无隔板镁电解槽能量分析

2013-09-27王中原吴复忠

湿法冶金 2013年2期

王中原，吴复忠

（贵州大学材料科学与冶金工程学院，贵州贵阳 550025）

无隔板镁电解槽最早由加拿大铝业公司开发并使用，随后在镁工业得到广泛应用［1］。国内某厂使用110kA无隔板镁电解槽生产电解镁，其吨镁能耗平均为17 000kWh，比国际先进的无隔板镁电解槽吨镁能耗高出3 000kWh［2－3］。该厂镁电解能耗高的原因主要是槽电压偏高，电流效率偏低。为此，对该厂的无隔板镁电解槽进行了热平衡测试，找出造成能耗高的原因，并提出一些改进措施，为下一步改善生产条件、实现镁电解节能降耗提供依据。

1 热平衡测试

1.1 热平衡测试

热平衡测试是以热力学第一定律为基础、以确定的体系为对象，研究生产过程中与外界进行物质和能量交换的收支情况［4］。热平衡测试是加强能源管理、提高能源利用水平、降低能源消耗的重要工作基础。

1.2 热平衡测试体系与基准

在计算能量平衡时，以槽底—槽壳—槽面—槽盖—电极头—集气罩作为热平衡测试的边界，以车间温度作为基准温度。能量收支项目中，收入项包括1）直流电能，2）原料带入的热；支出项包括1）MgCl2分解（反应热），2）粗镁带走的热量，3）槽渣带走的热量，4）烟气带走的热损失，5）氯气带走的热量，6）废气溢流热损失，7）槽体表面散热。

测试在常压下进行，系列电流均为110kA，其他条件见表1。

表1 电解质测试条件

2 测试结果

选择该厂2台镁电解槽（9＃、25＃）进行热平衡测试。测试时，镁电解槽运行相对平稳，基本能反映110kA镁电解槽的实际运行水平。

2槽物料平衡测试结果见表2，热平衡测试结果见表3。根据表3数据，可以计算出9＃槽A、B两组电流效率分别为69.88%和72.31%，吨镁能耗分别为17 576kJ／h和17 686kJ／h，收支能量差分别为－14 049.7kJ／h和42 658.14kJ／h，误差率分别为－0.60%和1.69%；25＃槽A、B两组电流效率分别为64.78%和64.27%，吨镁能耗分别为20 525kJ／h和21 168kJ／h，收支能量差分别为93 366.11kJ／h和112 376.02kJ／h，误差率分别为3.74%和4.19%。两槽误差率均＜5%。

表2 物料平衡

表3 热平衡测试结果表

热量收入以电能为主，两槽比例均＞95%。热量支出以反应热、槽体表面散热两部分为主，9＃槽A、B两组反应热分别为44.5%和46.4%，槽体表面散热分别为47.29%和44.10%；25＃槽A，B两组反应热分别为43.89%和43.43%，槽体表面散热分别为47.27%和47.20%。

3 测试结果分析

1）以A组数据为例，25＃、9＃槽槽电压分别为6.03V和5.57V，高于设计工作槽电压4.88 V，槽电压偏高，原因是电解质温度较高时，需要较高的槽电压来维持。两槽电解质工作温度分别为725℃和694℃。25＃槽工作温度高于设计的工作温度680～710℃，槽温较高，原因是无隔板镁电解槽固定的阴阳两极极距固定不变，不能通过调整极距这一主要方式来调控电解质温度。从现场测试情况看，电解槽热槽情况较多，热损失偏大，因为存在阳极氯气排量小、电解质成分不合理、阴极管路堵塞等因素。此时，电解生成的镁与氯气二次反应放出热量，使槽温升高，造成热槽现象。

2）以A组数据为例，在系列电流为110kA条件下，25＃、9＃槽电流效率分别为64.78%和69.88%，电流效率偏低。根据公式［5］

（式中：M——粗镁直流电耗，kWh；Q——消耗的总直流电量，kJ／h；m——粗镁总产量，t；V——电解槽的工作电压，V；K——常数；η——粗镁电流效率，%）可以看出，电流效率（η）偏低，是因为槽电压偏高。9＃槽电流效率高于25＃槽电流效率5%，相差较大。电流效率（η）与槽电压成反比，每降低0.1V工作电压，可提高1%的电流效率。9＃槽槽电压比25＃槽槽电压小0.46V，温度每升高10℃，电流效率降低1.67%，9＃槽电解温度比25＃槽低31℃。

3）以A组数据为例，25＃、9＃槽的热效率分别为43.89%和44.50%，直流电耗分别为20 525 kWh和17 576kWh，相对于正常生产时的14 350 kWh要高。从表3看出，两槽槽体表面总散热分别为47.27%和47.29%，槽体表面散热较大，特别是槽体上侧各部分散热更大，原因是阳极石墨导热系数大，阳极头温度高于其他部分，致使其附近槽盖温度升高，表面散热较大。

热平衡收支误差均小于5%，9＃槽运行状况优于25＃槽。

4 节能分析

根据测试结果，在目前生产状况下，为解决能耗高的问题，主要从以下几个方面加以改进：

1）电解质温度过高、槽电压偏高是造成无隔板镁电解槽能耗高的重要原因。降低电解质温度，可通过经常清理阳极上的杂物、及时更换断裂阳极、调整电解质成分、适当增加出渣次数、增加卫生排气量、加装分流器、降低系列电流、及时添加固体氯化镁等方法来实现。降低槽电压，可通过降低系列工作电流、增加开槽台数、适当降低氯化镁浓度、在生产过程中对个别接点采取勤测、勤清、勤紧固等措施。减少热槽现象，在阴、阳两极极距固定条件下，及时清理阴极气体管路，提高阴极气体排气量，提高从槽上带走的热量。调整电解质成分配比，提高电解质的电导率，降低电阻率，减少电解质的发热量。

2）提高电流效率，对于降低无隔板镁电解槽生产能耗意义重大。通过调整电解质中氯化镁浓度，调整电解质温度，勤出渣，控制大气湿度，及时清除电解质中的杂质等措施，可以提高电流效率。

3）从现场测试结果看，电解槽槽体表面散热比较大，特别是槽体上侧各部分散热更大。在充分满足镁电解槽工艺条件前提下，应对槽体采取保温措施，避免热损失偏大。烟气、氯气收集管道设计应更加合理，减少压力损失。同时，在不影响正常操作的情况下，尽量完整密闭集镁室盖板，减少废气溢流带走热，也相应减少冷空气的进入。