鋁電解槽高溫煙氣焙燒技術的理論與實踐.pdf

1、我國的鋁電解工業(yè)正處在空前的繁榮昌盛時期，然而，國內的鋁電解槽的槽壽命較國外普遍偏低。焙燒技術對鋁電解槽的壽命有至關重要的影響，因此，焙燒技術的開發(fā)與研究對鋁電解生產(chǎn)尤為重要。 本論文針對目前國際上火焰直接加熱的燃料焙燒技術的不足，首次提出了一種新的燃料焙燒技術——鋁電解槽的高溫煙氣焙燒技術，即用燃料燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣來加熱鋁電解槽，并根據(jù)高溫煙氣焙燒技術的要求，開發(fā)了鋁電解槽高溫煙氣焙燒裝置，并對該技術所涉及的一些理論問題進行

2、了深入、系統(tǒng)的研究。 針對電解槽炭極及扎固糊表面是否會被嚴重氧化等問題，首次用實驗方法研究了炭極以及扎固糊在煙氣中的氧化特性。實驗測得，溫度低于700℃時，炭極在煙氣中的氧化速率在0.5mg/min·cm2以下，僅為在空氣中的3-5％；在溫度高于700℃以后，電極的氧化速率開始升高，但也僅為在空氣中的9％左右。另外，還用熱力學和動力學理論研究了炭極的氧化機理，研究認為炭極的氧化速率取決于界面化學反應，并且在焙燒溫度范圍內，炭極在

3、煙氣中的氧化反應屬于一級反應，反應速率常數(shù)與溫度的關系在不同的溫度區(qū)間相差較大。在700℃以前為：lnk=-13617/T+7.1823；在700℃以后為：1nk=-4452.5/T-2.5997。 對鋁電解槽高溫煙氣焙燒的傳熱理論計算與模擬槽上進行的高溫煙氣焙燒的實驗研究表明：高溫煙氣焙燒的升溫速度可調的范圍很大，因此，高溫煙氣焙燒技術能滿足鋁電解槽啟動前的焙燒要求。由于調節(jié)靈活，升溫速度和溫度分布控制方便，可用此方法克服鋁液

4、焙燒和焦粒焙燒之缺點。與其它焙燒方法(焦粒焙燒、鋁液焙燒、石墨焙燒)相比，該技術使電解槽升溫和焙燒均勻，并且可以使陰極表面溫度按優(yōu)化的升溫曲線自動升溫，從而可以有效避免因熱應力而導致的陰極裂縫現(xiàn)象，同時對扎縫和邊部扎固糊的焙燒充分，能達到其它焙燒方法無法達到的效果。 針對高溫煙氣焙燒的特點，對陰極碳塊導熱系數(shù)對陰極溫度分布的影響進行了研究，研究表明：在陰極碳塊導熱系數(shù)為6～10w/m.K時，陰極下表面的溫度達753～817℃，陰

5、極碳塊上下表面溫度差在103～163℃之間。使用導熱系數(shù)小于6w/m.K的陰極碳塊時，導致更大的溫差，不能較好的滿足電解槽的焙燒要求。因此，在陰極碳塊的導熱系數(shù)小于6w/m.K時，不宜用高溫煙氣焙燒技術來加熱電解槽。 高溫煙氣焙燒技術裝置的關鍵是燃燒器和分配室。針對該技術對燃燒器的特殊要求，用燃燒數(shù)學模型研究了燃燒器的性能。研究認為，燃燒器預燃室的存在對提高燃燒器的燃燒效率有利，無預燃室，燃燒效率較低，最大為60％，加裝預燃室后

6、，燃燒效率能達到80％以上，但燃燒室的溫度由1850K提高到了2000K，這對燃燒室的使用壽命不利。因此，降低壁溫是加裝預燃室后的燃燒器設計中所要考慮的問題。由于三次風的存在，燃燒室壁溫降低130K，這對燃燒器的壽命有利。另外，通過建立分配室流動與傳熱的數(shù)學模型研究了分配室的流場與溫度場。研究認為矩形斷面分配室優(yōu)于圓形斷面分配室，分配室各噴口的流量與能量分配的均勻性主要受分配室入口位置、形狀和入口方向、分配室斷面尺寸以及噴射管結構的影響

7、，與入口速度關系較小。并對分配室的結構參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了較合理的分配室結構尺寸。 針對鋁電解槽槽內腔形狀復雜同時存在多塊陽極的計算對象，首次應用整體建模及耦合求解的思想，建立了鋁電解槽煙氣焙燒過程的數(shù)學模型，避免了計算對象中復雜的幾何邊界條件的處理以及大量的導熱與對流的耦合邊界問題，使溫度場的求解簡單方便，較好地解決了高溫煙氣焙燒時電解槽內的溫度場計算。應用所建立的數(shù)學模型，計算了160KA系列和75KA系列電解槽高溫煙氣焙

8、燒時的溫度分布，結果表明，采用高溫煙氣焙燒該技術不但能方便地按升溫要求焙燒好槽底陰極，而且能使邊部扎固糊取得很好的焙燒效果，彌補了其它焙燒方法不能很好地焙燒邊部扎固糊的缺陷。在加熱末期，陰極上表面最大溫差被控制在100℃左右，下表面溫度可達到750℃左右，能較好地滿足鋁電解槽焙燒的工藝要求。同時，該方法也為復雜結構下的流動與傳熱的研究提供了新的途徑，豐富和充實了冶金熱能工程的理論研究。 研究成果應用于中國鋁業(yè)廣西分公司的160K

9、A系列和山西關鋁股份公司的75KA系列電解槽上，可以做到使陰極內襯表面溫度緩慢均勻上升，陰極表面溫度均勻；同時，避免了燃料焙燒時扎固糊及陰極碳塊燃燒損壞的可能性。 綜上所述，本論文開發(fā)的高溫煙氣焙燒技術既具有燃料焙燒的優(yōu)點，還彌補了目前國外燃料焙燒易使炭極及扎固糊表面燃燒氧化的不足，是一種較理想的鋁電解槽焙燒技術，該技術的開發(fā)成功，不但填補了我國在燃料焙燒新技術的研究和開發(fā)中的空白，而且也充實和完善了鋁電解槽燃料焙燒理論。