李尚瑋,鄧勝祥

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程系,上海 200423；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 新能源與節(jié)能新技術(shù)研究所,上海 200423)

鋁電解槽熱場(chǎng)分布是槽工況表現(xiàn)的重要特征[1],在鋁電解槽生產(chǎn)過(guò)程中電解槽的熱場(chǎng)不僅能夠影響電解槽的運(yùn)行狀態(tài)同時(shí)還影響鋁電解槽的能耗指標(biāo),良好的熱場(chǎng)分布能夠讓鋁電解槽獲得理想指標(biāo)。熱場(chǎng)分布合理時(shí),鋁液和電解質(zhì)溫度適宜,不僅槽幫的厚度以及形狀合適,而且槽膛內(nèi)形穩(wěn)定。當(dāng)熱場(chǎng)分布不合理時(shí),會(huì)出現(xiàn)熔體溫度過(guò)高或過(guò)低的現(xiàn)象,導(dǎo)致槽膛內(nèi)形不規(guī)整且生產(chǎn)工況不穩(wěn)定,從而使電解鋁的產(chǎn)量受到影響,同時(shí)槽電壓、內(nèi)襯壽命以及電流效率也會(huì)受到影響[2-3]。因此合理的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)是必要的。為探究500 kA鋁電解槽熱場(chǎng)分布,對(duì)500 kA 鋁電解槽切片模型進(jìn)行了熱場(chǎng)模擬。

1 鋁電解槽切片數(shù)值模擬

將500 kA鋁電解槽按照陽(yáng)極-陰極進(jìn)行切片,得到陽(yáng)極、陰極左右兩側(cè)完全對(duì)稱的幾何切片模型,將其作為研究對(duì)象,給出如下假定:① 切片模型關(guān)于中軸面對(duì)稱,對(duì)稱面兩側(cè)的物理場(chǎng)及流體運(yùn)動(dòng)方式關(guān)于對(duì)稱面對(duì)稱,因此只看單陽(yáng)極-陰極切片;② 切片模型在所有面中只有槽上部、側(cè)部及底部有電、熱傳遞現(xiàn)象[4]。

根據(jù)某廠500 kA電解槽槽體數(shù)據(jù),用 Solid Works 三維建模軟件對(duì)電解槽陽(yáng)極-陰極切片進(jìn)行建模,模型如圖1所示。并將其導(dǎo)入到COMSOL 三維仿真模擬軟件中,對(duì)其熱場(chǎng)進(jìn)行了模擬。

圖1 電解槽切片模型

2 控制模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)控制模型

控制方程為導(dǎo)電和導(dǎo)熱聯(lián)立方程組:

(1)

式中:σ——導(dǎo)電率,S/K;

V——電位,V;

T——溫度,K;

γ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k);

qvol——控制單元的焦耳熱,在不導(dǎo)電的部分qvol為0[5]。

2.2 數(shù)學(xué)模型邊界條件

2.2.1 熱場(chǎng)邊界條件

熱場(chǎng)邊界條件包括:① 鋁電解槽陽(yáng)極-陰極切片模型除槽上部、側(cè)部和底部其余表面為絕熱面。② 環(huán)境溫度取實(shí)測(cè)溫度,環(huán)境溫度為40 ℃。③ 陰極鋼棒端頭處的綜合換熱系數(shù)為 150 W/(m2·℃)。④ 槽體表面散熱系數(shù):

(2)

式中:Tw——散熱表面溫度,K;

Tf——環(huán)境溫度,K;

ε——槽殼散熱表面的黑度,1;

f——角度系數(shù);

σ——史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

查找資料可知鋁電解槽表面,槽殼為粗糙且已氧化的鋼,黑度可取 0.8,槽體上部覆蓋料的黑度可取 0.4,鋁導(dǎo)桿的黑度取0.07,角度系數(shù)取1[6]。

2.2.2 電場(chǎng)邊界條件

電場(chǎng)邊界條件包括:① 在鋁導(dǎo)桿頂部端頭處給均勻電流,陰極鋼棒端頭處設(shè)為接地[7];② 鋁電解槽爐幫不導(dǎo)電,電流經(jīng)鋁導(dǎo)桿導(dǎo)入最后全部由陰極鋼棒傳遞至下一臺(tái)電解槽;③ 每塊切片模型的輸入電流應(yīng)按照切片所占整體比例取,電流效率取93%(工業(yè)常用)。

2.3 模擬結(jié)果

將模型導(dǎo)入到COMSOL 三維仿真模擬軟件,進(jìn)行邊界條件設(shè)定,輸入材料參數(shù),劃分網(wǎng)格,輸入電流,計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 電解槽切片溫度分布

圖3 陰極炭塊溫度分布

圖4 電解槽切片模型的等溫線分布

由圖2可知,切片的溫度最高為955.3 ℃,最低溫度為47.4 ℃。根據(jù)分子比可知,初晶溫度約為945 ℃,設(shè)計(jì)存在10～12 ℃過(guò)熱度,取11 ℃,即模擬應(yīng)在955 ℃達(dá)到穩(wěn)態(tài),模擬得出的電解質(zhì)溫度最高為947 ℃。由于只有槽上部、側(cè)部及底部有熱交換,因此邊部溫度低于中部溫度。保溫層的溫度梯度較大,起到了很好的保溫效果。而保溫磚的溫度在600 ℃以下,因此保溫磚不會(huì)因?yàn)楦邷刈饔枚鴵p壞。

由圖3可以看出,陰極炭塊區(qū)域大部分區(qū)域溫度在900 ℃以上,但靠近邊部區(qū)域溫度較低,這能有效防止電解質(zhì)滲入到陰極炭塊當(dāng)中后陰極炭塊會(huì)因電解質(zhì)冷凝而遭到破壞。盡管靠近端部的陰極炭塊溫度稍低,但900 ℃等溫線都處于陰極炭塊以下,故整體上陰極結(jié)構(gòu)保溫較好。

切片等溫線分布如圖4所示,從內(nèi)襯結(jié)構(gòu)溫度分布來(lái)看,內(nèi)襯中等溫線分布合理,總體呈現(xiàn)出側(cè)部陡峭,底部較平滑的特點(diǎn),這有助于槽幫和伸腿的形成與維持[8]。這是由于側(cè)部保溫材料與保溫效果良好的側(cè)部結(jié)殼之間散熱較大,造成兩邊溫差大,使得溫度梯度較大,所以等溫線密集。槽底溫度最高為69.12 ℃,低于設(shè)計(jì)值80 ℃,說(shuō)明槽底保溫良好。

3 熱場(chǎng)測(cè)試

選取某廠500 kA電解系列A、B、C共3臺(tái)電解槽為測(cè)試對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行熱場(chǎng)測(cè)試,并記錄了工藝參數(shù)。

3.1 工藝參數(shù)

3臺(tái)槽的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可知3臺(tái)槽的平均槽電壓為3.915 V,1545#槽低于平均電壓。3臺(tái)槽的平均電解溫度為944.7 ℃,電解質(zhì)分子比平均值為2.31。電解槽鋁水平總體表現(xiàn)平穩(wěn),維持在360 mm。各槽極距在4.4～4.6 cm范圍內(nèi)基本保持均勻,3臺(tái)槽的極距平均值為4.5 cm。

表1 電解槽生產(chǎn)工藝參數(shù)

3.2 熱場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

3臺(tái)被測(cè)500 kA鋁電解槽的能量平衡表見(jiàn)表2。

表2 能量平衡表

鋁電解槽能量平衡誤差一般應(yīng)在供入總能量的±5%以內(nèi)。本次測(cè)定三臺(tái)槽誤差分別為:A槽為0.09%、B槽為1.98%、C槽為2.38%,均在允許誤差范圍之內(nèi)。

鋁電解反應(yīng)能耗是衡量鋁電解槽能量利用率高低的主要標(biāo)志之一。從表2可以看出,A槽占48.54%、B槽占48.78%、C槽占49.23%,三臺(tái)槽的鋁電解反應(yīng)能耗較為接近。

另外,從表中可以看出,三臺(tái)槽的煙氣流量熱損失都較大,三臺(tái)槽的空氣帶走熱分別占各槽能量收入的23.37%、22.81%、21.62%,應(yīng)注意檢查槽罩密封性能和調(diào)整煙道閥門(mén)的開(kāi)度,以減少無(wú)效熱損失。

三臺(tái)槽槽底表面平均溫度分別為84.8 ℃、81.2 ℃、79.6 ℃。大型槽底部槽殼溫度設(shè)計(jì)值一般為80 ℃左右,由于存在5 ℃的測(cè)量誤差,可以認(rèn)為三臺(tái)槽的槽底部溫度基本滿足要求。模擬的槽底溫度最高為69.12 ℃,說(shuō)明模型槽底保溫效果良好。

針對(duì)A槽煙氣熱損失情況,用模型進(jìn)行模擬復(fù)核,煙氣溫度取實(shí)測(cè)值155 ℃,煙道速度取10 m/s。模擬結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)由于煙道熱損較大,最高溫度由955.3 ℃降低到953.22 ℃。為了改善保溫決定加厚氧化鋁保溫層,嘗試將氧化鋁保溫層由原來(lái)的90 mm分別加厚到98 mm、100 mm、102 mm,模擬結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。隨著氧化鋁保溫層加厚,電解槽最高溫度升高,最低溫度變化不大。當(dāng)加厚10 mm后,電解槽的最大溫度由953.22 ℃提高到955.02 ℃,最低溫度由47.4 ℃提高到47.7 ℃,溫度分布滿足模擬要求。當(dāng)加厚到102 mm時(shí)最高溫度為958.4 ℃。氧化鋁保護(hù)層的厚度為100 mm時(shí)適宜。

圖5 A槽溫度分布

圖6 98 mm氧化鋁保溫層溫度分布

圖7 100 mm氧化鋁保溫層溫度分布

圖8 102 mm氧化鋁保溫層溫度分布

4 結(jié) 論

(1)分析模擬結(jié)果后得出,模擬得出電解質(zhì)最高溫度為947 ℃,實(shí)測(cè)溫度為944.7 ℃,誤差為0.024%,在誤差允許范圍內(nèi),因此該電解槽陽(yáng)極-陰極切片模型的仿真模擬計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確,從模擬結(jié)果上來(lái)看得出的熱場(chǎng)分布與測(cè)試數(shù)據(jù)吻合較好。

(2)鋁電解槽能量平衡差額一般應(yīng)在供入總能量的±5%以內(nèi)。測(cè)定三臺(tái)槽誤差分別為:為1.98%、2.34%、0.09%,在誤差允許范圍之內(nèi),說(shuō)明本次熱場(chǎng)測(cè)定與計(jì)算結(jié)果是有效的。

(3)實(shí)測(cè)的鋁電解槽熱損失分布數(shù)據(jù)表明,各槽煙氣帶走的熱量占總能量支出比例不一,分別為23.37%、22.81%、21.63%,比較而言,A槽的煙氣熱損較大。針對(duì)此情況可以通過(guò)加厚氧化鋁保溫層減少陽(yáng)極炭塊散熱的方式來(lái)加強(qiáng)保溫,氧化鋁保溫層的厚度選取要適宜。

(4)從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,各槽的槽底表面平均溫度分別為84.8 ℃、81.2℃、79.6℃,大型槽底部槽殼溫度設(shè)計(jì)值一般為80 ℃左右,由于存在5 ℃的測(cè)量誤差,可以認(rèn)為三臺(tái)槽的槽底溫度基本滿足要求。