和点进电铝电解槽能量平衡测试与计算方法(完整版).doc
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1、和点进电铝电解槽能量平衡测试与计算方法(完整版)(文档可以直接使用,也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载) YS中华人民共和国有色金属行业标准 YS/T 120.3-200X铝电解槽能量平衡测试与计算方法(五点进电和六点进电预焙阳极铝电解槽)Prebaked anode electrolytic aluminium cell(Five and six feed current)Test for energy blanace and its calculating method(送审稿)200发布 200实施国家发展与改革委员会 发布前 言随着我国铝电解槽技术的发展,各种进电方式的大容量预
2、焙阳极铝电解槽投产运行,其中大面五点进电和大面六点进电铝电解槽是大容量铝电解槽技术的发展方向。为指导铝电解生产合理用能,特制定本标准。本标准是结合我国铝电解发展实际情况,本着科学性、合理性、适用性的制标原则进行制定的。本标准参照了YS/T120-92铝电解槽能量平衡测试与计算方法。本标准附录A为规范性附录。本标准自实施之日代替YS/T120-92。本标准由国家发展与改革委员会提出。本标准由全国有色金属标准化委员会归口。本标准由中国铝业股份负责起草。本标准主要起草单位:中国铝业股份广西分公司、贵阳铝镁设计研究院。本标准主要起草人:张庚民、杨朝红、黄涌波、易小兵、王朝鹏。本标准委托全国有色金属标准
3、委员会负责解释。预焙阳极铝电解槽能量平衡测试与计算方法1 范围 本标准规定了冰晶石氧化铝熔盐电解法密闭型中间点式下料大面五点和大面六点进电预焙阳极铝电解槽能量平衡的测试方法与计算方法。2 基本概念2.1 铝电解基本过程的总反应式: (1)式中:N 阳极气体中CO2的体积百分比N = CO2 /(CO2+CO)或(2)式中:电流效率阳极气体中CO2的体积百分比测定在进行阳极气体中CO2的体积百分比测定之前,确定需要测定的电解槽,在电解质结壳面上,凿开一个圆形的洞,洞口大小与烟气采样器的采集口相当,电解槽内的其他火孔要堵上。把烟气采样器的采集口对准所开的洞口,对好后把采集口周围的空隙封堵好,防止空
4、气进入烟气采样器。烟气采样器的另一端接双联球,操作双联球进行烟气采集。采集到的电解槽烟气通过奥氏气体分析仪,分析烟气中CO2的百分含量。2.2 物料平衡2.2.1 电解槽每小时产量 电解槽每小时铝产量: (3)式中:M 电解槽的每小时原铝产量,kg/hI 电解槽通过的电流强度,kA0.3355铝的电化当量,gA-1h-1电流效率, 氧化铝的消耗量 kg/h(4) 氧化铝理论单耗 kg/t.Al(5) 炭的理论(最小)消耗量阳极氧化过程中产生的一次气体全部为CO2时,按铝电解总反应式(21)计算: kg/t.Al(6) 炭生成CO2和CO的电化学当量 炭生成CO2的电化学当量为0.112g/Ah
5、 炭生成CO的电化学当量为0.224g/Ah 二氧化炭的生成量 kg/kg.Al或 kg/kg.Al kg/h(7) 一氧化炭的生成量 kg/kg.Al或 kg/kg.Al kg/h(8)2.3 铝电解槽的电压平衡 电压平衡按附录A的规定。 计算体系内电压降(9)式中各参数说明见附录A。 将电解槽生产技术条件和物料单耗及作业制度填写在表1中。表1 生产技术条件、物料单耗序号项目单位指标1实际电流强度KA2阳极电流密度A/cm23铝液水平高度cm4电解质水平高度cm5工作电压V6极距cm7平均分子比8电解质中添加剂%9效应系数次/台.日10氧化铝单耗kg/kg.Al11氟化铝单耗kg/kg.Al
6、12氧化钙单耗kg/kg.Al13冰晶石单耗kg/kg.Al14炭阳极单耗kg/kg.Al3 密闭型预焙槽各部温度测量3.1 测量器具测量仪器、仪表和工具列在表2中,可选择采用。表2 铝电解槽能量平衡测试仪表仪器仪表精度测量范围点温计0500表面温度计0.50500电位差计0.1热电偶铂铑10-铂镍铬(硅)- 镍硅及补偿导线热流计气体分析仪红外线测温仪1流量测定仪3.2 温度测量3.2.1 槽壳底部槽壳底部温度测量分布按图1进行,测温布点可选择在网格点的中心位置,并尽量等距离布点。ab槽壳钢底板温度筋板腹板温度筋板底板温度c1n32图1 槽壳底部各测温点分布示意图在测量槽壳底部钢板温度的同时,
7、需测量各底筋工字梁的腹板和底板温度。 槽壳侧部槽壳侧部温度测量按图2进行布置测温点。54321筋板、侧板温度 bac(槽A、B两大面) (槽D、E两端面)图2 槽壳侧部测温点位置示意图高度方向:以端部(或侧部)双围带对应的中部、每个阴极钢棒窗口上,下部位布点,即分为3组测温带。长度方向:每隔一组摇篮架布置一测点,位置选在两组摇篮架之间的槽壳钢板中点。测槽壳侧部温度同时,需测量各侧筋工字梁的腹板和底板温度。3.2.3 密封集气罩密封罩各部温度的测量按图3进行布置测温点。侧部罩:每组槽罩上、中、下各布一测温点;端部罩:方形槽罩上、中、下各一测温点,三角槽罩12点;水平罩:在槽两侧每两组导杆对应的中
8、部位置上布置测温点。 槽沿板槽沿板温度测量,选在槽沿板外侧面布测温点,布点位置应对应于槽壳大面和端面的侧部测温点位置,每个位置测量1点温度。 阴极钢棒 阴极钢棒的测温点,选择在每根阴极棒的内、外两侧各布置1个点。每根阴极钢棒的铝钢焊(或压接)片的铝头侧布置1个侧温点。 铝导杆 铝导杆的测温点,选在槽罩上每根铝导杆的外露点至卡具之间的中部位置,测点为每根铝导杆的内外侧各1点。 摇篮架 摇篮架测温点布置,对应于槽壳侧部钢板的筋板温度测量方法。阳极导杆测点 水平罩测点图3 槽罩、阳极导杆各部位测温布点示意图 电解质温度在电解槽A、B两个大面的加工面中部,出铝端、烟道端各选一个电解质温度测量点。 烟气
9、流量、压力及温度在电解槽排烟支管的观测孔上,采用专用仪器对电解烟气的流量和压力进行测定。同时测量电解烟气的温度。 环境温度在测量各部位温度的同时,测量附近的空气环境温度。包括:槽(间)侧面上部(操作面)环境温度;槽(间)侧面下部环境温度;槽出铝端环境温度;槽烟道端环境温度;槽底环境温度。 残极温度残极测温点,选在更换出的残阳极的上表面14点。 钢爪温度选择12组处于正常更换周期的中期生产阳极碳块,对其每根钢爪进行1点温度测量。4 预焙槽能量平衡的计算方法4.1 能量平衡的计算原则4.1.1 能量平衡计算温度基础计算电解槽能量平衡的温度基础,取Tk=298OK(25OC)为温度基础。4.1.2
10、能量平衡的计算体系密闭型预焙槽的能量平衡计算体系见图4,应包括:槽底槽壳侧部(包括端部)阴极钢棒头槽沿板四面侧部槽罩顶部水平罩铝导杆图4 电解槽能量平衡计算体系示意图 槽体散热损失计算部位为了准确地计算电解槽的槽体散热损失,将槽体分为如下几个部分进行计算:槽壳侧钢板;槽壳端钢板;槽底钢板;槽壳侧部及端部筋板;槽底筋板;槽沿板;槽四周槽罩;槽顶水平罩;铝导杆;阴极钢棒。 能量收入、支出平衡的计算时间单位能量收入、支出平衡的计算时间单位以1小时为计算时间单位。 体系内电压降计算计算体系内电压降按(9)式进行。 能量平衡方程式根据计算温度基础和计算体系,确定能量平衡方程式为:(10)式中:A电能 k
11、J/h(11) 在计算温度tk下发生电化学反应所耗的全能,kJ/h;电解烟气离开体系时从排烟管处温度t2降至环境温度为t1时,所带走的热量, kJ/h;在电解温度t3下发生电化学反应所耗的全能,kJ/h; 产物铝液离开体系时温度为t2时所带走的热量, 从电解温度t3降至环境温度t1,带走的热量,kJ/h;更换出的残阳极离开体系时温度为t3时所带走的热量,带走的热量, kJ/h;原材料加热的热量补偿 kJ/h; 当环境温度t环计算温度tK时,原材料需加热至tK,所需热量为正值。当t环tK时,对计算体系而言,需带走热量为负值。一般而言,体系计算温度与环境温度差值不大,此项可忽略不记。体系向周围环境
12、通过对流、辐射和传导而损失的散量,kJ/h。 铝电解反应能计算式按铝电解总反应(1)可知: kJ/h(12)4.1.8 对流热损的计算式 kJ/h(13)式中:对流散热损失, kJ/h;A 4.1868 J环境温度(距散热体0.5米高处), ; 给热面温度, ;S 给热面面积(m2),给热面面积应按图纸资料查出或按实测进行计算;对流换热系数;K Cal/M2.h.oC对于水平向上的给热壁:对于水平向下的给热壁:对于介质为空气的紊流情况,A3与t计的关系如图1所示,各散热面的值应按实测温度计算出t计,再按图5曲线A3,算出。A32.01.51.00.50.050 100 200 300 400
13、500 600 t计 图 5 A3与t计关系图 辐射热损失计算 kJ/h (14)式中Q辐 辐射热损失, kJ/h 散热面的黑度系数C0=5.674.96 Wkcal/m-2hK-4绝对黑体的辐射系数角度系数S 辐射面积,m24.2 能量收入的计算 电能 kJ/h(15)4.3 能量支出的计算4.3.1 铝电解反应能按反应式(1),反应所需要的总能量: kJ/h(16) CO、CO2气体带走热量 kJ/h(17) J/mol(18) J/mol(19)式中: 厂房环境温度,K 槽上排烟管中测量的烟气温度,K J 空气带走热量 kJ/h(20)式中:m空 该系统每立方米空气的重量,kgm-3在t
14、2=30时,m空=1.27 kgm-3C 空气比热 kJkg-1K-1在t2=30时,C=1.009 kJkg-1K-1T2 烟气离开体系时的绝对温度, KT1 环境的绝对温度, K当T2273+30K时,应查表修正m空及C的数值。V空自然对流进入罩内空气的流量V空=V槽-(Vco+Vco2) Nm3h-1V槽电解槽烟气流量, Nm3h-1Vco2CO2气体流量, Nm3h-1VcoCO气体流量, Nm3h-1其中:Vco2= Nm3h-1Vco= Nm3h-1 产物铝液带走热量(21)(22)(23)(24)式中:铝的熔化热(C395.733kJkg-1)C1铝在20658的平均比热(C10
15、.967 kJkg-1-1)C2液体铝熔以上的平均比热 (C21.075 kJkg-1-1)M 每小时产铝量,kg/htk1 体系厂房环境温度,t2 t1 铝的熔融温度,t3 t2 铝水离开体系时温度电解温度, 残极块带走热量 kJ/h (25)式中:n 槽上阳极组数D 换极周期,小时m 残极重量,kgC 碳块比热,(=0.709kJkg-1K-1)T1 Tk 环境绝对体系计算温度,KT2 T1 换出残极绝对温度,K (由下式计算)式中:t2换出残极上表面的温度(实测得到),t3电解温度, 钢爪带走热量 kJ/h(26)式中:n每槽阳极组数m 钢爪重量,kg/组.阳极C 钢爪比热,(C=0.5
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