流程图1.2铝电解的原、辅料情况1.2.1 原料铝电解的原料是氧化铝，工业氧化铝是从铝土矿中提炼出来的，为白色粉 状物，熔点为2050C，沸点为3000r，它的流动性很好，不溶于水，能溶于冰 晶石熔体中。铝电解对于原料氧化铝的要求，首先是化学纯度，其次是物理性 质。在化学纯度方面，要求氧化铝中杂质的含量和水分要低，工业氧化铝
6、中通 常含有少量的 SiO2、FqO、TiO2、NqO CaO和 HO。在电解过程中， SiO2和 FQ优于氧化铝被还原，产生 Si和Fe进入铝液，降低铝的品位，而 NqO CaO会分解冰晶石，使电解质组分发生变化并增加氟盐消耗量。另外，水分也 会分解冰晶石，会引起氟盐消耗，增加铝液中的氢含量且会产生HF气体污染环境。在物理性能方面，通常要求其具有较小的吸水性，粒度适宜，能够较多较 快地溶解在熔融冰晶石里，加料时的飞扬损失要小，并且能够严密地覆盖在阳 极炭块上，防止其暴露于空气中被氧化。另外，氧化铝覆盖在电解质结壳上， 还起到良好的保温作用。用于气体净化时，要求氧化铝具有较好的活性和足够 的比
7、表面积，从而能够有效地吸收 HF气体。工业用氧化铝通常是两种同素异构体的混合物，即a - AI2Q和丫 - AI2Q，它们之间的比例，对氧化铝的物理性质能有直接影响。1.2.2 辅料冰晶石是铝电解中氧化铝的溶剂，而氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等氟 化盐则是用作调整和改善电解质性质的添加剂，这些氟化盐是铝电解生产中的 副原料。氧化铝是铝电解生产中主要的添加剂，主要用于降低电解质的分子 比，从而降低电解质温度。氟化钙是由天然萤石经过精选而得，其成分是CaF95%, CaC82%,SiQ1%初期便于形成炉膛，提高电流效率。氟化镁和氟化锂是由精氟酸分别与有关的碳酸盐作用而制得，工业氟化镁 含MgF9
8、0%-95%有利于碳和电解质分离，有利于 Al和电解质分离，有利于打 开结壳。2、技术经济指标2.1技术条件2.1.1 电流铝电解槽的电流经历了由小到大的发展过程，它反映了电解槽的单槽产能.随着电解槽电流的增加，可带来如下好处：电解厂房及电解槽单位产品的基建投资降 低；变电所整流所等必要的辅助生产设施及工人的生活福利设施等都相对减 少。本设计的电流选择280 KA2.1.2 电流密度面积电流是电解槽的一个重要技术参数，其定义是电流对导电面积的比 值，即 I；：二 ,5其中D电流密度，A/cmi；I 电流，A；S导电面积，cmio由于铝电解槽中导电的电解质的断面不是均一的，导致电解质面积电流的
9、实际计算比较困难。因此，在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。2.1.3 电解质水平与铝水平电解质水平是指电解槽中电解质的深度。铝水平是指电解槽中铝液的深。 通常电解质水平为1622cm,铝水平为203Ocmo设计取电解质水平为：20cm铝水平为：20cmo2.1.4 极距阳极底面与铝液镜面间的距离称为极距。极距的变化会引起电解质压降的 变化，从而造成槽电压波动，影响电解槽的能量平衡，进而引起氧化铝浓度的 改变，结果影响电流效率。所以极距要保证在一定的范围内，通常极距不小于 4.0cmo本设计取极距为：4.5cm。2.1.5 电解质分子比电解质中NaF的摩尔数与AIF3的摩尔
10、数之比称为电解质分子比，简称分子 比。电解质分子比与电解温度相适应，一般选择高分子比的电解质，其电解温度也相应提高。目前国内铝厂多选择较低分子比的电解质组成，一般为2.22.6。本设计取电解质分子比为：2.4。2.1.6 电解温度为使电解能正常进行，电解温度一般至少高于电解质初晶温度20C以上，但随电解温度升高，电流效率会有一定程度的降低。电解温度一般在930r960 C。本设计取电解温度为：950C。2.1.7 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,电解效率降低，并耗费大量电能，不利
11、于生产。某一系列电解槽平均每台电解槽每 天发生阳极效应的次数称为效应系数，是电解槽是否正常运行的标志。随着自适 应控制技术在铝电解槽上的应用，效应系数已可控制在0.5/（日台）以下。本设计取效应系数为0.2/ （日台）。2.2技经指标铝电解经济技术指标有电流效率、槽电压、原铝直流电耗、炭耗、氟化盐 消耗等，简要介绍如下。2.2.1 电流效率某台电解槽的日产原铝量与理论日产原铝量之比称为该电解槽的电流效率。1000000Q0.3356ltX 100%式中n ：电流效率;Q：电解槽的原铝日产量，t ；上系列电流，A;t:电解槽日工作时间，h0本设计取电流效率为：n =90%o2.2.2 槽电压槽电
12、压是指电解槽电压表上所指的电压值，也称工作电压。它一般是由本槽的立柱母线下端起到本槽的阴极母线的一段电压降。不同的槽型，不同的槽 容量，其槽容量也不相同。本设计槽电压为4.20V2.2.3 原铝直流电耗铝电解槽内析出每吨铝所消耗的直流电能称为原铝直流电耗，单位为kW h/t Al。我国少数铝厂可达13500 14000kW h/t Al，多数为 1400015000kW h/t Al，个别铝厂高达 16000 kW h/t Al 以上。本设计取原铝直流电耗为17200kW h/t Al2.2.4 铝锭交流电耗计算原铝生产成本中的电力费用时，除了考虑电解法生产原铝所消耗的直 流电能，还应包括电解
13、槽的启动用电、原铝重熔用电、动力用电以及整流损 失。生产每吨铝锭所需的交流电能为铝锭交流电耗，单位为kW h/t Al。铝锭交流电耗一般比原铝直流电耗高 12001500kW h/t Al。本设计铝锭交流消耗取 13000+1300=14300 kW h/t Al2.2.5 氧化铝消耗生产每吨铝所需的氧化铝的质量为氧化铝消耗，单位为：kg/t Al 。按化学反应方程式：Al 203 2AI+3/2O2可得氧化铝消耗:102 1000272= 1888.9Kg /t实际生产中由于运输、机械、飞扬等损失,实际消耗量大于理论消耗量的1.5 6%。设计取氧化铝消耗为：1930Kg/t Al226 炭耗
14、生产每吨铝消耗的阳极糊或阳极炭块的质量，单位为Kg/t Al。一般平均消耗为 430-600Kg/t Al。根据反应方程式：Al 2O3+3/2C 2AI+3/2CO 2计算理论炭耗量：18 1000 = 333.33Kg /t27 x 2由于阳极副反应，实际生产中生成的气体是 CO与CO2的混合物，其中CO约 占 30%, CO2约占 70%。根据反应方程式：AI2O3+30/17C2A1+21/17CO 2+19/17CO实际炭耗量为:上二uh f 辽汕本设计取炭耗为450 Kg/t Al2.2.7 氟化盐消耗由生产实践可知，生产每吨铝所消耗的冰晶石、氟化铝、氟化锂等氟化盐 的总量，通常为
15、2040 Kg/ t Al。本设计取氟化盐总量为40 Kg/ t Al。3、预焙槽设计3.1技经指标计算3.1.1 电解槽台数计算（1）电解槽寿命论证：国外大型预焙槽寿命均在1800天以上，国内也普遍达到1800天，故本设 计中取槽寿命为1800天，即1800/360= 5年。（2）单槽原铝日产量：Q =0.33561 t 10“ 吨/ （台天）其中：Q电解槽原铝日产量；I 电流强度（A）;t 电解槽日工作时间（24小时）;n 电流效率（）;0.3356-铝的电化当量（g/A h）;则：Q = 0.3356X 280000X 24X 0.90X 10_6 = 2.02971 吨/（台 天）（3）电解槽台数:C Y 273.72360 汉 Q其中：C电解槽台数;360-单槽年实际工作天数;本设计取274台3.
