鋁電解陽(yáng)極效應(yīng)控制技術(shù)淺探(講課課件).ppt

鋁電解陽(yáng)極效應(yīng)控制技術(shù)淺探 鋁電解生產(chǎn)技術(shù)交流詹磊 陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理分析生產(chǎn)實(shí)踐陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生因素各因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析控制陽(yáng)極效應(yīng)的具體措施結(jié)論 引言 陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)鋁電解生產(chǎn)本身的影響 業(yè)內(nèi)逐漸趨向一致 認(rèn)為陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)電解生產(chǎn)的危害是主要的 同時(shí)也是電解生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定的體現(xiàn) 實(shí)質(zhì)上 陽(yáng)極效應(yīng)的更大危害在于陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生過(guò)程中產(chǎn)生的全氟化碳 簡(jiǎn)稱PFCs 主要是CF4和C2F6 對(duì)環(huán)境的影響 研究表明 在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中 PFCs主要產(chǎn)生于發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的異常波動(dòng)期間 在正常運(yùn)作期間檢測(cè)不到PFCs氣體 另外 PFCs也會(huì)產(chǎn)生于電解槽啟動(dòng)時(shí)電壓在短時(shí)間內(nèi)上升加熱電解槽及槽內(nèi)原料的短暫時(shí)間內(nèi) 近二十年來(lái) 我國(guó)原鋁工業(yè)的快速發(fā)展 產(chǎn)能 產(chǎn)量均居世界第一 減少PFCs排放將是鋁行業(yè)面對(duì)節(jié)能減排的現(xiàn)實(shí)問題 一 陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理分析 到目前為止 對(duì)于陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理及陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)的反應(yīng) 還是眾說(shuō)紛紜 有關(guān)效應(yīng)發(fā)生機(jī)理的觀點(diǎn)很多 但最受重視且能較好解釋陽(yáng)極效應(yīng)現(xiàn)象的是濕潤(rùn)性改變學(xué)說(shuō)和陽(yáng)極過(guò)程改變學(xué)說(shuō) 一 濕潤(rùn)性改變學(xué)說(shuō) 濕潤(rùn)性改變學(xué)說(shuō)認(rèn)為 氧化鋁是一種能降低電解質(zhì)在炭陽(yáng)極上界面張力的表面活性物質(zhì) 因此 在氧化鋁含量較高時(shí) 電解質(zhì)在炭陽(yáng)極上的表面張力小 而能良好地濕潤(rùn)陽(yáng)極 此時(shí)陽(yáng)極上析出的氣體被電解質(zhì)排擠以小氣泡形態(tài)逸出 當(dāng)氧化鋁含量降低至一定程度后 電解質(zhì)在炭陽(yáng)極上的界面張力增加 此時(shí)電解質(zhì)的濕潤(rùn)能力不足以排擠氣泡離開陽(yáng)極表面 而使氣泡在陽(yáng)極表面停留下來(lái) 逐漸連成一片并構(gòu)成氣體薄膜導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng) 二 陽(yáng)極過(guò)程改變學(xué)說(shuō) 陽(yáng)極過(guò)程改變學(xué)說(shuō)認(rèn)為 陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生是由于隨電解過(guò)程的進(jìn)行 電解質(zhì)中含氧離子逐漸減少 達(dá)到一定程度后 則有氟析出 所析出氟與陽(yáng)極炭相互作用生成碳的氟化物 炭的氟化物在分解時(shí)又析出細(xì)微的炭粒附在陽(yáng)極表面上 而后導(dǎo)致電解質(zhì)不能很好的濕潤(rùn)陽(yáng)極而引起陽(yáng)極效應(yīng) 三 對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生機(jī)理的看法 對(duì)于各種陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生機(jī)理 理論界各有說(shuō)法 但對(duì)于實(shí)際生產(chǎn) 本人認(rèn)為可應(yīng)用研究性較差 我們不僅想知道如何發(fā)生 應(yīng)該更想知道為什么發(fā)生 我們具體如何控制 理論上如何能給一個(gè)可靠的支撐 四 發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的臨界電流密度 陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理研究目前都還處于學(xué)術(shù)假說(shuō)的階段 有許多合理的地方 同時(shí)也存在一定的缺陷 需要進(jìn)一步的完善 為了研究方便 在實(shí)踐工作中引入臨界電流密度分析影響陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的原因 臨界電流密度是指在一定條件下電解槽上發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)的陽(yáng)極電流密度 若陽(yáng)極電流密度達(dá)到或高于臨界電流密度時(shí) 則發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng) 反之則不發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng) 據(jù)此 對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生原因可通過(guò)對(duì)臨界電流密度的研究取得定量或定性的依據(jù) 臨界電流密度是變化的 電解過(guò)程中的各種具體參數(shù)對(duì)臨界電流密度產(chǎn)生不同的影響 臨界電流密度的說(shuō)明 臨界電流密度與以下因素有關(guān) 氧化鋁濃度對(duì)臨界電流密度的影響 電解質(zhì)中的氧化鋁濃度減小 臨界電流密度也減小 溫度對(duì)臨界電流密度的影響 電解質(zhì)溫度提高后 電解質(zhì)對(duì)陽(yáng)極表面的濕潤(rùn)性改善 因此使得臨界電流密度增大 電解質(zhì)性質(zhì)對(duì)臨界電流密度也有一定影響 分子比大小和添加劑對(duì)臨界電流密度的影響有影響 因?yàn)槌煞肿兓瘯?huì)影響?zhàn)ざ群捅砻鎻埩﹄姌O材料對(duì)臨界電流密度的影響 由于電極材料的性質(zhì)將影響固 液和固 氣相間界面張力 必然對(duì)氣泡的生成 生長(zhǎng) 脫離和在電解質(zhì)中電極表面的濕潤(rùn)情況等產(chǎn)生影響 因而使臨界電流密度發(fā)生變化 能改善濕潤(rùn)性質(zhì)的電極材料有較高的臨界電流密度 反應(yīng)器及電極的結(jié)構(gòu)對(duì)臨界電流密度也存在一定的影響 二 生產(chǎn)實(shí)踐陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生因素 一 氧化鋁濃度偏低誘發(fā)的陽(yáng)極效應(yīng)現(xiàn)代大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽采用計(jì)算機(jī)對(duì)氧化鋁濃度進(jìn)行控制 正常情況下 氧化鋁濃度能被較為精確的控制在1 5 2 5 以內(nèi) 但是一些現(xiàn)場(chǎng)因素導(dǎo)致控制不能達(dá)到預(yù)期目的 電解質(zhì)中氧化鋁不能及時(shí)補(bǔ)充而導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng) 這些因素主要有 料箱缺料下料口堵塞或下料器故障NB間隔設(shè)置不合理濃度過(guò) 欠變化率設(shè)置不合理 二 溫度偏低誘發(fā)的陽(yáng)極效應(yīng)在電解生產(chǎn)過(guò)程中 由于電解槽溫度偏低也會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生 在電解槽溫度偏低的狀態(tài)下 電解槽電壓的變化也會(huì)表現(xiàn)出異常 進(jìn)而導(dǎo)致槽控過(guò)程失控 在這種失控條件下 現(xiàn)場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)惡性循環(huán)的情況 溫度低造成控制失控 氧化鋁下料量異常增大 而氧化鋁添加量的增加促進(jìn)了電解槽溫的進(jìn)一步下降 使失控狀態(tài)進(jìn)一步惡化 這種情況下陽(yáng)極效應(yīng)也處于失控狀態(tài) 且很容易造成大量的爐底沉淀 三 電解槽運(yùn)行狀況異常誘發(fā)的陽(yáng)極效應(yīng)電解槽運(yùn)行狀況異常也會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng)的失控 諸如電解槽爐膛畸形 陽(yáng)極換極定位異常 陽(yáng)極電流分布異常 磁流體不穩(wěn)定等因素都會(huì)增加電解槽陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的幾率 四 供電系統(tǒng) 壓縮空氣系統(tǒng)異常誘發(fā)的陽(yáng)極效應(yīng)陽(yáng)極效應(yīng)還會(huì)由于供電系統(tǒng)異常而出現(xiàn)失控 如直流停電 電流強(qiáng)度非計(jì)劃長(zhǎng)時(shí)間下降以及電流長(zhǎng)時(shí)間異常波動(dòng)的情況出現(xiàn)時(shí) 電解系列的陽(yáng)極效應(yīng)一般會(huì)有短期的大幅度增加 另外系列或單槽停風(fēng) 由于打殼下料機(jī)構(gòu)不能正常工作 也會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng)失控 五 其它因素誘發(fā)的陽(yáng)極效應(yīng)不是所有的陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生都能明確的找出對(duì)應(yīng)原因來(lái) 有些陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生還可能與其它一些沒能明確的因素相關(guān) 電解技術(shù)條件的綜合效果因素 陽(yáng)極的因素 電解質(zhì)雜質(zhì)因素等 也可能會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生 三 各因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析 一 氧化鋁濃度偏低誘發(fā)效應(yīng)的理論分析研究表明 隨著氧化鋁含量的增加 臨界電流密度加大 因此 陽(yáng)極效應(yīng)將可預(yù)期的在氧化鋁濃度小于0 5 的條件下到來(lái) 在實(shí)際生產(chǎn)中 由于其它因素的影響 陽(yáng)極效應(yīng)有可能在較高的氧化鋁含量之下發(fā)生 但可說(shuō)明 在同樣的條件下 隨氧化鋁濃度的降低 陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生機(jī)率會(huì)增加 冰晶石 氧化鋁熔液中臨界電流密度 D臨界 隨氧化鋁含量的變化趨勢(shì)1 席施金 2 別略耶夫等 3 皮翁梯里等 4 托恩斯塔 二 溫度偏低誘發(fā)的陽(yáng)極效應(yīng)理論分析隨著溫度的降低 臨界電流密度降低 在其它條件同等的條件下 電解溫度低 容易誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng) 同氧化鋁濃度影響陽(yáng)極效應(yīng)的情況相似 電解溫度對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)的誘發(fā)也是其中原因之一 實(shí)際生產(chǎn)中也可以發(fā)現(xiàn) 有些電解槽長(zhǎng)期處于較低溫度 但陽(yáng)極效應(yīng)仍然是受控的 這只是表明其它生產(chǎn)條件的不同抵消了低溫影響的結(jié)果 三 其它因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析根據(jù)影響臨界電流密度的其它因素 誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)還有很多因素 在實(shí)際生產(chǎn)中 電解質(zhì)的分子比 載氟氧化鋁的物理化學(xué)性質(zhì) 陽(yáng)極質(zhì)量 陽(yáng)極開槽與否等也會(huì)對(duì)陽(yáng)極的產(chǎn)生存在一定的影響 四 槽況異常誘發(fā)效應(yīng)的理論分析導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的各種原因中 各因素的影響使臨界電流密度發(fā)生變化是誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)的一方面 而陽(yáng)極電流密度的變化也是誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)不可忽視另一方面 在電解槽運(yùn)行狀況異常時(shí) 陽(yáng)極電流分布將發(fā)生重要變化 在臨界電流密度沒有發(fā)生改變的情況下 出現(xiàn)個(gè)別陽(yáng)極電流密度超過(guò)臨界電流密度發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng) 并進(jìn)而誘發(fā)全槽陽(yáng)極效應(yīng) 我在電解生產(chǎn)過(guò)程中觀察到的兩個(gè)現(xiàn)象應(yīng)該可以這一論斷的重要支撐 陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)個(gè)別陽(yáng)極沒有效應(yīng)特征正常生產(chǎn)中個(gè)別陽(yáng)極有陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生 陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)個(gè)別陽(yáng)極沒有效應(yīng)特征在進(jìn)行電解槽陽(yáng)極電流全槽連續(xù)監(jiān)控分析的時(shí)候偶然發(fā)現(xiàn) 在陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí) 不是所有的陽(yáng)極都會(huì)表現(xiàn)出陽(yáng)極效應(yīng)特征 個(gè)別陽(yáng)極的電流會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間異常升高的情況 這意味著在陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生過(guò)程中 槽電壓升高 而這些陽(yáng)極的導(dǎo)電性質(zhì)并沒有發(fā)生大的變化 電阻還是非效應(yīng)狀態(tài)的水平 似乎沒有發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng) 這些陽(yáng)極一般是新?lián)Q陽(yáng)極或非效應(yīng)狀態(tài)下導(dǎo)通電流偏小的陽(yáng)極 陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)陽(yáng)極電流的變化情況 正常生產(chǎn)中個(gè)別陽(yáng)極有陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生在對(duì)電解煙氣進(jìn)行PFCs測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn) 某電解系列在沒有陽(yáng)極效應(yīng)的情況下也存在PFCs成份 而該系列與其它電解系列的不同之處除了大之外 主要還是穩(wěn)定性較差 這可能表明 在運(yùn)行不穩(wěn)定的電解槽內(nèi) 個(gè)別陽(yáng)極可能處于類似陽(yáng)極效應(yīng)的狀態(tài) 從而使電解煙氣中出現(xiàn)了PFCs 四 控制陽(yáng)極效應(yīng)的具體措施 根據(jù)對(duì)誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)的原因的分析及陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)表現(xiàn)出的特殊現(xiàn)象 減少陽(yáng)極效應(yīng)主要可從提高臨界電流密度和降低相對(duì)陽(yáng)極電流密度兩大方面進(jìn)行考慮 一 有效保證槽內(nèi)氧化鋁的補(bǔ)充氧化鋁供配料優(yōu)化計(jì)算機(jī)氧化鋁控制策略優(yōu)化如有可能盡量以砂狀氧化鋁替代中間狀氧化鋁 二 合理配置工藝技術(shù)條件電解工藝技術(shù)條件的合理配置是控制陽(yáng)極效應(yīng)的重要內(nèi)容 平穩(wěn)有序的工藝運(yùn)行狀況對(duì)降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)非常必要 技術(shù)條件的合理配置主要有 規(guī)整的爐膛內(nèi)形 合理的能量耗散分布 穩(wěn)定的技術(shù)條件保持 三 規(guī)范電解操作電解操作實(shí)際操作質(zhì)量對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生也有重要的影響 尤其是換極工作質(zhì)量影響最大 提高換極工作質(zhì)量 主要在于陽(yáng)極定位準(zhǔn)確 物料異常落入少 炭渣及結(jié)殼塊打撈干凈 換極時(shí)間短等 通過(guò)對(duì)電解操作質(zhì)量的規(guī)范 減少對(duì)電解槽的干擾 保證電解槽生產(chǎn)穩(wěn)定 降低誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)的機(jī)率 對(duì)控制陽(yáng)極效應(yīng)很有作用 四 加強(qiáng)電解槽焙燒啟動(dòng)管理電解槽的焙燒啟動(dòng)是電解生產(chǎn)的起點(diǎn) 是孕育良好生產(chǎn)狀況的重要環(huán)節(jié) 規(guī)范合理有序的生產(chǎn)操作對(duì)形成良好的電解槽爐膛 合理的散熱分布至關(guān)重要 在此過(guò)程中要確保電解槽中有足夠的電解質(zhì)數(shù)量 防止電解質(zhì)萎縮 保證生產(chǎn)平穩(wěn) 要克服急躁情緒 盲目調(diào)整 避免出現(xiàn)爐膛畸形 電解槽爐底 涼 等異常情況 只有電解槽順利正常啟動(dòng) 后期有效控制陽(yáng)極效應(yīng)才有保障 五 改善陽(yáng)極狀況陽(yáng)極狀況也是控制陽(yáng)極效應(yīng)一個(gè)環(huán)節(jié) 陽(yáng)極狀況分為陽(yáng)極物化質(zhì)量和陽(yáng)極表面狀態(tài)兩方面 陽(yáng)極物化質(zhì)量對(duì)陽(yáng)極掉渣 陽(yáng)極消耗異常等有直接影響 進(jìn)而成為陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的誘因之一 因此在生產(chǎn)中要盡量使用高質(zhì)量陽(yáng)極 陽(yáng)極表面狀態(tài)主要是陽(yáng)極表面的形狀 改變陽(yáng)極氣體的溢出性質(zhì) 目前主要的措施有梯形陽(yáng)極 開槽陽(yáng)極 開孔陽(yáng)極等 采用這些措施的主要目的是減少氣泡撓動(dòng) 降低二次反應(yīng)而提高電流效率或減小無(wú)效極距實(shí)現(xiàn)降低電解槽工作電壓達(dá)到低電耗生產(chǎn)的目的 實(shí)踐表明這些措施對(duì)控制陽(yáng)極效應(yīng)也有貢獻(xiàn) 六 加強(qiáng)供電 供風(fēng)管理對(duì)鋁電解生產(chǎn)而言 良好的供電包括持續(xù)供電和平穩(wěn)供電兩方面的內(nèi)容 在生產(chǎn)管理中加強(qiáng)供電質(zhì)量的管理對(duì)降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)也很有意義 目前廣泛應(yīng)用的不停電啟停電解槽技術(shù)就是其中成功的范例 壓縮空氣對(duì)電解生產(chǎn)的影響不亞于電的影響 尤其是其對(duì)正常下料的影響直接會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生 七 關(guān)注電解槽設(shè)計(jì)關(guān)注電解槽磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)陽(yáng)極電流分布均勻性與電解后期生產(chǎn)管理是否正常有著密切關(guān)系 但是電解槽的磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)也是影響陽(yáng)極電流分布的重要方面 并且由于磁液化不穩(wěn)定產(chǎn)生的陽(yáng)極電流分布異常很難通過(guò)后期的生產(chǎn)調(diào)整進(jìn)行調(diào)整 因此 為有效降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù) 在電解槽設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)使陽(yáng)極電流分布盡可能均勻 關(guān)注電解槽熱場(chǎng)設(shè)計(jì)合理的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中保持規(guī)整的電解槽爐膛也非常重要 而規(guī)整的電解槽爐膛有利于陽(yáng)極效應(yīng)的降低 優(yōu)秀的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)要合理的選擇各種邊界條件 在此基礎(chǔ)上對(duì)各種材料進(jìn)行匹配 同時(shí)結(jié)合電解槽外環(huán)境 或適當(dāng)改變電解槽外環(huán)境 使實(shí)際運(yùn)行狀況盡可能接近所需狀態(tài)