金屬鋰電解槽熱平衡計(jì)算

陳悅娣

（新疆昊鑫鋰開發(fā)有限公司 烏魯木齊 830006）

金屬鋰電解槽熱平衡計(jì)算

陳悅娣

（新疆昊鑫鋰開發(fā)有限公司 烏魯木齊 830006）

通過細(xì)致的計(jì)算，對(duì)金屬鋰電解過程中，電解槽獲得的電能和損失的熱量進(jìn)行了詳細(xì)分析，并完成了金屬鋰電解槽熱平衡計(jì)算。通過電解槽熱損失及熱平衡計(jì)算，可以為金屬鋰生產(chǎn)企業(yè)分析電能消耗的原因、采取有效措施提高電流效率提供依據(jù)，也可為鋰冶煉廠的電解槽設(shè)計(jì)提供參考。

金屬鋰 電解槽 熱量 計(jì)算

1 前言

目前，工業(yè)生產(chǎn)金屬鋰最普遍的方法為氯化鋰-氯化鉀熔鹽電解法，以熔融的氯化鋰和氯化鉀作為原料，在420℃溫度下電解，陽極析出氯氣并進(jìn)行吸收處理后達(dá)標(biāo)排放，陰極析出的金屬鋰導(dǎo)出后鑄錠得到金屬鋰。生產(chǎn)金屬鋰的主要設(shè)備為電解槽，以石墨為陽極，鐵板為陰極。

用電成本是電解金屬鋰生產(chǎn)成本中除氯化鋰原料以外所占比例最大的部分，對(duì)電解過程電能的消耗進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以幫助我們對(duì)做無用功的電能消耗進(jìn)行有效控制，減少能量損失、提高電流效率，從而降低電解金屬鋰的生產(chǎn)成本。

2 計(jì)算前的準(zhǔn)備

⑴以18 000 A電解槽槽型為例（實(shí)際生產(chǎn)電流為15 000 A），時(shí)間按每小時(shí)計(jì)算。

⑵氯化鋰熔鹽電解生產(chǎn)金屬鋰的反應(yīng)方程式：

金屬鋰的產(chǎn)能=0.259×15 000=3 885 g（或560 mol）

氯氣產(chǎn)能=280 mol

氯化鋰的消耗量=560 mol

⑶氯化鋰的熔點(diǎn)為605℃，氯化鉀的熔點(diǎn)為770℃，氯化鋰和氯化鉀的共熔點(diǎn)為420℃[1]（實(shí)際生產(chǎn)中，電解槽中電解質(zhì)溫度控制在420℃～440℃）。

⑷陰陽極有效面積（陰陽極直對(duì)部分的面積）：

⑸電流密度：

①電極電流強(qiáng)度I=15 000/4=3 750 A

⑹電阻：

①陽極電阻：

陽極為石墨，電阻率ρ=0.0008（Ω·cm2/cm）

②陰極電阻：

陰極為鑄鐵結(jié)構(gòu)（含碳量0.45%），導(dǎo)電率ρ0=0.143（Ω·mm2/m）

⑺計(jì)算過程中的Cp、△H、S等熱力學(xué)數(shù)據(jù)見[2]。

⑻耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 kcal/m2·h·℃、鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為39 kcal/m2·h·℃、石棉瓦的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 kcal/m2·h·℃、石墨的導(dǎo)熱系數(shù)為4.21 kcal/m2·h·℃[3]。

3 電解槽獲得總熱量的計(jì)算

3.1 槽體電壓

包括分解電壓、陽極棒電壓降、陰極電壓降、陽極棒與陰極托盤間電壓降、電解質(zhì)電壓降5個(gè)部分。

（1）分解電壓E分解=3.722(V)[4]，所做的功為有用功（為電解反應(yīng)提供電能）：

產(chǎn)生的熱量:Q=U?I?t=3.722?15 000?3 600?0.24/1000=48237.1（kcal）

（2）做無用功的電壓包括：

①陽極棒電壓降：

②陰極電壓降：

③陽極棒與陰極托盤間電壓降：0.1(V)

④電解質(zhì)電壓降：ρ=1/1.57=0.637 Ω-1cm-1

做無用功的總壓降U=E++E-+0.1+E電解質(zhì)=0.548+0.124+0.1+1.789=2.561（V）

產(chǎn)生的熱量：Q=U?I?t=2.561?15 000?3 600?0.24/1000=33190.6（kcal）

4 電解槽損失熱量的計(jì)算

⑴電解產(chǎn)生的金屬鋰從電解槽移走，帶走的熱量由3個(gè)部分組成：

①液態(tài)金屬鋰從420℃降至181℃，損失的熱量：

②181℃(454 K)溫度下，液態(tài)金屬鋰變?yōu)楣虘B(tài)金屬鋰，發(fā)生相變釋放的熱量：

③固態(tài)金屬鋰從181℃降至35℃（操作間的室內(nèi)溫度），釋放的熱量:金屬鋰帶走的總熱量=Q1+Q2+Q3=950.3+397.6+528.0=1875.9 kcal

⑵熔融氯化鋰消耗的熱量由3個(gè)部分組成:

①固態(tài)氯化鋰從t=35℃（308K）升至t=352℃(625K),吸收的熱量:

②在352℃溫度下，固態(tài)氯化鋰變?yōu)橐簯B(tài)氯化鋰，發(fā)生相變吸收的熱量：

③液態(tài)氯化鋰從352℃(625 K)升至420℃(693 K)，吸收的熱量：

熔融氯化鋰吸收的總熱量=Q1+Q2+Q3=2 219+2 654.4+611.2=5 484.6（kcal）

⑶氯氣帶走的熱量：電解過程產(chǎn)生的氯氣從煙道排出時(shí)帶走的熱量：

⑷電解反應(yīng)補(bǔ)償束縛能吸收的熱量：

2 LiCl=2Li+Cl2（電解質(zhì)溫度420℃，即T=693 K）電解反應(yīng)的熵變計(jì)算：

補(bǔ)償束縛能消耗的熱量Q=m?T?S電解反應(yīng)=0.28?693?29.44=5712.53(kcal)

⑸槽體熱損失[5]:

①上槽側(cè)殼:鋼板厚32 mm、耐火磚厚120 mm、石棉瓦厚5 mm。

A.熱傳導(dǎo)計(jì)算：

計(jì)算出上槽側(cè)殼導(dǎo)熱系數(shù)：3.9934(kcal/m2·h·℃)

B.熱對(duì)流和熱輻射：

對(duì)于絕對(duì)黑體C=4.96，磚與磚C=3.5-3.9[3]

繪制槽體導(dǎo)熱與槽殼溫度關(guān)系曲線，繪制對(duì)流輻射熱與槽殼溫度關(guān)系曲線，兩條直線的交點(diǎn)為：t側(cè)殼=122℃，對(duì)應(yīng) Q對(duì)流+Q輻射=Q導(dǎo)熱=7 291.368 kcal。即上槽殼熱損失：7 291.368 kcal。

（2）下槽側(cè)殼：鋼板厚32 mm、耐火磚厚356 mm、石棉瓦厚5 mm。

計(jì)算下槽殼導(dǎo)熱系數(shù)：1.5524(kcal/m2·h·℃)

繪制溫度與對(duì)槽體導(dǎo)熱、溫度與對(duì)流輻射熱的關(guān)系曲線，2條直線的交點(diǎn)為t側(cè)殼=81℃，此時(shí)，Q對(duì)流+Q輻射=Q導(dǎo)熱=526 kcal/m2

下槽殼熱損失：

（3）下槽底：鋼板厚16 mm、耐火磚厚335 mm、石棉瓦厚5 mm。

求得槽底導(dǎo)熱系數(shù)：1.6428(kcal/m2·h·℃)

繪制溫度與槽體導(dǎo)熱、溫度與對(duì)流輻射熱的關(guān)系曲線，兩條直線的交點(diǎn)為：t底殼=79 ℃，此時(shí)，Q對(duì)流+Q輻射=Q導(dǎo)熱=563 kcal/m2

下槽底熱損失Q=526?S底殼=563?3.59=2 021.17 kcal（4）石墨托底：鋼板厚16 mm、石墨厚475 mm

計(jì)算托底的導(dǎo)熱系數(shù)λ=8.835(Kcal/m2·h·℃)

繪制溫度與槽體導(dǎo)熱、溫度與對(duì)流輻射熱的關(guān)系曲線，兩條直線的交點(diǎn)為：t=171℃，對(duì)應(yīng)槽底殼熱損失Q對(duì)流+Q輻射=Q導(dǎo)熱=2 230 kcal

（5）槽體上部散熱：計(jì)算方法同(1)

實(shí)際測(cè)量槽體上部溫度t=160℃，則槽體上部散熱損失

5 電解槽熱平衡計(jì)算

（1）電解槽獲得的總熱量中，發(fā)熱電能33190.6kcal。

（2）電解槽損失的總熱量：①金屬鋰帶走的總熱量1875.9 kcal；②熔融氯化鋰吸收的總熱量5 484.6 kcal；③氯氣帶走的熱量919.5 kcal；④補(bǔ)償束縛能5 712.5 kcal；⑤槽體散熱17 686.9 kcal；熱量損失合計(jì)31679.4 kcal。

（3）熱量收支差：1 511.2 kcal（收支偏差為4.6%）。

6 結(jié)束語

根據(jù)電解槽熱平衡計(jì)算，可以判斷電解槽電能收支基本平衡。

參照以上計(jì)算，金屬鋰生產(chǎn)企業(yè)可以對(duì)造成電解槽熱量損失的原因進(jìn)行分析和計(jì)算，采取控制氯化鋰與氯化鉀的加入比例、降低電解質(zhì)溫度、選擇合適的電解槽材質(zhì)、加強(qiáng)電解槽保溫、選擇適當(dāng)?shù)奶砑觿┙档碗娊赓|(zhì)粘度等措施，最終實(shí)現(xiàn)提高電流效率，降低金屬鋰生產(chǎn)成本的目的。

文中列出的計(jì)算方法和計(jì)算數(shù)據(jù)可為鋰冶煉廠的電解槽設(shè)計(jì)提供參考，通過計(jì)算，確定陰陽極尺寸、極間距以及電解槽規(guī)格，實(shí)現(xiàn)電解槽的低電耗生產(chǎn)。

[1]楊綺琴,劉冠昆.低價(jià)鈦離子在氯化鈉-氯化鉀和氯化鋰-氯化鉀熔體中的電化學(xué)行為[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào).1984,02.

[2]葉大倫.實(shí)用無機(jī)物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè).冶金工業(yè)出版社，1982,2.

[3]中國(guó)石化上海線工程有限公司.化工工藝手冊(cè)(第3版).化學(xué)工業(yè)出版社，2003,8,1.

[4]陸原爾.鋰電解理論分解電壓計(jì)算點(diǎn)滴.新疆有色金屬,1992,01.

[5]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4版).化學(xué)工業(yè)出版社；2009,9.

收稿：2013-07-25