способ эксплуатации электролизеров для производства алюминия

Формула изобретения

Способ эксплуатации электролизеров для производства алюминия, включающий контроль силы тока и состава модифицированного добавками фторидов криолитоглиноземного электролита и регулирование теплового режима электролизеров, отличающийся тем, что на каждые 10^oС повышения среднемесячных значений наружной температуры понижают силу тока на 0,20,1% от номинального значения, увеличивают содержание фторида лития в электролите на 0,20,1 мас.% и уменьшают содержание избытка фторида алюминия на 0,60,2 мас.%, при снижении наружной температуры производят противоположные по знаку изменения силы тока и состава электролита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава и может быть использовано на заводах, оснащенных электролизерами всех типов.

Максимальная производительность и наименьший расход электроэнергии на алюминиевых электролизерах достигаются при поддержании в оптимальных диапазонах важнейших технологических параметров силы тока, межполюсного расстояния (м. п.р.), температуры электролита (Т_Э), формы рабочего пространства (ф.п.р.).

Тепловые потери электролизера составляют около 50% затрат энергии на электрохимический процесс, поэтому сезонные изменения наружной температуры (Т_нар) в условиях резкоконтинентального климата являются мощным фактором нестабильности теплового режима, препятствующим оптимизации параметров.

Заводскими технологическими инструкциями предусматриваются два способа компенсации колебаний Т_нар - изменениями м.п.р. (уставочного напряжения) или силы тока.

Первый способ вызывает снижение выхода по току при "зажатии" электролизера или перерасход электроэнергии при превышении оптимального значения м. п.р. Кроме того, регулирование выделения тепла только в междуполюсном зазоре оказывает слабое компенсирующее влияние на анодный и катодный узлы, тепловой режим которых также нуждается в стабилизации.

Изменение силы тока воздействует на термическое состояние всех узлов электролизера, но возможности использования этого регулятора ограничены. Значительные отклонения от номинального значения тока приводят к изменениям перекосов металла, токораспределения, интенсивности теплообмена, ф.р.п. и других параметров, определяющих состояние технологического режима. Допустимые отклонения силы тока от номинала не превышают, как показывает промышленный опыт, 1,5%. Расчетная величина отклонения, обеспечивающая постоянство Т_Э и ф.п.р. в цикле зима - лето, составляет в зависимости от типа электролизера от 3 до 4%. Таким образом, только силой тока невозможно без ухудшения состояния технологии осуществить полную компенсацию изменений Т_нар. Необходимы дополнительные меры, позволяющие сохранить в цикле зима - лето все параметры, включая силу тока, в оптимальных диапазонах.

Известен способ эксплуатации электролизеров по а.с. СССР 855079, включающий контроль силы тока и состава модифицированного добавками фторидов криолитоглиноземного расплава, состоящий в том, что молекулярное криолитовое отношение NaF/AlF₃ (к.о.) поддерживают в пределах 2,65-2,95 в периоды года со среднемесячными значениями Т_нар от нуля до плюс 30^oС и в пределах 2,35-2,65 в периоды года со среднемесячными значениями Т_нар от нуля до минус 30^oС. Сущность способа заключается в стабилизации ф.п.р. подбором температуры ликвидуса электролита (Т_ликв) в зависимости от Т_нар. При повышенной теплоотдаче в зимний период Т_ликв снижают путем увеличения содержания в электролите АlF₃ таким образом, чтобы объем и, соответственно, термическое сопротивление гарниссажа, настыли и корки оставались на неизменном уровне. Летом при пониженной теплоотдаче Т_ликв повышают.

Недостатком способа являются неизбежные чрезмерные отклонения от оптимальных значений остальных, более значимых по сравнению с ф.п.р., параметров (силы тока, м.п.р., Т_Э). Постоянное термическое сопротивление гарниссажа и настыли при изменяющейся теплоотдаче от наружных поверхностей электролизера может быть обеспечено только при сохранении температурного напора Т_Э - Т_нар, т. е. изменения Т_Э, должны соответствовать изменениям Т_нар с коэффициентом пропорциональности 1/R_т, где R_т - суммарное термическое сопротивление, в котором сопротивление твердого электролита является преобладающим.

Технической задачей изобретения является повышение качества регулирования теплового режима электролизера за счет поддержания в оптимальных диапазонах силы тока, м.п.р., Т_Э и ф.р.п. при сезонных изменениях Т_нар.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе эксплуатации электролизеров, включающем контроль силы тока и состава модифицированного добавками фторидов криолитоглиноземного электролита и регулирование теплового режима электролтзеров, на каждые 10^oС повышения среднемесячных значений наружной температуры понижают силу тока на 0,20,1% от номинального значения, увеличивают содержание фторида лития в электролите на 0,20,1 мас. % и уменьшают содержание избытка фторида алюминия на 0,60,2 мас.%, при снижении наружной температуры производят противоположные по знаку изменения силы тока и состава электролита.

Способ осуществляют следующим образом. При изменении среднемесячного значения Т_нар на 10^oС поэтапно производят корректировку в указанных соотношениях силы тока и содержания добавок LiF и AlF₃ путем их ввода в электролит или за счет естественной убыли. При этом с целью обеспечения минимальных изменений ф.р.п. выбирают соотношение между противоположными по знаку изменениями содержания LiF и AlF₃ как 1:3, т.е. на 1 часть, например, увеличения содержания LiF уменьшают на 3 части избыток АlF₃. Это соотношение обусловлено различным влиянием добавок на _ликв: 1% LiF снижает Т_ликв на 9,6^oС, 1% избытка AlF₃ - на 3,2^oС в диапазоне к.о. 2,3-2,75.

При максимальной разнице среднемесячных значений Т_нар в пиковые месяцы зимнего и летнего периодов 50^oС (5 ступеней по 10^oС) диапазоны изменения параметров равны:

сила тока 10,5% I_н;

содержание LiF 10,5 мас.%;

содержание АlF₃ 10,5 мас.% изб (к.о.=0,20,05).

Для электролизеров различной мощности диапазоны изменения силы тока составляют:

0,4-1,2 кА (80 кА);

0,8-2,4 кА (160 кА);

1,25-3,75 кА (255 кА).

Нижнее значение диапазонов относится к электролизерам с минимальной теплоизоляцией катодного и анодного узлов, низкими уровнями металла и другими параметрами, уменьшающими тепловую инерционность электролизера. Верхнее значение имеет место для электролизеров с противоположными характеристиками.

Диапазоны изменения содержания LiF и AlF₃ одинаковы для всех типов электролизеров, при этом нижнему значению содержания добавок соответствует верхнее значение диапазона силы тока. Это обусловлено особенностями технологии и конструкции электролизера: например, в высокоинтенсифицированном режиме электролиза компенсацию изменений Т_нар целесообразнее производить в меньшей мере силой тока и в большей мере составом электролита.

Способ предусматривает относительно небольшие изменения содержания LiF и AlF₃ с тем, чтобы не допустить интенсивное переформирование рабочего пространства электролизера в цикле зима - лето и переход с высокой скоростью большого количества компонентов электролита из жидкой фазы в твердую (гарниссаж и настыль) и обратно. По той же причине выбраны среднемесячные изменения Т_нар.

Теоретической и экспериментальной базой изобретения являются закономерности поведения электролизеров в циклах зима - лето, выявленные при обработке статистических данных по Богословскому, Красноярскому, Братскому, Саянскому алюминиевым заводам.

Аналитическим и опытным путем установлен механизм воздействия добавок в электролит на Т_Э, ф.р.п. электролизера, определены тепловые эквиваленты по силе тока и греющему напряжению для различных типов электролизеров, компенсирующие изменения Т_нар.

Классификация добавок по влиянию на тепловой баланс электролизера позволила обосновать целесообразность взаимного замещения в определенной пропорции LiF и АlF₃.

Сущность замены одной добавки на другую и использования для регулирования теплового баланса именно этих добавок заключается в следующем.

Все используемые в промышленности добавки в электролит, кроме Na₂CО₃, в большей или меньшей мере охлаждают электролизер.

LiF обладает сильнейшим охлаждающим эффектом на T_Э, так как одновременно:

- резко уменьшается приходная часть теплового баланса в связи со снижением электросопротивления и газонаполнения электролита;

- максимально увеличивается расходная часть баланса (тепловые потери) при снижении Т_ликв на 9,6^oС из расчета на 1% LiF. Изменение прихода и расхода тепла действуют в одном направлении - охлаждают электролизер.

AlF₃ имеет на порядок меньший по сравнению с LiF охлаждающий эффект ввиду одновременного увеличения как приходной части баланса (разогрев электролизера), так и расходной части (охлаждение электролизера), при этом охлаждающее влияние расходной части оказывается несколько сильнее (снижение Т_ликв на 3,2^oС на 1% AlF₃).

Исходя из различного характера воздействия LiF и AlF₃ на тепловой баланс, определены функции этих добавок: LiF используется для стабилизации Т_Э при изменениях Т_нар, АlF₃ - для стабилизации ф.р.п., компенсации влияния LiF на Т_ликв.

СаF₂ и MgF₂ обладают слабым охлаждающим эффектом. Применение этих добавок для регулирования теплового баланса нецелесообразно ввиду технологических осложнений, связанных с образованием тугоплавких соединений (шлам, коржи) при больших изменениях концентрации СаF₂ или MgF₂ в электролите. Добавки LiF и AlF₃, не имеют этих недостатков.

Соотношение между изменениями силы тока и состава электролита определены с использованием новой методики анализа теплового баланса электролизеров, созданной в ходе освоения интенсивной технологии электролизного производства Богословского алюминиевою завода в период с 1997 по 2001 гг.

Пример.

Промышленные испытания предлагаемого способа эксплуатации электролизеров проводились в 2001 г. на Богословском алюминиевом заводе в объеме 2-х корпусов электролиза. В таблице приведены показатели работы опытного корпуса 3 и корпуса-свидетеля 2 за январь 2001 г. (Т_нар=-22^oС) и июль 2001 года (Т_нар= +19^oС).

При переходе от зимнего периода к летнему в опытном корпусе ежемесячно производилась корректировка силы тока и состава электролита соответственно изменениям Т_нар. За январь - июль 2001 г. сила тока снижена на 0,72 кА (0,93% Iн), содержание LiF в электролите увеличено на 0,68 мас.%, избыток АlF₃ уменьшен на 2,2 мас.% (увеличение к.о. на 0,14). Среднее значение Т_Э повысилось на 0,7^oС. Уровни металла и электролита, ф.р.п. были стабильными.

В корпусе-свидетеле состав электролита на начало и конец испытаний не изменился. Сила тока снижена на 1,2 кА (1,57% _н), Т_Э повысилась на 4,6^oС. Технологический режим отличался неустойчивостью работы АСУТП при регулировании м. п. р. , нестабильностью уровней металла и электролита, особенно в месяцы наиболее резкого изменения Т_нар (апрель-май). При сохранившемся в среднем по корпусу составе электролита на январь и на июль 2001 г. разброс текущих значении содержания добавок по отдельным ваннам был в 2,5 раза больше по сравнению с опытным корпусом из-за переходных процессов в электролизерах. Снижение силы тока на 1,57% I_н не обеспечило, таким образом, стабильность теплового режима и сохранение оптимальных параметров силы тока, м.п.р., Т_Э и ф.р.п.

В опытном корпусе диапазоны колебаний средних значений силы тока уменьшен в 1,7 раза, Т_Э в 6,5 раз, м.п.р. в 3,6 раза, что позволило повысить производительность электролизера и снизить расход электроэнергии.

Эффективность предлагаемого способа эксплуатации электролизеров подтверждается следующими основными результатами испытаний, полученными в опытном корпусе по сравнению со свидетелем:

- повышение выхода по току на 1,5%;

- повышение средней за период испытаний силы тока на 1,3%;

- увеличение суточной производительности электролизера на 2,77%;

- снижение удельного расхода электроэнергии на 2,3%.