低能耗下鋁電解槽陽極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

李賀松，曹 曦，田應甫

(1. 中南大學 能源科學與工程學院，長沙 410083；2. 重慶天泰鋁業(yè)有限公司，重慶 401328)

低能耗下鋁電解槽陽極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

李賀松1，曹 曦1，田應甫2

(1. 中南大學 能源科學與工程學院，長沙 410083；2. 重慶天泰鋁業(yè)有限公司，重慶 401328)

為了進一步降低鋁電解工業(yè)能耗，以仿真軟件ANSYS及ANSYS-FLUENT為平臺，應用陽極穿孔方式對鋁電解用陽極進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進行工業(yè)試驗，以研究其工業(yè)應用并驗證仿真結(jié)果。計算結(jié)果表明：新型陽極下氣泡層厚度為1.28 cm，比普通陽極氣泡層厚度減少0.72 cm，對應極距電壓差約240 mV；陽極表面溫度最低為704.3 ℃，陽極電壓降為379 mV，電場分布與普通陽極保持一致；陽極碳塊熱應力最大值為17.4 MPa，遠低于碳塊的許用應力。新型陽極在3臺槽上進行試驗，長期運行的平均槽電壓比傳統(tǒng)電解槽的降低了229 mV，穿孔陽極結(jié)構(gòu)電解槽電流效率從91.15%提高到91.85%，生產(chǎn)每噸鋁直流電耗降低了683 kW·h。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相符，說明此結(jié)構(gòu)陽極能夠快速排出氣泡進而減小極距。

鋁電解槽；低能耗；穿孔陽極結(jié)構(gòu)；氣泡層厚度；多物理場耦合；數(shù)值模擬；工業(yè)試驗

霍爾?埃魯特熔鹽電解煉鋁法的工業(yè)應用已有100多年，其中電解鋁生產(chǎn)工藝過程和容量發(fā)展迅猛，使鋁的產(chǎn)量大大提高。隨著技術進步，電解鋁能耗有所降低，直流電耗已由20世紀初的每噸鋁40 MW·h降低到每噸鋁13 MW·h[1]，但目前最先進的鋁電解工藝能量利用率也只有52%左右[2]，有一半左右的電能轉(zhuǎn)變成了熱量散發(fā)流失了。而節(jié)能和環(huán)境保護已經(jīng)成為全球共同面對的問題，因此，改進鋁電解槽設備，在提高或保持電流效率的基礎上，將能量利用率提高到55%～58%，甚至60%以上，將是電解鋁行業(yè)科技技術的發(fā)展方向。

降低鋁電解工藝直流電耗的方法有很多種，應用較多的方法是降低槽電壓。目前國內(nèi)采用異型陰極或高效電解工藝[3]來降低鋁液波動，進而為降低槽電壓提供穩(wěn)定性條件，取得了明顯的效果。如果還想進一步挖掘降低槽電壓的潛力，就要從氣泡層著手。針對氣泡層的研究，目前國外主要集中在開槽陽極，已經(jīng)有電解鋁廠在嘗試使用此陽極[4?6]。國內(nèi)一些鋁廠也研究了此陽極[7?10]，但效果沒有國外的明顯。槽電壓的降低幅度一般在50 mV左右，換算成極距即降低了0.14 cm的氣泡層，雖然有一些效果，但相比2 cm氣泡層，還有更大的降低空間。在陽極氣泡行為的研究上，國內(nèi)外一般采用模型試驗和仿真相結(jié)合的方式[11?15]。因此，改進電解槽的陰極結(jié)構(gòu)、陽極結(jié)構(gòu)及電解工藝條件，在保證高電流效率的情況下盡可能降低槽電壓，是目前電解鋁節(jié)能技術發(fā)展的主要趨勢。

1 大幅降低槽電壓的兩種途徑

鋁電解槽平均電壓U由以下各部分組成：

式中：UE為陰陽極之間液體電解質(zhì)層電阻產(chǎn)生的電壓降；Up為氧化鋁理論分解電壓和陰極、陽極極化(鈍化)電壓降之和；Ua與Uc分別為鋁電解槽陽極與陰極電壓降，其與材料、高度及電流密度有關，電解槽設計定型后基本為定值；Ub在電解槽設計時一次定型，基本為定值；Ue為陽極效應分攤電壓降，目前為0.01 V左右，已是較低水平。因此，降低電解槽平均電壓只能從降低Up與UE入手。

陽極極距模型中陽極極距由3部分構(gòu)成(見圖1)[16]：第一部分為下部鋁液波動層，其厚度一般為1.5～2.0 cm(見圖1中第2層)；第二部分為上部氣泡層，其厚度一般為2.0 cm(見圖1中第4層)；第三部分為防止氣泡與鋁液接觸發(fā)生二次反應的電解質(zhì)隔離層，其厚度一般為0.5～1.0 cm(見圖1中第3層)。當鋁液波動減弱時，電解質(zhì)隔離層可以適當減薄。

圖1 電解槽極距分層示意圖Fig. 1 Schematic diagram of cell polar distance decomposition 1—Liquid aluminium; 2—Liquid aluminium fluctuation layer; 3—Bath layer; 4—Bubble disturbance layer; 5—Bath; 6—Anode carbon

由于UE為陰陽極之間液體電解質(zhì)層電阻產(chǎn)生的電壓降，因此UE取決于陽極下表面到陰極鋁液的距離，可以通過減弱鋁液波動，以減少電解質(zhì)隔離層厚度的方式降低UE。

由于Up為氧化鋁理論分解電壓和陰極、陽極極化(鈍化)電壓降之和，現(xiàn)有大型預焙鋁電解槽Up一般為1.65 V左右，其主要是氣泡層的存在導致的。所以目前大幅度降低槽電壓的研究主要集中在這一區(qū)域。

因此，從本質(zhì)上分，降低槽電壓主要分為兩種途徑：減弱鋁液波動和減薄陽極氣體層。

2 優(yōu)化的新型陽極(穿孔陽極)

穿孔陽極結(jié)構(gòu)是針對降低槽電壓及迅速排出陽極氣體提出的一種新思路，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。此結(jié)構(gòu)陽極是在陽極底部開出數(shù)個垂直氣孔，并貫穿陽極，陽極底部任何一點產(chǎn)生的CO2氣泡溢出陽極底部所需的移動距離均在200 mm以內(nèi)。該結(jié)構(gòu)可以降低CO2氣泡在溢出過程中所需克服的液態(tài)電解質(zhì)流體粘滯力所做功，使氣體能夠及時排出，進而有效減薄陽極底部氣泡層厚度及氣泡下滲距離，從而縮短極距，為降低噸鋁電耗創(chuàng)造條件。本文作者建立了穿孔陽極及陽極底掌氣泡層的物理和數(shù)學模型，運用仿真軟件ANSYS及ANSYS-FLUENT對穿孔陽極的熱場、電場、應力場分布，及穿孔陽極下氣體分布進行了模擬，探討了穿孔陽極的作用機理及孔對氣體的影響。同時進行了穿孔陽極工業(yè)試驗，以驗證模型并得到穿孔陽極的作用效果。

圖2 穿孔陽極結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of perforated anode

3 穿孔陽極氣泡層模型

鋁液和電解質(zhì)在鋁電解槽內(nèi)受到3種力的作用，即電磁力、重力和浮力(氣泡、溫度和濃度梯度所引起的)。本模型主要研究了浮力因素，包括極距區(qū)的氣液兩相流和氣泡帶動下地電解質(zhì)運動。鋁電解槽極距區(qū)的氣液兩相流比較復雜，包括電化學反應、溶解、擴散、熱傳遞和其他物理化學過程，影響因素繁多。因此，本模型作如下假設：

1) 忽略懸浮在電解質(zhì)中氧化鋁顆粒的影響；

2) 假定電解質(zhì)和鋁液的溫度是恒定的，不考慮溫度梯度所引起的流動；

3) 假設相鄰陽極產(chǎn)生氣體互不影響。

3.1 CFD模型

CFD軟件ANSYS-FLUENT中的VOF模型可以用來計算氣泡的生成和溢出過程。相比歐拉和混合模型，本文作者采用VOF模型更應用于追蹤氣泡的行為和計算每項流體的體積分數(shù)。該模型體積分數(shù)方程如下

式中：mqp是q項到p項的傳輸質(zhì)量；mpq是p項到q項的傳輸質(zhì)量；ρq是q相的密度；αq是q相的體積分數(shù)；vq是q相的速度；Sαq是q相的生產(chǎn)率；n為總相數(shù)。

主相體積分數(shù)的計算基于如下約束qρ：

該模型動量方程取決于所有項的體積分數(shù)，動量方程為

式中：▽為哈密頓算子；F為作用在控制容積上的體積力，N；ρ為密度，kg/m3；μ為分子粘性系數(shù)，Pa·s；v為流體速度；vT為v的轉(zhuǎn)置矩陣；g為重力加速度。

3.2 模型和邊界條件

在GAMBIT中建立模型后輸出到ANSYSFLUENT中設置邊界條件和求解。出于簡化計算和對稱性的考慮，本文作者只建立了穿孔陽極和氣液兩相流的四分之一模型(圖3)，模型中陽極寬度為660 mm。

這一模型涉及浮力、重力等大的體積力，因此，采用Body-force-weighted方式進行壓力插值。模型采用非穩(wěn)態(tài)模式進行計算，因此壓力速度耦合采用PISO方式。入口設置為速度入口，氣體速度由式(5)得到[17]：

式中：I為電流；R為理想氣體常數(shù)；T為溫度；F為法拉第常數(shù)；P為壓力；φ為氣體體積分數(shù)；S為浸入電解質(zhì)陽極面積。CO2和電解質(zhì)之間的表面張力經(jīng)過測試為0.117 N/m。

3.3 材料屬性和工藝參數(shù)

本模型使用的重慶天泰鋁業(yè)有限公司電解槽生產(chǎn)工藝和材料屬性參數(shù)具體見表1[18]。

表1 槽工藝參數(shù)和運行參數(shù)[18]Table 1 Cell process parameters and operation parameters[18]

3.4 結(jié)果和討論

電解質(zhì)層中某時刻氣液二相分布如圖4所示。由圖4可以看出，穿孔陽極的底掌形成一層氣泡層。氣泡逸出有兩種方式，一是從碳塊四周逸出，另一種是從孔中逸出。從圖4上可以看出，氣泡層厚度與孔的直徑相比，約為孔直徑的三分之一。氣泡層厚度實際平均值為1.28 cm，相比660 cm陽極寬度氣泡層厚度減少了0.72 cm(普通陽極以同樣方式計算)。取電流密度為0.74 A/cm2，電解質(zhì)電阻取0.45 ?/cm，則極間壓降(Ur)為：

理論計算表明穿孔陽極與普通陽極相比，槽電壓降低了0.24 mV，本文作者將在工業(yè)試驗中驗證該結(jié)果。

圖4 穿孔陽極電解質(zhì)層中某時刻氣液二相分布Fig. 4 Perforated anode bath layer gas-liquid two-phase distribution at some moments

4 穿孔陽極多物理場耦合模型

陽極過程對鋁電解生產(chǎn)中的順暢與否關系密切，因此陽極在生產(chǎn)中的穩(wěn)定性影響甚大。在鋁電解過程中，陽極結(jié)構(gòu)會隨著溫度變化而變化。溫度升高后，陽極各個部分發(fā)生膨脹，鋼爪，磷生鐵和炭塊之間相互擠壓，產(chǎn)生熱應力。熱應力過大可能造成陽極破損、斷裂，導致脫極，對正常生產(chǎn)造成巨大的不利影響。在陽極上槽后，由于工作環(huán)境的限制，熱應力無法通過試驗測得，但是可以通過仿真模擬計算出來。在有限元軟件ANSYS中建立穿孔陽極的有限元模型，耦合計算穿孔陽極的熱場、電場和熱應力場后，比較熱應力與陽極炭塊許用應力，確定穿孔陽極正常生產(chǎn)穩(wěn)定性。

本模型研究針對的是單一陽極，并且由于槽內(nèi)的復雜性，模型做如下假設：

1) 整臺電解槽及電解槽內(nèi)的分析域為穩(wěn)態(tài)模型。

2) 氧化鋁為絕緣體，鋁液區(qū)為等勢體。

3) 陽極高度恒定，并且每組陽極電流相同，為整體電流的均攤值。

4.1 多場耦合ANSYS求解過程

磷生鐵和炭塊之間的接觸部分分析在陽極結(jié)構(gòu)分析中占據(jù)重要地位。對接觸電阻的實現(xiàn)是采用修正接觸電阻的辦法進行確定的。根據(jù)國外學者研究[19]，接觸電阻在0.1 m2的碳碗中為2 m?，取2 mm的接觸電阻層，計算可得接觸電阻率為1×10?4?。以此接觸電阻率為初始值，進行熱電和熱應力分析，根據(jù)應力場結(jié)果再結(jié)合電接觸理論和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，計算修正后的接觸電阻率，與初始值比較，若收斂則得到熱應力分布，若不相符，則進一步迭代到收斂后結(jié)束。計算流程如圖5所示。

4.2 模型和邊界條件

圖6所示為穿孔陽極的模型。由圖6可看出，模型包括陽極炭塊、磷生鐵、氧化鋁覆蓋料、電解質(zhì)結(jié)殼、側(cè)部炭塊和槽殼等。模型采用SOLID69單元耦合熱電后，轉(zhuǎn)為SOLID45單元計算熱應力。坐標系定義為x方向為從出鋁端到煙道端，y方向從槽側(cè)部到槽中央，z方向垂直向上。模型只單獨建立陽極結(jié)構(gòu)，因此，在陽極炭塊底部分別施加零電位邊界條件。由于鋁液與電解質(zhì)的流動，熔體區(qū)的溫度基本均勻，所以浸入電解質(zhì)部分陽極炭塊邊界條件可通過對其表面施加對流負載來簡化處理。氧化鋁覆蓋料、陽極鋼爪和陽極導桿采用對流和輻射邊界條件。側(cè)部與相鄰陽極接觸部分采取對稱面。

圖5 修正接觸電阻法熱應力求解過程Fig. 5 Solution procedure of thermal stress by revised contact resistivity

圖6 穿孔陽極計算模型Fig. 6 Perforated anode calculation mesh model

4.3 材料屬性和結(jié)構(gòu)參數(shù)

建模所用的結(jié)構(gòu)參數(shù)及部分物性參數(shù)取自重慶天泰鋁業(yè)提供資料及現(xiàn)場實測。材料屬性和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2～5所列。

4.4 結(jié)果和討論

圖7表明由于槽外和槽內(nèi)溫度有別，炭塊溫度分布沿炭塊大面方向?qū)ΨQ分布，而沿小面方向不對稱?？拷蹅?cè)部位置溫度比槽中位置溫度低，其中孔周圍溫度分布最低，表面最低溫度為704.3 ℃。圖8和9所示分別為穿孔面和炭塊內(nèi)部不同層的溫度分布。由圖8和9可以看出，因為炭塊下部浸入電解質(zhì)內(nèi)，電解質(zhì)的對流和電解產(chǎn)生氣體的上升，在炭塊內(nèi)部沿孔方向垂直向上溫度逐漸降低，氣體出口處溫度為335.6℃，說明炭塊內(nèi)部同一水平面內(nèi)溫度在穿孔處分布最高。同時較大梯度的溫度分布會導致較大的熱應力分布，這可能造成炭塊，特別是孔周圍的炭塊部分破損，因此進行熱應力分析是必要的。圖10所示為氧化鋁顆粒覆蓋層的溫度分布。由圖10可看出，陽極氧化鋁粉末其表面溫度約為102.9 ℃左右，而底部由于和陽極直接接觸，其溫度達到800 ℃以上。這是由于煙氣被抽走引起的對流現(xiàn)象帶走部分熱量，且由表層一直輻射到低溫的槽罩所造成。而穿孔處與周圍差別較大，達到200 ℃左右，這是由于鋼的熱傳導性較好，炭塊內(nèi)部熱量可以通過鋼管傳遞上來所致。

圖11和12所示分別為穿孔陽極和穿孔面的電勢分布。圖11和12表明穿孔陽極結(jié)構(gòu)整體電壓降為379.5 mV，陽極炭塊的電壓降為169.5 mV。圖13說明，穿孔陽極與普通陽極的相比，電壓分布沒有區(qū)別。

表2 陽極相關結(jié)構(gòu)參數(shù)[20]Table 2 Structure parameters of anode[20]

表3 不同溫度時材料的電阻率Table 3 Resistivity of materials at different temperatures

表4 不同溫度時材料的熱導率[19,21?22]Table 4 Thermal conductivity of materials at different temperatures[19,21?22]

表5 材料的相關物性參數(shù)[20]Table 5 Physical parameters of materials[20]

圖7 炭塊溫度分布Fig. 7 Temperature distribution of carbon block (℃)

圖8 穿孔面的溫度分布Fig. 8 Temperature distribution of perforated section (℃)

圖9 距離陽極炭塊底部不同層溫度分布Fig. 9 Temperature distribution of level sections above bottom of anode in perforated carbon block (℃): (a) 5 mm; (b) 10 mm; (c) 15 mm; (d) 20 mm; (e) 25 mm; (f) 30 mm

圖10 氧化鋁顆粒覆蓋層的溫度分布Fig. 10 Temperature distribution of alumina mulch (℃)

圖11 穿孔陽極的電勢分布Fig. 11 Electric potential of perforated anode

圖14所示為穿孔陽極的等效應力分布。由圖14可看出，熱應力主要集中在磷生鐵和炭塊的接觸部分，以及炭塊與鋼管的接觸部分。穿孔周圍應力為5 MPa左右，最大應力分布在與磷生鐵相接觸部分，為17.4 MPa，但該值還遠遠低于炭塊的許用應力。理論計算結(jié)果表明，穿孔陽極和普通陽極一樣能安全進行工業(yè)運行，但計算結(jié)果仍需工業(yè)試驗的驗證。

圖12 穿孔面的電勢分布Fig. 12 Electric potential distribution of perforated section

圖13 穿孔陽極與普通陽極電勢對比(上為穿孔陽極)Fig. 13 Comparison of electric potential distribution between the perforated and normal anode (perforated anode upside) (V)

5 穿孔陽極的工業(yè)試驗驗證

合作方重慶天泰鋁業(yè)在現(xiàn)有陽極成型模具基礎上進行技術改造，生產(chǎn)穿孔陽極。其焙燒后如圖15所示。一次性振動成型合格率達到了99.2%，生產(chǎn)脫極率1.87%。如表6所示，檢測每批穿孔陽極性能指標，均達到普通陽極國標要求。

在天泰鋁業(yè)168 kA電解槽生產(chǎn)系列選擇256#、257#、258#槽作為試驗槽進行工業(yè)試驗(圖16)，從2009年12月1日到2010年12月31日止，對試驗槽和對比槽(254#、255#)進行了對比考核，表7和8所列為陽極消耗和技術指標對照。

圖14 炭塊上表面和對稱中心面熱應力分布Fig. 14 Thermal stress distributions of top surface(a) and center symmetry section(b) of carbon block

圖15 穿孔陽極成品圖Fig. 15 Perforated anodes production after being baked

圖16 在電解槽上生產(chǎn)的穿孔陽極Fig. 16 Perforated anodes in aluminium reduction cell

表6 穿孔陽極物理性能Table 6 Physical performance assessment of perforated anode

表7 穿孔陽極和普通陽極消耗對比Table 7 Comparison of consumption of perforated anode and ordinary anode

表8 試驗槽和對比槽技術參數(shù)Table 8 Technical parameters of test cell and contrast cell

由表7和8的試驗結(jié)果可以看出：穿孔陽極使用周期為28 d，比普通陽極少1 d，但其生產(chǎn)每噸鋁實際消耗為395.0 kg，與普通陽極消耗418.1 kg相比，節(jié)約了23.1 kg。穿孔結(jié)構(gòu)電解槽長期運行的平均槽電壓為3.75 V，與傳統(tǒng)電解槽的3.98 V相比降低了0.23 V；電流效率從91.15%提高到91.85%，提高了0.7%；生產(chǎn)每噸鋁直流電耗降低了683 kW·h，平均直流電耗達到了12 248 kW·h，為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

1) 現(xiàn)在工業(yè)要求鋁電解生產(chǎn)必須降低能耗，但是傳統(tǒng)鋁電解槽為了保證電解槽穩(wěn)定運行，槽電壓無法繼續(xù)降低，因此改變陽極結(jié)構(gòu)，減薄氣泡層厚度是降低槽電壓的一個重要方向。

2) 穿孔陽極是節(jié)能降耗的新思路。陽極底掌下氣泡層厚度為1.28 cm，對應槽電壓降低240 mV。炭塊溫度分布沿炭塊大面方向?qū)ΨQ分布，表面內(nèi)部溫度分布同一水平面上穿孔處溫度最高。炭塊壓降為169.5 mV，電場分布與普通陽極保持一致。穿孔陽極在電解槽內(nèi)所受最大熱應力為17.4 MPa，遠低于碳塊許用應力，可以保證電解槽正常生產(chǎn)。

3) 該技術在重慶天泰鋁業(yè)3臺168 kA系列電解槽中的進行工業(yè)試驗，考核期穿孔陽極結(jié)構(gòu)電解槽長期運行的平均槽電壓比傳統(tǒng)電解槽降低了0.23 V，電流效率從91.15%提高到91.85%，提高了0.7%；生產(chǎn)每噸鋁直流電耗降低了683 kW·h，達到了12 248 kW·h。試驗槽在低電壓下穩(wěn)定運行，為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益。

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(編輯 李艷紅)

Optimization of anode structure in aluminum reduction cells under low power consumption

LI He-song1, CAO Xi1, TIAN Ying-fu2
(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Chongqing Tiantai Aluminum Industry Co., Ltd., Chongqing 401328, China)

The perforation in the carbon block to optimize the structure of anode was researched by using simulation software ANSYS and ANSYS-FLUENT in order to reduce the energy consumption of aluminium reduction industry further more. The industrial test was carried out to study the industrial applications and verify the simulation result. The simulation results show that the bubble layer thickness of the perforated anode is 1.28 cm, reduced by 0.72 cm compared with that of the normal anode, the corresponding voltage is about 240 mV. The minimum temperature of anode block is 704.3 ℃, and the voltage drop of the perforated anode is 379 mV and the current density distribution of the perforated anode and ordinary anode are consistent. The maximum of thermal stress is 17.4 MPa in the perforated anode, which is far less than the allowable stress. The perforated anode industrial test was conducted on three cells. The average cell voltage of perforated anodes decreases by 229 mV compared with the traditional reduction cell after long-term operation, and the current efficiency increases from 91.15% to 91.85%. The production per ton aluminium direct current (DC) consumption of perforated anode reduces by 683 kW·h. The experimental results agree with the theoretical calculation, which indicates that the polar distance of the perforated anode is decreased because the bubbles exhaust quickly.

aluminum reduction cell; low power consumption; perforation structure anode; bubble layer thickness; coupled multi-field; numerical simulation; industrial test

TF821

A

國家自然科學基金資助項目(51004115)；中央高校中南大學自由探索計劃項目(20101220062)

2011-09-10；

2012-04-10

李賀松，教授，博士；電話：18684696162；E-mail: lihesong611@yahoo.com.cn

1004-0609(2012)10-2960-10