500 kA鋁電解槽熱場數(shù)值模擬及測試分析

李尚瑋,鄧勝祥

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院能源與動力工程系,上海 200423；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 新能源與節(jié)能新技術(shù)研究所,上海 200423)

鋁電解槽熱場分布是槽工況表現(xiàn)的重要特征[1],在鋁電解槽生產(chǎn)過程中電解槽的熱場不僅能夠影響電解槽的運行狀態(tài)同時還影響鋁電解槽的能耗指標,良好的熱場分布能夠讓鋁電解槽獲得理想指標。熱場分布合理時,鋁液和電解質(zhì)溫度適宜,不僅槽幫的厚度以及形狀合適,而且槽膛內(nèi)形穩(wěn)定。當(dāng)熱場分布不合理時,會出現(xiàn)熔體溫度過高或過低的現(xiàn)象,導(dǎo)致槽膛內(nèi)形不規(guī)整且生產(chǎn)工況不穩(wěn)定,從而使電解鋁的產(chǎn)量受到影響,同時槽電壓、內(nèi)襯壽命以及電流效率也會受到影響[2-3]。因此合理的熱場設(shè)計是必要的。為探究500 kA鋁電解槽熱場分布,對500 kA 鋁電解槽切片模型進行了熱場模擬。

1 鋁電解槽切片數(shù)值模擬

將500 kA鋁電解槽按照陽極-陰極進行切片,得到陽極、陰極左右兩側(cè)完全對稱的幾何切片模型,將其作為研究對象,給出如下假定:① 切片模型關(guān)于中軸面對稱,對稱面兩側(cè)的物理場及流體運動方式關(guān)于對稱面對稱,因此只看單陽極-陰極切片;② 切片模型在所有面中只有槽上部、側(cè)部及底部有電、熱傳遞現(xiàn)象[4]。

根據(jù)某廠500 kA電解槽槽體數(shù)據(jù),用 Solid Works 三維建模軟件對電解槽陽極-陰極切片進行建模,模型如圖1所示。并將其導(dǎo)入到COMSOL 三維仿真模擬軟件中,對其熱場進行了模擬。

圖1 電解槽切片模型

2 控制模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)控制模型

控制方程為導(dǎo)電和導(dǎo)熱聯(lián)立方程組:

(1)

式中:σ——導(dǎo)電率,S/K;

V——電位,V;

T——溫度,K;

γ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k);

qvol——控制單元的焦耳熱,在不導(dǎo)電的部分qvol為0[5]。

2.2 數(shù)學(xué)模型邊界條件

2.2.1 熱場邊界條件

熱場邊界條件包括:① 鋁電解槽陽極-陰極切片模型除槽上部、側(cè)部和底部其余表面為絕熱面。② 環(huán)境溫度取實測溫度,環(huán)境溫度為40 ℃。③ 陰極鋼棒端頭處的綜合換熱系數(shù)為 150 W/(m2·℃)。④ 槽體表面散熱系數(shù):

(2)

式中:Tw——散熱表面溫度,K;

Tf——環(huán)境溫度,K;

ε——槽殼散熱表面的黑度,1;

f——角度系數(shù);

σ——史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

查找資料可知鋁電解槽表面,槽殼為粗糙且已氧化的鋼,黑度可取 0.8,槽體上部覆蓋料的黑度可取 0.4,鋁導(dǎo)桿的黑度取0.07,角度系數(shù)取1[6]。

2.2.2 電場邊界條件

電場邊界條件包括:① 在鋁導(dǎo)桿頂部端頭處給均勻電流,陰極鋼棒端頭處設(shè)為接地[7];② 鋁電解槽爐幫不導(dǎo)電,電流經(jīng)鋁導(dǎo)桿導(dǎo)入最后全部由陰極鋼棒傳遞至下一臺電解槽;③ 每塊切片模型的輸入電流應(yīng)按照切片所占整體比例取,電流效率取93%(工業(yè)常用)。

2.3 模擬結(jié)果

將模型導(dǎo)入到COMSOL 三維仿真模擬軟件,進行邊界條件設(shè)定,輸入材料參數(shù),劃分網(wǎng)格,輸入電流,計算結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 電解槽切片溫度分布

圖3 陰極炭塊溫度分布

圖4 電解槽切片模型的等溫線分布

由圖2可知,切片的溫度最高為955.3 ℃,最低溫度為47.4 ℃。根據(jù)分子比可知,初晶溫度約為945 ℃,設(shè)計存在10～12 ℃過熱度,取11 ℃,即模擬應(yīng)在955 ℃達到穩(wěn)態(tài),模擬得出的電解質(zhì)溫度最高為947 ℃。由于只有槽上部、側(cè)部及底部有熱交換,因此邊部溫度低于中部溫度。保溫層的溫度梯度較大,起到了很好的保溫效果。而保溫磚的溫度在600 ℃以下,因此保溫磚不會因為高溫作用而損壞。

由圖3可以看出,陰極炭塊區(qū)域大部分區(qū)域溫度在900 ℃以上,但靠近邊部區(qū)域溫度較低,這能有效防止電解質(zhì)滲入到陰極炭塊當(dāng)中后陰極炭塊會因電解質(zhì)冷凝而遭到破壞。盡管靠近端部的陰極炭塊溫度稍低,但900 ℃等溫線都處于陰極炭塊以下,故整體上陰極結(jié)構(gòu)保溫較好。

切片等溫線分布如圖4所示,從內(nèi)襯結(jié)構(gòu)溫度分布來看,內(nèi)襯中等溫線分布合理,總體呈現(xiàn)出側(cè)部陡峭,底部較平滑的特點,這有助于槽幫和伸腿的形成與維持[8]。這是由于側(cè)部保溫材料與保溫效果良好的側(cè)部結(jié)殼之間散熱較大,造成兩邊溫差大,使得溫度梯度較大,所以等溫線密集。槽底溫度最高為69.12 ℃,低于設(shè)計值80 ℃,說明槽底保溫良好。

3 熱場測試

選取某廠500 kA電解系列A、B、C共3臺電解槽為測試對象,對其進行熱場測試,并記錄了工藝參數(shù)。

3.1 工藝參數(shù)

3臺槽的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)見表1。由表1可知3臺槽的平均槽電壓為3.915 V,1545#槽低于平均電壓。3臺槽的平均電解溫度為944.7 ℃,電解質(zhì)分子比平均值為2.31。電解槽鋁水平總體表現(xiàn)平穩(wěn),維持在360 mm。各槽極距在4.4～4.6 cm范圍內(nèi)基本保持均勻,3臺槽的極距平均值為4.5 cm。

表1 電解槽生產(chǎn)工藝參數(shù)

3.2 熱場測試結(jié)果

3臺被測500 kA鋁電解槽的能量平衡表見表2。

表2 能量平衡表

鋁電解槽能量平衡誤差一般應(yīng)在供入總能量的±5%以內(nèi)。本次測定三臺槽誤差分別為:A槽為0.09%、B槽為1.98%、C槽為2.38%,均在允許誤差范圍之內(nèi)。

鋁電解反應(yīng)能耗是衡量鋁電解槽能量利用率高低的主要標志之一。從表2可以看出,A槽占48.54%、B槽占48.78%、C槽占49.23%,三臺槽的鋁電解反應(yīng)能耗較為接近。

另外,從表中可以看出,三臺槽的煙氣流量熱損失都較大,三臺槽的空氣帶走熱分別占各槽能量收入的23.37%、22.81%、21.62%,應(yīng)注意檢查槽罩密封性能和調(diào)整煙道閥門的開度,以減少無效熱損失。

三臺槽槽底表面平均溫度分別為84.8 ℃、81.2 ℃、79.6 ℃。大型槽底部槽殼溫度設(shè)計值一般為80 ℃左右,由于存在5 ℃的測量誤差,可以認為三臺槽的槽底部溫度基本滿足要求。模擬的槽底溫度最高為69.12 ℃,說明模型槽底保溫效果良好。

針對A槽煙氣熱損失情況,用模型進行模擬復(fù)核,煙氣溫度取實測值155 ℃,煙道速度取10 m/s。模擬結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)由于煙道熱損較大,最高溫度由955.3 ℃降低到953.22 ℃。為了改善保溫決定加厚氧化鋁保溫層,嘗試將氧化鋁保溫層由原來的90 mm分別加厚到98 mm、100 mm、102 mm,模擬結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。隨著氧化鋁保溫層加厚,電解槽最高溫度升高,最低溫度變化不大。當(dāng)加厚10 mm后,電解槽的最大溫度由953.22 ℃提高到955.02 ℃,最低溫度由47.4 ℃提高到47.7 ℃,溫度分布滿足模擬要求。當(dāng)加厚到102 mm時最高溫度為958.4 ℃。氧化鋁保護層的厚度為100 mm時適宜。

圖5 A槽溫度分布

圖6 98 mm氧化鋁保溫層溫度分布

圖7 100 mm氧化鋁保溫層溫度分布

圖8 102 mm氧化鋁保溫層溫度分布

4 結(jié) 論

(1)分析模擬結(jié)果后得出,模擬得出電解質(zhì)最高溫度為947 ℃,實測溫度為944.7 ℃,誤差為0.024%,在誤差允許范圍內(nèi),因此該電解槽陽極-陰極切片模型的仿真模擬計算結(jié)果比較準確,從模擬結(jié)果上來看得出的熱場分布與測試數(shù)據(jù)吻合較好。

(2)鋁電解槽能量平衡差額一般應(yīng)在供入總能量的±5%以內(nèi)。測定三臺槽誤差分別為:為1.98%、2.34%、0.09%,在誤差允許范圍之內(nèi),說明本次熱場測定與計算結(jié)果是有效的。

(3)實測的鋁電解槽熱損失分布數(shù)據(jù)表明,各槽煙氣帶走的熱量占總能量支出比例不一,分別為23.37%、22.81%、21.63%,比較而言,A槽的煙氣熱損較大。針對此情況可以通過加厚氧化鋁保溫層減少陽極炭塊散熱的方式來加強保溫,氧化鋁保溫層的厚度選取要適宜。

(4)從測試結(jié)果來看,各槽的槽底表面平均溫度分別為84.8 ℃、81.2℃、79.6℃,大型槽底部槽殼溫度設(shè)計值一般為80 ℃左右,由于存在5 ℃的測量誤差,可以認為三臺槽的槽底溫度基本滿足要求。