镁电解氯气净化系统的优化研究

郑有恩

【摘要】阐述了如何提高镁电解生产能效，提出了通过使用新型电解槽、降低电解温度和加强绝缘等途径可以有效提高镁电解的生产能效。

【关键词】镁电解；新型电解槽；生产能效；净化

引言

1957年11月我国第一台镁电解槽于抚顺铝厂通电投产，开创了我国镁提炼的工业化时代，奠定了镁电解应用的成功基础。在时隔30多年后的1993年11月，第一台由前苏联引进的更为先进的105kA无隔板镁电解槽再次于抚顺铝厂投产成功，大幅提升了抚顺铝厂镁电解的生产能效，此后，遵义钛厂同样通过引进先进的镁电解技术（110kA电解槽）淘汰老工艺的方式实现了生产能效的提高。自2006年以后，国内新建的一批海绵钛生产项目，引进了具有世界先进水平性质的多极性镁电解槽技术，并获得成功投运，其直流电耗、氯气浓度、原材料消耗、环保程度等多项指标均优于国内其他类型的电解槽。纵观我国镁电解发展史，虽然在短短10余年时间里取得了突破性的成就，但其与发达国家的技术水平相比还相差甚远，巨大的能效提高潜力仍有待发掘和开发并应用于实践。

在电解镁工业中，研究者一直追求提高电流效率，降低总的能耗，以降低生产金属镁的成本。镁电解槽镁的收集率在很大程度决定了电流效率的高低，而液镁的收集又和阴极产生的液镁、电解质及阳极产生的氯气所引起的两相流动紧密相关。两相流动的影响因素包括：电解槽几何结构和操作参数。通过优化操作参数和电解槽结构可以得到一个合理的两相流动，从而得到较高的镁收集率。但是镁电解槽通常在700℃密封条件下运行，根本无法了解运行中镁电解槽内的两相流动的情况。

在镁电解槽研究中，由于涉及商业秘密，相关报道比较少，只有中南大学的谢中等采用石英透明电解槽研究了KCl-NaCl-MgCl2三元系和KCl-NaCl-CaCl2-MgCl2四元系，对MgCl2电解过程中阳极气泡析出的物理过程和氯气喷射角进行了观测和水力模拟。铝电解槽内部熔融盐流动现象的研究相对成熟，一些经验和方法可以为无隔板镁电解槽的研究提供重要的指导。在铝电解槽研究方面，许多学者都采用冷模实验的方法。Fortin[43等人建立了150kA预焙铝电解槽的冷模模型，研究了气泡的行为，以及电流密度、极距、电解质速率对气体层形状、气泡速度、气泡释放频率的影响。John和ZoricE5-63用室温水作电解质，用树脂玻璃槽作为模型槽，用底部带筛板的铝盒或钢盒来模拟阳极，通过筛板通入压缩空气来模拟阳极气泡的产生，进行铝电解槽的冷模实验。

1、技术革新是提高生产能效的有效途径

通过采用全面的技术革新方式来提高自身的生产能效，是最直接、最成功也是最有效的途径，在目前国内镁电解生产的技术性能指标体现中得到了充分的证明，表1是各种镁电解槽型生产技术指标对比。多极性镁电解槽最大的优点是吨镁直流电耗更低，每生产1t镁可节省直流电耗约18%～23%，同时，氯气浓度更高，将会大幅度提升氯化工序的产品质量，另外，氯化镁消耗量极低，电解槽结构设计更为优越，因此，多极性镁电解槽相对于其他类型的电解槽更具提高生产能效的优势。对多极性镁电解槽研究和使用多年的大阪钛公司于1988年已将每kg镁的电耗降至9.5～10kW·h，相当于电能效率达到64%～67%，先期验证了该类槽型的先进性。

2、镁电解槽技术发展

在镁电解槽中，熔融氯化镁电解产生金属镁和氯气：MgCl2→Mg+Cl2↑自18世纪开始镁的工业生产以来，世界各国均采用电解法炼镁。镁电解槽在19世纪末期应用于工业生产。初期的镁电解槽是一种简单的无隔板电解槽。它的结构简单，极距易于调整，但不能密封，氯气不能回收，电流效率和电能效率很低。20世纪30年代后，这种电解槽被有隔板槽取代，电解过程各项指标得到明显改善。60年代以后，工业上又出现了新型无隔板镁电解槽，将镁工业推向了一个新水平。70年代后，以海水、盐卤为原料，电解无水氯化镁制取镁和氯的工艺有了新的进展传统的镁电解槽依其供电方式及整个配置的不同，可分为有隔板电解槽、道屋型电解槽和无隔板电解槽，电流强度由130kA增至300kA。前苏联、美国、日本、挪威都采用无隔板电解槽。目前，无隔板电解槽技术应用最为广泛。无隔板电解槽一般有两种类型：一种是借助电解质的循环带动镁进入集镁室，另一种是借助导镁槽使镁进入集镁室。

无隔板电解槽由电解室和集镁室组成。电解室设有阴极和阳极。集镁室收集从电解室随电解质循环带来的金属镁。集鎂室和电解室之间用隔墙隔开，镁和氯被分离。在循环集镁的无隔板槽中，电解质在电解室和集镁室之间循环流动。

（1）电耗低，吨镁电耗比有隔板槽低2000kWh。

（2）无隔板电解槽电流可增大至30～40万A，比有隔板槽高很多，这是由于无隔板槽工作容积与集镁室容积的比值较大所确定的。

（3）电解室密闭性好，氯气浓度较高。

（4）氯气与镁分离较好，电流效率较高。与有隔板槽相比，由于无隔板电解槽电解室结构紧凑，所以单位槽底面积镁的生产率较高。

（5）无隔板电解槽没有阴极室排气，集镁室排气量较少，因而热损失小。

（6）无隔板槽是低温生产，在670～690℃温度下电解，电流效率高，故能量消耗显著下降。

我国镁电解技术起步较晚，从1957年抚顺铝厂镁电解投产以来，我国镁电解槽经历了64kA有隔板电解槽、62.5kA无隔板电解槽、105kA无隔板电解槽、120kA无隔板电解槽等多代镁电解。1961年起国内又进行过有隔板槽、无隔板槽的工业试验研究和生产工作。1987年11月青海民和镁厂建成了国内自行设计的110kA、14台有隔板槽和2台无隔板电解槽并顺利投产，使我国电解法炼镁工业生产跃上一个新台阶。1993年8月中国核工业总公司202厂镁厂105kA无隔板槽顺利投产，9#电解槽运行寿命达25个月零5天，创该厂历史最好水平。1994年贵州万山氯碱镁厂规模为1400t/年电解镁厂投产。2001年遵义钛厂电解镁车间投入生产（规模为5000t/年），使我国电解法炼镁有了较大的提高。

3、镁电解多极槽技术

如果在一个电解槽的阴阳极之间插入一块导板，导体便具有双极性，面对阴极的一面成阳极，面对阳极的一面成为阴极，该导体被称为双极性电极。由众多双极性电极组成的电解槽被称为双极性电解槽或多极性电解槽。双极性电解槽是一种能量效率更高的改进型无隔板镁电解槽。其工作原理及特点是：在阴阳极之间放入双极性导体，在电解槽外加电压作用下，双极性导体一面呈正电位，另一面呈负电位，使电解槽阴阳极之间的电压呈梯级分布，从而大大提高了工作效率和电能效率。

提出多极槽技术构想的是埃肯公司，而实现工业化的是SUMITOMO公司。目前，多极槽技术仅在日本住友钛业（SUMITOMO）、东邦钛业（TOHO）及国内洛阳双瑞万基海绵钛项目使用。据有关资料介绍，多极槽技术使用的电解槽尺寸一般为单极槽的2倍。电解槽内加入一个潜水仓用于对电解质液面进行精确调节，能确保生产过程中电解质高效循环和液镁顺利进入集镁室，保证电解平稳进行。产生的金属镁使用氩气保护，无阴极废气排放。生产过程中镁不易被氧化，产品镁品质高；氯气浓度高（大于96%），电解槽产渣量少（吨镁产渣量约为国内技术的1/15），生产过程中不用扒渣；镁二次反应程度小，有利于提高电能效率；电解槽运行温度低，可有效控制热槽和冷槽；单槽产能高（约为国内电解槽产能的3倍）。

参考文献：

[1]张永健.镁电解生产工艺学[M].中南大学出版社，2006（09）：21.

[2]耿亚鸽.无隔板镁电解槽研究进展.冶金设备，2008（167）：60.