龔姚騰,呂招東,陳澤斌,逄啟壽,劉 勝,萬福興

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

國內(nèi)稀土電解槽現(xiàn)如今在外觀、結(jié)構(gòu)研究方面已較為成熟[1]。例如,文獻(xiàn)[2]對電解槽導(dǎo)電板單側(cè)分布梯度進(jìn)行了分析,得到了單側(cè)導(dǎo)電板結(jié)構(gòu)電解槽的最優(yōu)分布；文獻(xiàn)[3]對電解槽保溫層厚度進(jìn)行了研究,探究了保溫層結(jié)構(gòu)對電解槽內(nèi)各物理場的影響；文獻(xiàn)[4]對電解槽陰陽極極間距進(jìn)行仿真模擬,得到了千安級電解槽的最優(yōu)極間距。國外使用較為廣泛的電解槽是外集群式電極垂直布置的稀土電解槽,這是一種大型的電解槽,結(jié)構(gòu)能耗低,電解效率高,但是成本較高[5]。前人還未對槽蓋板進(jìn)行過相關(guān)的研究,電流是通過槽蓋板的導(dǎo)電模塊流入陽極,最后經(jīng)由電解質(zhì)熔鹽向陰極接地處流出,本次試驗(yàn)就電解槽蓋板通電方式對電解效率的影響進(jìn)行了相關(guān)仿真分析。通過改變某企業(yè)8 kA 電解槽蓋板的導(dǎo)電板數(shù)量和位置分布,模擬計算出不同情況下電解槽對應(yīng)的電流密度、電勢分布以及溫度表現(xiàn),并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程優(yōu)化通電分布方式,為千安級電流的電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 8 kA 稀土電解槽通電方式模型的建立

1.1 8 kA 稀土電解槽幾何結(jié)構(gòu)的建立

模擬設(shè)計某企業(yè)8 kA 稀土電解槽各導(dǎo)電板的分布狀態(tài)如圖1 所示。通過仿真分析對比不同通電方式下電解槽內(nèi)的各物理場參數(shù),選擇最優(yōu)通電方式。

圖1 6 種不同分布方式Fig.1 Six different distribution modes

1.2 8 kA 稀土電解槽模型假設(shè)

1)假設(shè)電解槽為絕緣體,同時不發(fā)生漏電現(xiàn)象；電流通過槽蓋板導(dǎo)電板由陽極流入陰極,同時陰極棒處設(shè)置1 個接地點(diǎn)。

2)槽內(nèi)陰陽極及坩堝為各點(diǎn)電勢相等的等勢體。

3)除槽蓋板以外,電解質(zhì)內(nèi)電場分布為中心對稱,且不同結(jié)構(gòu)電解槽流入電流均相等。

4)忽略電解過程中由于氣泡產(chǎn)生以及流體流動過程對電場結(jié)果產(chǎn)生的影響,且研究在穩(wěn)態(tài)情況下進(jìn)行[6]。

1.3 電熱耦合邊界條件的設(shè)置

1) 由于陽極石墨為非等勢體,以電壓為邊界條件不符合實(shí)際電解過程,故選擇以電流為邊界條件,陽極處通入電流共為8 000 A。

2) 由于陰極導(dǎo)電率高,整個陰極幾乎為等勢體,故在陰極處設(shè)置以電壓為邊界條件,大小為0 V。

3)電解槽通入電流為直流電。

4)單側(cè)導(dǎo)電板流入電流為8 000 A,雙側(cè)導(dǎo)電板流入電流分別為4 000 A,三側(cè)導(dǎo)電板流入電流分別為2 666.67 A,四側(cè)導(dǎo)電板流入電流分別為2 000 A。

1.4 溫度場控制方程仿真

熱量傳遞有熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射3 種方式,溫度高于絕對零度的物體都存在著熱傳導(dǎo),要得到電解槽內(nèi)的溫度分布,就需要得到電解質(zhì)內(nèi)的溫度如何隨著位置變化而變化,根據(jù)傅里葉熱場定律可以求出任何點(diǎn)的傳導(dǎo)型熱流密度。采用能量守恒定義一個電解質(zhì)微元控制體,其常物性、穩(wěn)態(tài)、三維且有內(nèi)熱源問題的溫度場控制方程見式(1)[7]。通過該公式即可以得到電解質(zhì)在三維坐標(biāo)系下的各溫度分布。

式中:φ為單位時間內(nèi)單位體積中熱源的生成熱,W/m3；ρ為微元體密度,kg/m3；C為微元體的比熱容,J/(kg·K)；a=λ/(ρC)為擴(kuò)散系數(shù),m2/s,其中λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；T為電解槽內(nèi)溫度,K；x、y、z為電解槽內(nèi)溫度場三維空間坐標(biāo)。

2 8 kA 稀土電解槽不同通電方式電流密度仿真模擬分析

結(jié)合各文獻(xiàn)及實(shí)際工業(yè)參數(shù)[8],分別對單側(cè)、雙側(cè)垂直、雙側(cè)平行、三側(cè)、四側(cè)通電方式進(jìn)行數(shù)值模擬,通過Comsol 的電場仿真模擬得到不同通電方式下各電流密度等值面參數(shù),如圖2 所示。由于電解反應(yīng)主要是集中在陰極的外表面,故陰極外表面的電流密度可視為電解槽有效電流密度,且隨著導(dǎo)電板數(shù)量的增加,電解槽中陰極外表面的電流密度逐漸降低。如圖2(b)所示,在單側(cè)中位通電時有效電流密度最小,其值為76 188 A/m2；如圖2(f)所示,當(dāng)通電板到達(dá)4 塊時,此時有效電流密度最大,其值為78 530 A/m2。隨著通電板數(shù)量的增加,電流密度也趨于穩(wěn)定。

圖2 不同通電方式時的電流密度Fig.2 Current density at different power-on modes

2.1 單側(cè)邊位通電與單側(cè)中位通電數(shù)值仿真與分析

考慮到在單側(cè)通電時,導(dǎo)電板偏置不同位置,模擬結(jié)果也不同[9],本次實(shí)驗(yàn)對導(dǎo)電板處于中位及處于邊位2 種情況進(jìn)行數(shù)值模擬,如圖3 所示。其中,圖3(a)表示對電解槽電流密度所取測量點(diǎn)的位置選擇,由于1 號及3 號測量點(diǎn)分別位于電解質(zhì)的液面以及陰極底部位置,通過仿真結(jié)果可知在該位置處稀土金屬離子幾乎不發(fā)生還原反應(yīng)。由于電解反應(yīng)主要發(fā)生在槽內(nèi)的中部位置,因此在2 號測量點(diǎn)的測量值更能反映實(shí)際電流密度的變化規(guī)律。由圖3(b)可知,在不考慮尖角處的電流密度影響下,當(dāng)導(dǎo)電板處于中位時,該結(jié)構(gòu)電解槽的有效電流密度最大值為77 340 A/m2,最小值為24 608 A/m2；當(dāng)導(dǎo)電板處于邊位時,該結(jié)構(gòu)電解槽的有效電流密度最大值為76 188 A/m2,最小值為25 397 A/m2。由于電流在通過導(dǎo)電板后流經(jīng)槽蓋板并最終流向電解液,對比單側(cè)中位通電,單側(cè)邊位設(shè)計使得移動路徑最大,從而導(dǎo)致阻值也相應(yīng)增大,使得電能在流動的過程中損耗也將更多,最終改變整體電流密度。由仿真可知,導(dǎo)電板中位分布時陰極的電流密度比導(dǎo)電板側(cè)位分布時的電流密度要高出1 152 A/m2,因此,在導(dǎo)電板的數(shù)量為1 塊時,導(dǎo)電板中位分布的電解效率比導(dǎo)電板側(cè)位分布時要高。

圖3 槽內(nèi)橫向不同虛線位置取點(diǎn)的電流密度變化曲線Fig.3 Variation curves of current density at different positions of horizontal dotted lines in the slot

2.2 雙側(cè)中位垂直通電與雙側(cè)中位對稱通電數(shù)值仿真與分析

當(dāng)導(dǎo)電板的數(shù)量為2 塊時,導(dǎo)電板有中位對稱和中位垂直2 種結(jié)構(gòu)分布設(shè)計,不考慮尖角處的電流密度影響。當(dāng)導(dǎo)電板為垂直結(jié)構(gòu)分布時,其電解液部分電流密度最大值為77 110 A/m2,最小值為23 310 A/m2；當(dāng)導(dǎo)電板的分布為對稱時,其電解液部分電流密度最大值為77 960 A/m2,最小值為23 560 A/m2。對雙側(cè)分布的2 種通電結(jié)構(gòu)分析可以得到,2 種結(jié)構(gòu)的有效電流較為接近,且整體電壓以及電解槽槽蓋板電壓降數(shù)值差距也較小,由圖3(b)可知對稱分布結(jié)構(gòu)會優(yōu)于垂直分布結(jié)構(gòu),這是因?yàn)殡p側(cè)導(dǎo)電板對稱分布時其電流密度也更均勻,電解液處反應(yīng)效率也更高。對比2 種通電方式的陰極附近處的電流密度大小,對稱式分布的電流密度要比垂直式分布時的電流密度高出850 A/m2,同時由于垂直式的設(shè)計使得導(dǎo)電板內(nèi)的靠近導(dǎo)電板處的電流密度偏大,遠(yuǎn)離導(dǎo)電板處的電流密度偏小,這種設(shè)計將會影響稀土電解槽的電解效率。

2.3 三側(cè)中位對稱通電數(shù)值仿真與分析

當(dāng)導(dǎo)電板的數(shù)量為3 塊時,陰極附近電流密度最大值為77 200 A/m2,最小值為23 630 A/m2,該設(shè)計與雙側(cè)中位垂直分布類似,靠近導(dǎo)電板處的電流密度偏大,遠(yuǎn)離導(dǎo)電板處的電流密度偏小。由圖3(b)可知,三側(cè)導(dǎo)電板在陰極附近的電流密度較單側(cè)中位略低,由于該結(jié)構(gòu)為非對稱式設(shè)計,三側(cè)導(dǎo)電板同時通入大電流后使得電解槽內(nèi)部的電流無法保持恒定,因此電解槽內(nèi)反應(yīng)速率無法保持一致,在電解時會使得電解槽內(nèi)部在不同位置處的反應(yīng)速率不等,該設(shè)計不利于反應(yīng)的進(jìn)行。

2.4 四側(cè)中位對稱通電數(shù)值仿真與分析

當(dāng)通電板的數(shù)量達(dá)到4 塊時,陰極附近電流密度最大值為78 530 A/m2,最小值為25 190 A/m2,由仿真可知,該設(shè)計相對于傳統(tǒng)的單側(cè)中位分布,電解槽內(nèi)的電流密度有所增加。由圖3(b)可知,四側(cè)導(dǎo)電板設(shè)計在陰極外表面的電流密度達(dá)到最高,這是由于導(dǎo)電板相較于陰極為對稱式設(shè)計,電流由陽極流經(jīng)電解質(zhì)最終流向陰極,恒定的電流能使得電解反應(yīng)更好的進(jìn)行,由于四側(cè)的電流大小均相等,在靠近陰極附近的稀土金屬被電解出來后,其內(nèi)部的電解質(zhì)在反應(yīng)速率上也能保持一致,由該仿真結(jié)果可知,在電流密度這項(xiàng)參數(shù)上,四側(cè)中位對稱分布是最優(yōu)的方案。

3 8 kA 稀土電解槽不同通電方式溫度仿真模擬分析

通過Comsol 的熱場仿真模擬得到不同通電方式下槽內(nèi)熱場分布,結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果表明,改變電解槽的通電方式,不同導(dǎo)電板分布的電解槽內(nèi)部的溫度并沒有發(fā)生較大變化。根據(jù)溫度分布的云圖可知,電解槽內(nèi)溫度由電解質(zhì)從上至下為先增加后減少,且溫度最高區(qū)域在1 348 K 附近,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,現(xiàn)場工人測得爐口溫度能達(dá)到1 353 K,該仿真結(jié)果與實(shí)際相符[10],故該溫度場仿真有較高準(zhǔn)確性。由該仿真結(jié)果可知,只改變電解槽的通電方式是不會影響槽內(nèi)的溫度變化。

圖4 槽內(nèi)溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the tank

4 8 kA 稀土電解槽不同通電方式電勢分布仿真模擬分析

通過Comsol 的電場仿真模擬得到不同通電方式下槽內(nèi)整體電勢分布,結(jié)果如圖5 所示。結(jié)果表明,電壓最大處發(fā)生在單側(cè)邊位的通電方式上,為10.17 V。由于導(dǎo)電板處于電解槽槽蓋板的邊緣位置,電流流經(jīng)槽蓋板的損耗相比其他通電方式會更大,由于電解槽通入電流為直流電,電解槽槽蓋電壓計算公式見式(2)[9]。

圖5 電解槽整體電勢分布Fig.5 Overall potential distribution of electrolyzer

式中:K為電阻常數(shù),cm-1；γ為槽蓋板電導(dǎo)率,S/m。

由于在側(cè)邊分布導(dǎo)電板,電流由槽蓋板流經(jīng)陽極內(nèi)的路徑最長,因此其電阻常數(shù)也較高。由于在該次仿真中電解槽內(nèi)部溫度均相同,因此電解槽底部熔融狀態(tài)下電解質(zhì)的各項(xiàng)物理參數(shù)不會隨著導(dǎo)電板的不同分布而變化,而導(dǎo)電板單側(cè)邊位的分布方式使得電壓在槽蓋板處有了更大的消耗,在仿真實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為更大的壓降,因此電解槽穩(wěn)定工作時整體所需的電壓也將更大,由圖5(e)、(f)可知整體電壓最小的通電方式為三側(cè)中位及四側(cè)中位通電,這是由于導(dǎo)電板的數(shù)量增加,流入電解質(zhì)內(nèi)部的電流分布更均勻,在路徑上消耗的電壓更少,因此該結(jié)構(gòu)使得電解槽穩(wěn)定工作時的整體電壓更小,更利于電解反應(yīng)的進(jìn)行。

通過Comsol 的電場仿真模擬得到不同通電方式下槽內(nèi)電解質(zhì)部分的電勢分布,結(jié)果如圖6所示。數(shù)據(jù)表明,單側(cè)邊位結(jié)構(gòu)下的電解槽電解質(zhì)部分的最大電勢為10.11 V,而此時電解槽整體電勢為10.17 V,因此導(dǎo)電板單側(cè)邊位設(shè)計的電解槽其槽蓋板與陽極間的壓降值為60 mV；單側(cè)中位的槽蓋板與陽極間的壓降值為30 mV；雙側(cè)中位的2 種分布槽蓋板與陽極的壓降值為20 mV；三側(cè)及四側(cè)分布的槽蓋板與陽極間的壓降值為10 mV。由此可見,隨著導(dǎo)電板的增多,電解槽槽蓋板至電解液處的電壓降也逐漸減少,該措施有利于降低反應(yīng)時的電阻熱,使得電解過程能量損耗降至最低。

圖6 電解質(zhì)電勢分布Fig.6 Electrolyte potential distribution

5 結(jié)論

影響電解槽的電解效率的因素主要是電流密度、溫度以及電勢分布,故而可以通過分析這3 個物理場來判斷哪種方式的電解效率更高。

1)當(dāng)導(dǎo)電板為單側(cè)且位于側(cè)邊時,電解槽的電流密度最小,同時整體電壓降最大。如果以這種方式工作,相比于其他方式,不僅電解效率更低,同時耗能最大,故側(cè)位通電一般不予考慮。

2)當(dāng)導(dǎo)電板為單側(cè)且位于中位時,這是目前使用最為廣泛的一種通電方式,相比于多側(cè)位通電,其電流密度值最小,且電流密度的分布也不均勻,該結(jié)構(gòu)能廣泛使用的原因是其構(gòu)造成本低,同時較少的導(dǎo)電板數(shù)量也為工人的操作提供便利。

3)對雙側(cè)分布2 種通電方式進(jìn)行分析,2 種方式有效電流較為接近,且整體電壓以及電解槽槽蓋板電壓降數(shù)值差距也較小,但結(jié)合該仿真結(jié)果以及實(shí)際生產(chǎn)情況可知,雙側(cè)垂直分布這種設(shè)計會導(dǎo)致電解槽內(nèi)的電解反應(yīng)不充分,不利于反應(yīng)的進(jìn)行。

4)對三側(cè)及以上通電結(jié)構(gòu)分析可以得到,在電解效率上,四側(cè)中位分布的結(jié)構(gòu)會優(yōu)于三側(cè)中位分布,這是因?yàn)樗膫?cè)分布的電解槽不僅電流密度更大,而且電流密度分布也更均勻,同時也有更優(yōu)秀的能耗比,這種結(jié)構(gòu)完美解決了三側(cè)導(dǎo)電板電解槽內(nèi)部電流不均衡的問題,為電解反應(yīng)提供了更合適的環(huán)境。