鋁電解槽預焙陽極開槽對氣泡排出的影響

楊帥，張紅亮，徐宇杰，張翮輝，鄒忠，李劼，賴延清

(中南大學 冶金科學與工程學院，湖南，長沙，410083)

現今工業(yè)應用的預焙鋁電解槽均使用平底的炭陽極，由于其底掌面積較大并且與電解質的潤濕性較差，阻礙了鋁電解反應過程產出的陽極氣體向槽外排放，因此陽極底掌下的電解質層中總是積存著部分陽極氣泡。此部分氣泡的存在嚴重惡化了極間電解質的導電性，減小了電解質與陽極的接觸面積，增大了極間電壓降[1-3]。同時，由于電解質與鋁液的水平流動與垂直波動，致使部分氣泡與鋁液接觸并發(fā)生氧化反應，引起電流效率的損失。另外，若極間氧化鋁濃度降低，炭陽極與電解質的潤濕性變差，氣泡更難排出并逐漸聚合形成連續(xù)氣膜覆蓋于陽極底掌，就會引發(fā)陽極效應，槽電壓大幅上升，產生大量額外電能消耗并引起極間過熱，導致電解生產不穩(wěn)定[4]。解決這些問題的關鍵在于使電解反應過程產出的陽極氣體及時排出，并使陽極周圍電解質的流動更有利于電解槽的傳質傳熱。國內外研究與應用表明，在炭陽極上開槽可以有效促進陽極氣體的排放，表現出良好的節(jié)能減排效果[5-9]。然而在陽極開槽的工業(yè)應用中也產生了一些問題，改變了原本電解槽的許多行為，出現了若干負面影響，如炭渣上升、陽極使用周期縮短及鋁液中鐵含量升高等[10-11]。因此，為優(yōu)化陽極開槽設計，減小開槽對電解槽的負面影響，針對陽極開槽對電解過程影響的研究具有非常重要的意義。Grunspan[12]研究了在陽極上開傾斜向上的導氣槽，指出此種開槽方法相對于水平開槽更加有利于氣泡排出。李相鵬等[13]從電解質流動及湍動的角度研究了開槽陽極對電解質流動的影響，指出部分陽極氣體可以從開槽部位排出，從而減少氣體在陽極底掌的停留時間及覆蓋率，并且促進電解質向開槽部位流動，對降低極間壓降與陽極效應系數以及保持電解槽良好的傳質傳熱都有利；同時，陽極開通槽相對于非通槽更能保持電解質的穩(wěn)定流動，對電流效率也更加有利。Yang等[14]利用PIV(粒子圖像測速技術)研究陽極開槽的深度及寬度對電解質流動的影響，指出隨著陽極消耗，導氣槽浸沒于電解質的部分越來越少，氣體從導氣槽中排出對于電解質流動影響越大，電解質循環(huán)中心向上移動，陽極開槽湍動比不開槽的要?。婚_槽寬度的增大，從導氣槽中排放的電解質流速增大，同時湍動能減小，電解質流動更加穩(wěn)定。徐宇杰[15]基于考慮電磁力及水平流動影響的非線性淺水模型分別計算了在無氣泡影響及有氣泡影響情況下的磁流體波動穩(wěn)定性，指出氣泡的存在加劇了鋁液-電解質界面的變形程度，對電流分布的均勻性會產生負面影響；因此可以合理推測，減小氣泡的影響對于改善槽內磁流體波動性也有作用。工業(yè)應用的實際效果及以上研究都表明：陽極開槽可以有效促進陽極氣體的排出，然而對于陽極開槽方式的設計，大多基于經驗判斷，缺少相關理論研究，而這對于氣泡排出的效果有決定性影響。本文作者運用數值仿真的方法研究預焙鋁電解槽陽極不同開槽方式對于陽極氣體排出的影響，從陽極底掌下氣泡層存在狀態(tài)的角度分析不同開槽方式對于陽極氣泡排出的作用，結果可為優(yōu)化陽極開槽設計提供參考。

1 理論基礎及模型

1.1 控制方程

在鋁電解槽膛內，典型的物相有氣泡、電解質、鋁液及少量固體分散物等，因此，研究槽內的流體流動時，需采用多相流的計算方法。關于電解質的運動，已有許多的研究表明氣體的作用是最主要的因素[14-17]，因此本文中僅研究陽極氣體作用下的電解質流動，即僅包含氣泡與電解質兩相。不考慮熔體中的溫度差以及氣泡的分散與聚合，采用歐拉-歐拉法計算此氣泡-電解質兩相流動，其連續(xù)性方程及動量方程為：

式中：rα，ρα和Uα分別為第 α相(α分為Ba相和Bu相，分別代表電解質和氣泡)的體積分數、密度和平均速度；μα,eff為有效黏度；Pα為兩相壓力；SMα為作用于α相的外部作用力；Mα為流動相間的動量傳遞，與相間相對速度、密度和曳力有關。在每個流體部分的每個微元內，電解質和氣泡同時共存，相互間體積分數滿足如下關系：

氣泡與電解質間的曳力系數C采用Ishii-Zuber關系式進行計算：

式中：Re為顆粒Reynolds數；Eo為Eotvos數。分別為：

式中：μBa為電解質黏度；d為氣泡直徑；g為重力加速度；σ為氣泡與電解質的界面張力。

非均相多相流動可應用均相湍流模型或非均相湍流模型進行計算，但采用均相湍流模型更為普遍[17]。本文采用均相標準k-ε湍流模型進行計算。

1.2 模型及邊界條件

以某預焙鋁電解槽設計方案的相關部分為研究對象，其陽極尺寸(長×寬×高)為1 600 mm×650 mm×550 mm。計算中所需的工藝參數如表1所示。

表1 工藝參數Table1 Technical parameters

在鋁電解陽極開槽的應用領域，存在長度和寬度方向開槽均在使用的現狀，但同時也有學者提出更為復雜的開槽方法，包括豎直方向的開槽或者各方向結合起來開槽的方法，本文分別研究在沿陽極長度方向開槽、寬度方向開槽、豎直方向開槽下氣泡在陽極底掌下電解質中的分布及積存情況。對于此幾種開槽方式，開槽寬度均為20 mm；長度、寬度方向上開槽深度均為300 mm，豎直方向上導氣槽均為通槽，即導氣槽連通陽極底掌與陽極上表面，不開槽及幾種不同方向開槽的陽極炭塊示意圖如圖1所示。仿真計算時，所有模型在ANSYS中生成并進行網格劃分，再輸出到CFX中設定相關計算參數并進行計算。

根據槽內流體運動的情況，設定陽極底掌及與電解質接觸的側部為氣泡Inlet邊界，分別定義氣泡覆蓋率及氣體流量，氣體的流量min按照下式計算：

式中：η為電流通過側部或底部的比例，本次計算取側部電流占總電流的15%；I為陽極通過的總電流；xa與xb分別為陽極氣體中CO2及CO的摩爾分數，本次計算xa與xb分別取78%和22%；F為法拉第常數。電解質上表面為氣體出口，定義為Degassing邊界，其余面均為不可滑移壁面；在本文選擇的工藝條件下，根據前人的研究結果，陽極氣泡平均直徑可取10 mm[18]。

1.3 材料屬性

計算中所需的材料屬性見表2[17]。

表2 材料性能Table2 Material properties

圖1 不同開槽方式的陽極示意圖Fig.1 Schematic diagrams of different carbon anodes

2 結果與討論

2.1 長度方向開槽對氣泡排出的影響

分別計算陽極不開槽、沿長度方向上中間位置開1條槽、邊距分別為50，100，125，150及200 mm的位置上開2條槽及均勻開3條槽后的氣泡-電解質流場，分析在陽極長度方向上開槽對氣泡排出的影響，各開槽方案分別按上述順序定義為A至H。

表3所示為A至H開槽方案的陽極底掌下氣泡分布狀況的計算結果，圖2及圖3所示分別A至H開槽方案距陽極底掌10.5 mm及21 mm的電解質截面上氣泡體積分數分布情況，分布圖中左側指向電解槽的大面。

由圖2(a)及圖3(a)可知：不開槽陽極底掌下電解質中的氣泡在水平方向上可以分為2層，位置較上的一層形態(tài)對應于陽極底掌的形狀，呈現為一個方形薄層狀的分布(淺藍色部分)；靠下的一層為分布于中部位置的氣泡層，大致呈半方半橢圓形的分布，氣泡含量從中心到邊緣逐漸減少，并且較多的聚集在陽極底掌的中部。對比圖2(a)及圖3(a)可知：距陽極底掌越向下的電解質截面中氣泡體積含量越小，并且從上到下減小的很快。由表3可知：在距陽極底掌5 mm的電解質層平均氣泡體積分數可達50.96%，在距陽極底掌10.5 mm時減少到17.51%，而當距底掌21 mm時已經減少到約1.69%，因此從豎直方向上看，其下部氣泡層的形態(tài)呈一個長條薄層狀，靠近中心部位的氣泡層較厚，邊緣較薄，此分布情況與Kiss等[19]的研究結論是基本一致的。由于氣泡的存在會嚴重惡化此層電解質的導電性及與炭陽極的潤濕性，同時槽內鋁液波動時下部氣泡層中的氣泡容易接觸鋁液而造成電流效率的損失，若電解質中氧化鋁濃度較低，此氣泡層可能會更厚且氣體含量更多而更容易引發(fā)陽極效應，因此這樣的氣泡層的存在對實現低電壓及低效應鋁電解都是相當不利的。

考慮在陽極長度方向開槽，由表3可以看出，所有長度方向的開槽方案均有利于減小電解質中氣泡含量及氣泡覆蓋率。參考圖2(b)，2(f)，2(g)及2(h)可知：合適的陽極長度方向上開槽能消除集聚在陽極底掌下中心部位的下部氣泡層，使整個氣泡層簡化為一薄層，減小了整體厚度并且氣泡的分布較為均勻，有效促進了氣體的排放，減小氣泡與鋁液接觸的可能性；此外，由表3中方案B，G以及H的氣泡在不同電解質界面上的體積分數及氣體總積存量可知，開槽數量越多越有利于促進氣泡的排放，從而減小氣體在陽極下的體積分數及總積存體積；但值得注意的是，開3條槽相對于開2條槽在氣泡總積存量上只減小了0.89 L，氣泡體積分數也差別較小，但其質量損失已經高達46.08 kg，因此從效率及經濟性上考慮，在陽極長度方向上開1條或2條導氣槽較為合理。

考慮開槽位置對陽極長度方向上開2條槽的排氣效果的影響。對比圖3(c)，(d)，(e)，(f)及圖(g)，并由表3中開槽方案C，D，E，F以及G的氣泡體積分數及總積存體積可知：氣泡層的形態(tài)隨著陽極開槽位置的變化而有一定的差別，槽邊距增大時，陽極底掌下氣泡層的分布范圍及體積分數都有所減小，中心部位聚集的下部氣泡層逐漸被壓縮為長條狀，當槽邊距達到125～150 mm間的某一值時，中心部位集聚的下部氣泡層消失，氣泡層變成薄層狀；若開槽部位邊距繼續(xù)增大，氣體的覆蓋率及總積存量繼續(xù)減小，當槽邊距達到200 mm時，氣泡總積存量從不開槽時的10.45 L下降到5.98 L，減少了42.78%，陽極底掌下5 mm中電解質氣泡體積分數從50.98%下降至23.05%。從以上分析可以看出：在開2條槽時，合理選擇開槽位置對于發(fā)揮其最大的促進排氣效果具有重要意義，本實例中所選擇的陽極尺寸及工藝條件均較為具有代表性，因此若確定在陽極長度方向上開2條槽時，開槽的位置距側邊應在200 mm以上。

表3 不同長度方向開槽陽極底掌下的氣泡分布狀況Table3 Situation of gas distribution below anode with different longitudinal slot cutting

圖2 不同長度方向上開槽方案陽極底掌下10.5 mm電解質層中氣泡體積分數分布Fig.2 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 10.5 mm below anode with different longitudinal slot cutting

從減少陽極質量損失及開槽成本考慮，在底部開槽應盡量少，則開1條槽已經足夠；若要達到更好的排氣效果，則需開2條槽并且合理的選擇開槽的位置，但開槽后陽極質量損失相對于開1條槽增加1倍。

2.2 寬度方向開槽對氣泡排出的影響

分別計算沿陽極寬度方向上開1條槽、均勻開2條槽及3條槽，整體左移50 mm的3條槽及均勻開4條槽的氣泡-電解質流場，分析在陽極寬度方向上開槽對氣泡排出的影響，各開槽方案分別按上述順序定義為I至M。

表4所示為I至M開槽方案的陽極底掌下氣泡分布狀況的計算結果，圖4所示分別為開槽方案為I至M時距陽極底掌10.5 mm的電解質截面上氣泡體積分數分布情況，各分布圖中左側指向電解槽大面。

由圖4可知：在陽極寬度方向上開槽有利于減小氣泡在陽極底掌的分布范圍及體積分數。開槽數在3條以下時，陽極底掌下部聚集的下部氣泡層不能消除，并且因為開槽而分裂為數個小氣泡層，此部分氣泡層的范圍和氣泡體積分數都有所降低。同時，由圖4(a)及圖4(b)可知：在陽極寬度方向上均勻開槽并不能得到對稱的氣泡體積分數分布，靠近陽極中縫的氣泡更容易排出，在此部分聚集的氣泡比在靠近槽大面的氣泡體積分數及分布范圍都要小。另外，由圖4(c)及圖

4(d)可知：在陽極寬度方向上開槽與長度方向開槽不同，開槽位置對氣泡排出的影響不大，均勻的3條槽及非均勻的3條槽都不能完全消除底部的中心氣泡層，而由表4可知：無論是氣泡覆蓋率還是氣泡總積存體積均相差不大，雖然此時下部氣泡層的范圍和含量都已較小，但只有在開4條導氣槽時才能完全消除陽極底掌的中心聚集的下部氣泡層。由表4可知：在陽極寬度方向上開槽的方案在陽極質量損失方面相對于長度方向的開槽要小得多，例如在寬度方向上開4條槽的質量損失為24.96 kg，少于長度方向上開2條槽時30.72 kg的質量損失，而其對于加強排氣的效果相差不大。

圖3 不同長度方向上開槽方案陽極底掌下21 mm電解質層中氣泡體積分數分布Fig.3 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 21 mm below anode with different longitudinal slot cutting

表4 不同寬度方向開槽陽極底掌下的氣泡分布狀況Table4 Situation of gas distribution below the anode with different transverse slot cutting

由于過多過密的開槽可能會帶來陽極力學性能方面的下降，并且考慮3條槽或4條槽已經可以達到較好的排氣效果，并且與長度方向上的開槽相比，陽極的質量損失更小并且避免了開槽內電解質流動時對側部炭塊造成沖刷侵蝕，因此若在寬度方向上對陽極進行開槽時，3條槽或者4條槽是較為合理的方案。

2.3 豎直方向開槽對氣泡排出的影響

分別計算在陽極豎直方向上對稱開4條深度為150 mm的導氣槽、6條深度為150 mm的導氣槽、6條深度為200 mm的導氣槽及交錯相間開6條深度為200 mm的導氣槽下的氣泡-電解質流場，分析沿陽極豎直方向開導氣槽對氣泡排出的影響，各開槽方案分別按順序定義為N至Q。

表5所示為N至Q開槽方案的陽極底掌下氣泡分布狀況的計算結果，圖5所示分別為開槽方案為N至Q距陽極底掌10.5 mm的電解質截面上氣泡體積分數分布情況，各分布圖中左側指向電解槽大面。

圖4 不同寬度方向上開槽方案陽極底掌下10.5 mm電解質層中氣泡體積分數分布Fig.4 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 10.5 mm below anode with different transverse slot cutting

表5 不同豎直方向開槽陽極底掌下的氣泡分布狀況Table5 Situation of gas distribution below anode with different vertical slot cutting

圖5 不同豎直方向上開槽方案陽極底掌下10.5 mm電解質層中氣泡體積分數的分布Fig.5 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 10.5 mm below anode with different vertical slot cutting

由圖5可以看出：對陽極側部豎直方向上開槽，對于減小陽極底掌以下中心聚集的下部氣泡層范圍和大小都有一定作用，但相對于長度和寬度方向上的開槽方式，這種作用總體并不太顯著，合適的長度方向或寬度方向的開槽可以完全消除氣泡直徑范圍以下的中心氣泡層，而豎直開槽的計算結果則顯示不能得到較好的排氣效果。由圖5(c)與圖4(c)對比可知：由于豎直方向開槽時底掌部分不能連通并且靠近側面的氣體本身就較為容易排放，因而即便在側面開槽數量較多也不能有效地促進氣體排放，綜合3種開槽方式可知，開槽位置要選擇盡量靠近氣泡體積分數分布最大的位置才能起到較好的效果，這在表5中得到體現，氣泡層厚度和含量與側部豎直開槽數量之間關系并不大，即使開設6條槽也并不能有效地減小氣泡層的氣泡體積分數及氣泡積存量，對比相同深度的4條槽，其相同電解質截面上的氣泡體積分數只減小了不到1%，氣泡總積存量只減小了0.2 L。對比圖5(b)與5(c)可知：豎直方向上的開槽深度對氣泡層的范圍和氣泡體積分數有一定的影響，開槽深度為200 mm的氣泡層范圍及氣泡體積分數相對于開槽深度為150 mm時都有明顯減小，由表5可知：開槽深度由150 mm加大到200 mm時，氣泡的總積存量減小了0.5 L。此外，對比圖5(c)與圖5(d)可以看出：交錯相間的側部豎直開槽能在一定程度上減小氣泡層中的最大氣泡體積分數，減小此部分氣泡層與鋁液接觸的可能性，相對于對稱的豎直開槽促進排氣的效果稍好。

從減小陽極底掌下電解質中氣泡含量考慮，在陽極上進行側部豎直開槽不應作為主要的開槽方式，但相對于長度與寬度方向上導氣槽有壽命限制的缺點，其在陽極的整個使用期間都能發(fā)揮作用的優(yōu)點同樣值得利用，可以考慮將豎直開槽與長度方向或寬度方向開槽結合起來使用。

3 結論

(1)陽極在不開槽時，底掌下電解質中的氣泡在水平方向上可以分為2層，靠上的一層為方形薄層狀的分布，靠下的一層為聚集于中部位置的氣泡層，大致呈半方半橢圓形分布，氣泡含量從中心到邊緣呈減少的趨勢，并且較多的聚集在陽極底掌的中部，整個氣泡層厚度較大且氣體含量多，這對于降低槽電壓及實現低陽極效應系數都是相當不利的。

(2)在陽極長度方向上的開槽，可以有效減小氣泡層的厚度與分布范圍。開槽的數量及位置對開槽后的排氣效果均有影響，在陽極長度方向上開1條槽、在側邊距大于200 mm的位置上對稱的開2條槽是較為合理的選擇。

(3)在陽極寬度方向上開槽有利于減小氣泡層的分布范圍及氣泡含量，且效果受開槽數量的影響較大，只有在開4條導氣槽時才能完全消除陽極底掌的中心聚集的氣泡層；此外，考慮氣泡分布不均勻，寬度方向上的導氣槽可以向大面稍微靠近。

(4)在陽極側面豎直方向進行開槽對減小氣泡層分布范圍和氣泡含量作用不太顯著，其效果主要受開槽深度的影響，開槽深度越大則氣泡層范圍及含量都越?。淮送?，交叉相間的開槽比對稱的開槽更有利于促進氣泡排放。

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