粉煤灰所產(chǎn)新型氧化鋁電解過程中流場仿真研究

閆淑君

(中國神華哈爾烏素露天煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)孵化基地, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 前言

某公司采用“一步酸溶法”以粉煤灰為原料生產(chǎn)的新型氧化鋁純度達(dá)到99%以上,其顆粒粒徑、磨損指數(shù)、流動(dòng)性等顆粒性質(zhì)與拜耳法所產(chǎn)氧化鋁存在一定差異[1]。新型氧化鋁粒度分布較寬、細(xì)顆粒含量較多、磨損系數(shù)高、顆粒松裝密度較小等。鑒于新型氧化鋁和拜耳法所產(chǎn)氧化鋁的性質(zhì)差異,發(fā)現(xiàn)阻礙新型氧化鋁在電解槽中工業(yè)化應(yīng)用的主要是一些工程問題,如氧化鋁輸送、添加的順暢度,顆粒破碎程度以及細(xì)顆粒飛揚(yáng)損失等。鋁電解生產(chǎn)過程中,原料氧化鋁加入電解槽后,會(huì)隨著熔體的運(yùn)動(dòng)輸送分散至電解槽的各個(gè)區(qū)域,同時(shí)發(fā)生溶解、擴(kuò)散及對(duì)流的傳質(zhì)過程[2-3]。本文通過搭建多相流仿真模型,模擬電解槽內(nèi)新型氧化鋁的瞬態(tài)輸運(yùn)過程,分析影響新型氧化鋁輸運(yùn)的因素,為鋁電解生產(chǎn)提供理論指導(dǎo),解決工業(yè)應(yīng)用問題。

1 流體模型參數(shù)、邊界條件的設(shè)定

本模型中包含電解質(zhì)(連續(xù)相)-固(氧化鋁顆粒)-陽極氣泡(離散相)三相,而電解質(zhì)相則包含冰晶石和氧化鋁兩種組分。本文中流體計(jì)算模型屬于“電解質(zhì)-陽極氣泡”瞬態(tài)兩相流,為了提高瞬態(tài)計(jì)算的效率和迭代過程的收斂能力,忽略鋁液相對(duì)電解質(zhì)區(qū)域氧化鋁輸運(yùn)的影響;同時(shí),為解析氧化鋁輸運(yùn)過程的流體動(dòng)力學(xué)特征,將電解質(zhì)視為含氧化鋁的多組分相,故又屬于多組分流的研究范疇。

新型氧化鋁平均粒度小,活性高,溶解速度為2.1×10-9m2/s,較拜耳法氧化鋁溶解速度(1.5×10-9m2/s)快40%。新型氧化鋁和拜耳法氧化鋁的溶解時(shí)間見表1。

表1 不同氧化鋁樣品單次溶解時(shí)間

考慮到陽極氣泡尺寸很小且體積分?jǐn)?shù)也較小,故設(shè)置電解質(zhì)為連續(xù)相,陽極氣泡為離散相。模型內(nèi)的流體類型和物性參數(shù)設(shè)置分別見表2和表3,邊界條件見表4。

表2 流體模型

表3 物性參數(shù)

表4 邊界條件

2 電解槽內(nèi)電解質(zhì)流場分布及氧化鋁濃度分布

針對(duì)200 kA鋁電解槽,根據(jù)前述建立的流場模型、邊界條件的設(shè)定、新型氧化鋁的性質(zhì)及氧化鋁下料及濃度分布計(jì)算方法,模擬分析電解槽內(nèi)電解質(zhì)流場分布和氧化鋁濃度分布。

2.1 新型氧化鋁在電解槽內(nèi)的流場分布

根據(jù)工藝特點(diǎn),按照四點(diǎn)同時(shí)下料,下料周期為136 s,定容器大小1.6 kg,計(jì)算10個(gè)周期內(nèi)的下料情況。四個(gè)下料點(diǎn)的編號(hào)和排列順序如圖1所示。

圖1 四個(gè)下料點(diǎn)位置分布

極距中心截面(極距高度4.5 cm)的流速分布和流場形態(tài)如圖2所示。在圖2中分別對(duì)進(jìn)電側(cè)(A側(cè))和出電側(cè)(B側(cè))的陽極依次按照A1～A14和B1～B14的順序進(jìn)行編號(hào)。從圖2可知,計(jì)算得到的氧化鋁最大流速和平均流速分別為0.288 m/s和0.075 m/s,在電磁力和陽極氣泡的共同驅(qū)動(dòng)作用下,槽膛內(nèi)有許多小渦旋,其中電解質(zhì)的出鋁端(TE)和煙道端(DE)角部位置的渦旋較大,使得電解槽內(nèi)氧化鋁的輸運(yùn)和傳遞更快,范圍更廣[4]。此外,進(jìn)電側(cè)(A側(cè))的電解質(zhì)流速略大于出電側(cè)(B側(cè)),而電解槽內(nèi)電解質(zhì)流速最大值則處于中縫線上靠近出鋁端(TE)和煙道端(DE)并且偏向A側(cè)的位置。

圖2 水平截面的氧化鋁流速矢量分布圖

垂直截面(第10塊陽極)的氧化鋁流速分布和流場形態(tài)如圖3所示。從圖3可知,在陽極氣泡的驅(qū)動(dòng)作用下[5],電解質(zhì)在陽極間縫和陽極邊縫處有明顯的渦流,同時(shí)垂直截面上流速較大值也位于間縫和邊縫處,電解質(zhì)最大流速和平均流速分別為0.125 m/s和0.034 m/s。將下料點(diǎn)正下方的極距中心截面處各點(diǎn)的流速數(shù)據(jù)提取可得圖4。從圖4中可知,FD2、FD4下料點(diǎn)流速較大,FD1、FD3流速較小。

圖3 垂直截面的流速矢量分布圖

圖4 各下料點(diǎn)極距中心位置的電解質(zhì)流速

2.2 電解槽內(nèi)氧化鋁的濃度分布

為了進(jìn)一步觀察上述流場分布下電解質(zhì)中氧化鋁的運(yùn)輸及濃度分布情況,計(jì)算并提取第1周期內(nèi)極距中心截面4個(gè)時(shí)刻的氧化鋁濃度分布云圖(圖5)。

圖5 第一周期極距中心截面氧化鋁濃度分布變化

從圖5可以看出,在電磁力和陽極氣泡的共同驅(qū)動(dòng)作用下,氧化鋁下料后,逐步溶解并擴(kuò)散至全槽[6]。由34 s、68 s、102 s和136 s的氧化鋁濃度變化情況可以發(fā)現(xiàn),下料點(diǎn)FD1和FD4擴(kuò)散速度較快,且同樣時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散范圍較大;FD2和FD3擴(kuò)散速度較慢,且相同時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散范圍較小。4個(gè)下料點(diǎn)處電解質(zhì)流動(dòng)的方向如圖6所示。

圖6 電解質(zhì)流速的方向

第10個(gè)周期結(jié)束時(shí),氧化鋁已經(jīng)得到了較均勻的擴(kuò)散,其濃度分布如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn),電解槽B側(cè)的TE角部區(qū)域氧化鋁濃度較低,FD2和FD3中間的區(qū)域氧化鋁濃度最低,而A側(cè)整體的氧化鋁濃度整體比B側(cè)濃度偏高,這可能是因?yàn)镕D2和FD3的氧化鋁向四周擴(kuò)散較快,同時(shí)A側(cè)的電磁力比B側(cè)更大,使得A側(cè)電解質(zhì)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度更大,渦旋更多,因而氧化鋁向A側(cè)擴(kuò)散得更快[4]。

圖7 第10周期末極距中心截面處氧化鋁濃度分布圖

為了進(jìn)一步分析氧化鋁濃度分布的均勻性,求取10個(gè)周期內(nèi)氧化鋁高濃度(氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)>2.6%)區(qū)域面積時(shí)變圖和低濃度(氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)<2.4%)面積時(shí)變圖,結(jié)果如圖8和圖9所示。

從圖8可以看到,高濃度區(qū)域的面積隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)周期性變化。氧化鋁下料時(shí),高濃度區(qū)域面積會(huì)猛增到10 m2左右,然后又逐漸回落,最低時(shí)會(huì)降到2 m2左右;從第2個(gè)周期開始,氧化鋁高濃度區(qū)域面積波動(dòng)情況基本保持一致。從圖9可以看出,低濃度區(qū)域面積的變化幅度比高濃度區(qū)域面積變化幅度要小很多,并且從第5個(gè)周期開始,低濃度區(qū)域面積變化幅度平穩(wěn)下來后,基本保持在4～5 m2,這說明電解槽內(nèi)的氧化鋁濃度分布基本平衡。

圖8 10個(gè)周期內(nèi)氧化鋁高濃度區(qū)域面積時(shí)變圖 (氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)>2.6%)

圖9 10個(gè)周期內(nèi)氧化鋁低濃度區(qū)域面積時(shí)變圖 (氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)<2.4%)

此外,在電解槽內(nèi)取8個(gè)觀測點(diǎn)(位置如圖10所示、表5),統(tǒng)計(jì)氧化鋁濃度變化情況,得到圖11和圖12。觀察圖中的8條曲線,可以發(fā)現(xiàn)大部分觀察點(diǎn)的氧化鋁濃度都隨著下料過程呈周期性變化,其中僅有OB4、OB5、OB8等少數(shù)下料點(diǎn)位置處變化不明顯,這說明氧化鋁在該區(qū)域的濃度變化不大。而總體來看,中間位置的氧化鋁濃度波動(dòng)大,兩端的氧化鋁濃度波動(dòng)小,靠近電解槽DE觀察點(diǎn)的氧化鋁濃度波動(dòng)幅度比靠近TE的更大。

圖10 觀測點(diǎn)平面位置

表5 觀測點(diǎn)位置

圖11 OB1～OB4觀測點(diǎn)的氧化鋁濃度變化

2.3 電解質(zhì)流場分布以及垂直截面氧化鋁濃度分布

對(duì)于極距中心電解質(zhì)分布采用旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和流線分布進(jìn)行解析,結(jié)果如圖13和14所示。與圖2對(duì)比,電解質(zhì)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度圖和流線圖能顯示更多的流場信息。從圖13和圖14中可以發(fā)現(xiàn),在各個(gè)陽極投影的四周普遍分布著范圍較小但強(qiáng)度較大的渦流,尤其是邊縫和間縫的交叉位置以及煙道端和出鋁端附近;同時(shí),進(jìn)電側(cè)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度明顯大于出電側(cè),同時(shí)在兩側(cè)的角部有兩個(gè)較大的渦旋[7]。

圖15是陽極氣泡的等速面(流速為0.330 m/s)。從圖15中可以發(fā)現(xiàn),陽極氣泡的主要驅(qū)動(dòng)作用在間縫和邊縫區(qū)域。在這些位置,陽極氣泡的流速分布比較均勻,同時(shí)氧化鋁的輸運(yùn)速度會(huì)更快。

圖15 陽極氣泡的等速面(流速等于0.330 m/s)

氧化鋁在前45 s內(nèi)垂直截面的濃度分布變化情況如圖16所示。從圖16可以發(fā)現(xiàn),氧化鋁在下料后的5～20 s內(nèi)快速地溶解擴(kuò)散,基本上在下料后15～30 s內(nèi)垂直方向上的擴(kuò)散就結(jié)束了,所以氧化鋁沉淀最有可能發(fā)生在這個(gè)時(shí)間段。

3 結(jié)論

圖16 垂直截面氧化鋁濃度分布變化

從氧化鋁濃度場和電解質(zhì)流場計(jì)算結(jié)果可知,電解質(zhì)流場穩(wěn)定,新型氧化鋁濃度分布合理。在電磁力和陽極氣泡的共同驅(qū)動(dòng)作用下,添加的新型氧化鋁在電解質(zhì)中比較分散,形成的團(tuán)聚體能快速分解,渦旋的存在使得槽內(nèi)氧化鋁的輸運(yùn)和傳遞更快,同時(shí)熔體內(nèi)產(chǎn)生的氣體有助于氧化鋁顆粒的分散,以及打破團(tuán)聚體增加氧化鋁溶解速率,電解質(zhì)出鋁端和煙道端角部位置的氧化鋁溶解最快。在實(shí)際生產(chǎn)中,合理配置下料器及下料點(diǎn)控制新型氧化鋁濃度的分散、輸運(yùn),保持氧化鋁濃度分布均勻、電解質(zhì)流場穩(wěn)定,有利于減少陽極效應(yīng)和提高電流效率。