18 декабря 2018г.
В статье представлены результаты математического моделирования движения анодного газа в анодном кожухе алюминиевого электролизера с блочным самообжигающимся анодом, а также распределения тепловых потоков в блочном самообжигающемся аноде.
На основании полученных данных авторами разработано техническое решение по снижению потерь теплоты электролизера путем тепловой изоляции верха блочного самообжигающегося анода, а также определена наиболее рациональная схема отвода анодных газов от электролизера.
На прианодном газовом слое электролизера с самообжигающимся анодом потери напряжения составляют 600 – 800 мВ и более, а удельный расход электроэнергии на компенсацию этих колеблется от 1200 до 1400 кВт·ч/т Al [1]. Разделение самообжигающегося анода в цельном анодном кожухе на отдельные блоки [2] позволяет сократить удельный расход электроэнергии на преодоление сопротивления газового прианодного слоя на 520 – 870 кВт·ч/т Al [3], что составляет 3 – 5 % от общего расхода электроэнергии на производство тонны алюминия. Разделение анода на отельные блоки также позволяет изменить схему отвода анодных газов от электролизера, непосредственно из анодного кожуха в горелку и далее в систему газоудаления. При этом изменяется и распределение тепловых потоков в аноде.
В рамках математического моделирования движения анодного газа рассмотрено три схемы его отвода: через один патрубок, расположенный в центре торца анодного кожуха; через два патрубка, расположенные в центрах торцов анодного кожуха; через два патрубка, расположенные в углах анодного кожуха по его диагонали.
При отводе анодных газов через один патрубок в зазоре между анодными блоками наблюдается давление до 200 Па (рис. 1,а), что может ухудшить условия схода газовых пузырей из-под анода и таким образом свести к нулю энергетический эффект от разделения анода на отдельные блоки. Обусловлено это относительно высокими скоростями газового потока в районе газоотводящего патрубка, достигающими 1,3 – 1,5 м/с (рис. 1,б), создающими большое сопротивление отводу анодных газов в систему газоудаления. Таким образом, удаление анодных газов через один патрубок, расположенный в центре торцевой стороны анодного кожуха является нецелесообразным.
Аналогичная картина наблюдается
и при отводе анодных газов через два патрубка, расположенные по середине торцевых сторон анодного кожуха. В этом случае давление анодных газов и их скорость в районе газоотводящих патрубков на 25 – 30 % ниже (рис. 2 а, б), чем при отводе газов через один патрубок. Однако и этот результат нельзя считать удовлетворительным.
Высокое сопротивление отводу газов через один или два патрубка в торцевых сторонах анодного кожуха обусловлено тем, что при входе в прямую трубу поток обтекает кромку входного отверстия и при его недостаточной закругленности поток по инерции отрывается вблизи входа от внутренней поверхности. Этот отрыв потока и вызванное им
вихреобразование являются основными причинами возникновения высокого сопротивления отводу анодных газов [4].
Наиболее рациональным представляется отвод газов через патрубки, расположенные в углах анодного кожуха по его диагонали (рис. 3 а, б). В
этом случае давление анодных газов в анодном кожухе в 2– 4 раза, а скорость в 2 – 3 раза ниже, чем при отводе газов по вышерассмотренным вариантам.
Обусловлено это уменьшением вихреобразования потока на его входе в патрубки, расположенные в углах анодного кожуха.
При эксплуатации блочного самообжигающегося анода возрастает интенсивность тепловых потоков через верх анода. Если при эксплуатации моноблочного анода температура на его поверхности не превышает
80°С, где загружаемая в электролизер анодная масса находится в твердом состоянии, то температура на поверхности блочного анода находится в диапазоне 150 - 200°С (рис. 4), что относится к зоне интенсивного выделения летучих [5].
Следовательно, эксплуатация блочного анода, с одной стороны, увеличит эффективность сбора анодных газов в анодном кожухе, по сравнению с электролизерами, оборудованными газосборным колоколом, с другой стороны, увеличит выбросы смолистых веществ за счет их интенсивного испарения с поверхности анода и удельный расход электроэнергии, связанный с компенсацией потерь теплоты через верх анода. Для решения перечисленных проблем предложена конструкция анодного кожуха с двумя горизонтальными перегородками с окнами, где пространство между горизонтальными перегородками заполнено теплоизолирующим материалом [6].
Результаты и выводы
Эксплуатация блочного самообжигающегося анода позволяет исключить из системы газоудаления газосборный колокол и организовать отвод анодных газов непосредственно от анодного кожуха алюминиевого электролизера. Оборудование анодного кожуха тепловой изоляцией в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет снизить потери теплоты электролизером через верх анода до уровня, равного или меньшего уровню потерь теплоты электролизером через верх моноблочного анода.
*Статья подготовлена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства
Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта №17-48-240595 р_а.
Список ссылок на источники
1.
Yiwen Zhou, Jiemin Zhou, Jianhong Yang and [etc.]. Simulation of anode bubble: volume of fluid method // Light Metals, 2014, p. 783-788.
2.
Шахрай С.Г., Дектерев А.А., Скуратов А.П. и [др.]. Электролизер для полу чения алюминия.Патент РФ №2657395, заявл. 03.07.2017, опубл. 13.06.2018. Бюл. №17.
3.
Шахрай С.Г., Дектерев А.А., Скуратов А.П. и [др.]. Повышение энергетической эффективности электролизера с самообжигающимся анодом // Металлург, 2018. №9. С. 79-83
4.
Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям под ред. М.О. Штейнберга. – 3-еизд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
5.
Лакерник М.М.,
Севрюков
Н.Н. Металлургия цветных металлов.
М.: гос. науч.-техн. изд-во литературы по черной и цветной металлургии, 1957. 535 с.
6.
Шахрай С.Г., Дектерев А.А., Скуратов А.П. и [др.]. Электролизер для получения алюминия. Заявка на патент РФ № 2018129274 от 09.08.2018.