10 kA底部阴极结构电解槽热平衡分析

吴富姬,杨文龙,李 建,罗 璇,欧阳健强

(赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000)

近20年来，我国稀土电解行业都采用传统电解槽，生产过程中暴露出许多问题，如电能利用率低等。热平衡是电解过程中的三大平衡之一，计算电解槽的热平衡对改进电解槽槽型、提高电流效率、降低能耗有重大意义。研究计算了10 kA底部阴极结构电解槽在不同极距和不同阴极半径条件下的热平衡，计算结果可用于指导电解工艺参数优化。

1 槽体介绍

传统的10 kA底部阴极结构电解槽采用上插式阴、阳极结构[1]，生产中暴露的问题有：1)炉口处槽体石墨和阳极石墨氧化严重，阳极有效利用率低；2)槽内温度高，电解质挥发损失严重，原料利用率较低；3)电解槽上部敞口较大，散热量大，热能损失较大。底部液态阴极结构电解槽由石墨阳极、钼导体、绝缘材料等砌筑而成，其剖面如图1所示。

图1 底部液态阴极结构电解槽的剖面

热平衡计算中，模型的相关尺寸为：石墨槽体半径64 cm，阴、阳极距12 cm，阳极半径58 cm，电解槽高度45 cm，石墨槽体外壁加入绝缘材料、耐火砖、外钢槽后外壁半径79 cm，钢槽外壁温度60 ℃，电解槽底部温度60 ℃，电解槽上部钢板温度300 ℃，电解液温度1 030 ℃，环境温度30 ℃。

2 电解槽热平衡计算

电解槽的热平衡是指在稳定状态下，供给电解槽体系的热能为电解过程中所需求的热能与从电解槽体系中损失的热能的总和，即热收入与热支出持平。良好的热平衡状态是实现电解槽高产低耗的重要保证。

2.1 电解槽热收入计算

电解槽的热量主要来自2部分：电流通入电解槽产生的热Q电[2]，石墨阳极与阳极气体发生化学反应产生的热Q化[3]。

电流产生的热Q电为

Q电=3.6UI=3.6×3.311×10 000

=119 696(kJ/h)。

式中：I—电解槽的工作电流，A；U—电解槽熔体电压，V。

阳极气体与石墨阳极的化学反应为

化学反应热Q化为

=44 932(kJ/h)，

其中，CO的标准恒压摩尔热容

Cp=2.84+4.1×10-3T-0.46×10-5T-2。

所以，电解槽热量总收入Q收入为

Q收入=Q电+Q化=164 528(kJ/h)。

由于阳极发生的化学反应热Q化基本为定值，而Q电远大于Q化，说明Q电直接决定电解槽热量总收入Q收入。电解槽阴极半径和阴阳极距对系统热总收入的影响结果如图2所示。

图2 电解槽阴极半径和阴阳极距对系统热收入的影响

由图2看出，阴阳极距和阴极半径不同，电解槽的热收入不同：极距相同时，随阴极半径增大，Q电降低，电解槽热量总收入下降；阴极半径相同，增大极距，Q电增大，电解槽热量总收入Q收入提高。

2.2 电解槽热支出计算

在电解槽模型中，有些部位只存在对流换热或辐射换热，如钢板底部；而有些部位既存在辐射换热又存在对流换热，如钢板侧部和上盖板。计算这些部位热交换时，这2种换热方式都应考虑。电解槽热支出包括以下几部分：侧部钢板散热Q侧[4]，槽体上盖板散热Q上盖，熔盐表面散热Q熔盐，阳极气体带走热量Q气，原料吸收的热量Q料，槽底导热Q底，氧化钕分解热量Q钕。对极距为12 cm、阴极半径为64 cm的电解槽计算其热支出。

侧部钢板散热Q侧：

s侧=π×2×0.79×0.45=2.202(m2)，

=981.7(kJ/h)。

式中：t环—环境温度，℃；Δt—温度差，℃；l—槽体竖直高度，cm；ε侧—黑度，即一般实物表面发射率，取值范围为0～1；Cb—黑体辐射系数，5.67 W/(m2·K)。

槽体上盖板散热Q上盖：

=0.483(m2)，

=2 924.6(kJ/h)。

熔盐表面散热Q熔盐：

=53 869.3(kJ/h)。

阳极气体带走热量Q气：

假设阳极产生的气体全部为CO，反应式为

则每小时气体生成量为

=190.962(mol/h)。

200 ℃时，CO的热焓[5]为

1 030 ℃时，CO的热焓为

当CO温度从200 ℃升至1 030 ℃时，热焓增量为

=26.594(kJ/h)，

则

Q气=ΔH·x=5 078.4(kJ/h)。

原料在加入前都进行预热，取原料温度为150 ℃，则

=613.8(mol/h)，

其中，

Cp=94.76+0.297 6t，

所以，

Q料=ΔH·y=39 070.8(kJ/h)。

槽底导热Q底：

s底=(0.77+0.15)×0.77+0.15π

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=1.179(m2)，

电解槽底部下方是地面，所以热支出只有导热散热，

Q底=s底h底Δt=1 150.8(kJ/h)。

氧化钕分解热Q钕：

Q钕=3.6EI

=3.6×1.69×10 000

=60 840(kJ/h)，

式中：E—氧化钕的理论分解电压，V；I—电流，A。

总热量支出Q总：

Q总=Q侧+Q上盖+Q熔盐+Q气+Q料+

Q底+Q钕

=163 915.6(kJ/h)。

按上面的公式和方法，改变电解槽阴极半径和阴阳极距，相应部分的热支出计算结果如图3～5所示。可以看出：

1)无论极距和阴极半径怎么变化，氧化钕分解热、阳极气体带走热、原料吸收热均为定值；槽底散热、槽体上盖板散热、熔盐表面散热、侧部钢板散热是热量支出的主要形式；由于熔盐表面散发的热量远大于其他3方面所散发的热量，所以，熔盐表面散热是电解槽热量总支出的决定因素。熔盐表面散热Q熔盐、槽底散热Q底、上盖板散热Q上盖只受阴极半径影响，基本不受极距变化影响，Q钕、Q料、Q气为定值[6]；而熔盐表面散热Q熔盐、槽底导热Q底、上盖板散热Q上盖，只受阴极半径影响基本不受极距变化影响，侧部钢板散热Q侧很小：所以，电解槽热量总支出只受阴极半径影响，基本不受极距变化影响[7]。从图5看出,不同极距的热量总支出变化趋势基本一致。

2)阴、阳极距不变，随阴极半径逐渐增大，熔盐表面散热迅速提高，槽底导热逐渐增大，上盖板散热逐渐减小，侧部钢板散热减小。阴极半径增大后，熔盐与空气接触面积增大。熔盐与空气的接触面为圆环形状，阳极半径不变，即圆环内圆半径不变。接触面积增大，熔盐向空气辐射的热量增大，熔盐表面散热增加[8]。随阴极半径增大，槽底面积增大，导致槽底散热也增大。槽底面积增大后，槽内电解质水平下降，所需电解槽高度减小，导致电解槽侧壁表面积减小，最后侧部钢板散热减小[9-10]，最终热量总支出随阴极半径增大而逐渐增大。

图3 阴极半径对侧部钢板散热的影响

图4 阴极半径对电解槽其余部分热量支出的影响

图5 阴极半径对热量总支出的影响

3 结论

电解槽极距相同时，随阴极半径增大，熔体电压减小，电流产生的热量减少，最后电解槽热量总收入减少。阴极半径相同时，随阴、阳极极距增大，熔体电压增大，电流产生的热增加，最后电解槽热量总收入增加。据此，可通过调节极距来使电解槽达到热平衡，热支出大于热收入时可以适当增大阴、阳极距，热支出远小于热收入时则可以适当减小阴、阳极距。电解槽热量总支出只受阴极半径影响，且随阴极半径增大逐渐增大。熔盐表面散热也是电解槽热量总支出发生变化的决定因素。

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