鋁電解電流效率理論與實(shí)踐的新認(rèn)識

1、鋁電解電流效率理論與實(shí)踐鋁電解電流效率理論與實(shí)踐的新認(rèn)識的新認(rèn)識 周乃君周乃君 中南大學(xué)能源與動力工程學(xué)院中南大學(xué)能源與動力工程學(xué)院一 前言 20多年來，對電流效率的理論和實(shí)踐也有了很大的發(fā)展。本文簡單介紹理論和實(shí)踐方面的新認(rèn)識。本文簡單介紹理論和實(shí)踐方面的新認(rèn)識。一一 前言前言 1 1 電流效率的定義電流效率的定義%100WW理實(shí)CEW W理理 = 0.3356= 0.3356I It= 0.3356 kg.kAt= 0.3356 kg.kA-1-1.h.h-1-1 CE= = =1- =1-CE損 %100總陰ii%100總損總iii%100總損iii i陰陰：用于產(chǎn)鋁的陰極電流密度：用于

2、產(chǎn)鋁的陰極電流密度i i總總：總陰極電流密度：總陰極電流密度i i損損 ：損失的陰極電流密度：損失的陰極電流密度 2 2 關(guān)于電流損失關(guān)于電流損失一一 前言前言 （1）i1：鋁的二次反應(yīng)：鋁的二次反應(yīng) 2Al(溶) + 3CO2(氣) = Al2O3 + 3CO(氣) （2）i2：鈉的二次反應(yīng)：鈉的二次反應(yīng) 6Na(溶) + 3CO2(氣) + 2AlF3(溶) = 6NaF(溶) + Al2O3 + 3CO(氣)（3）i3：Al4C3的生成和氧化的生成和氧化 4Al(溶) + 3C(固) = Al4C3(固) Al4C3(溶) + 6CO2(氣) = 2Al2O3(溶) + 3C(固) +

3、6CO(氣) （4 4）i i4 4：電子導(dǎo)電性：電子導(dǎo)電性溶解的鈉使電解質(zhì)具有微弱的電子導(dǎo)電性，電子導(dǎo)電性形同溶解的鈉使電解質(zhì)具有微弱的電子導(dǎo)電性，電子導(dǎo)電性形同短路，這樣引起的電流損失估計(jì)在短路，這樣引起的電流損失估計(jì)在1 12%2%左右。溫度降低，分子左右。溫度降低，分子比減小，將減小電解質(zhì)的電子導(dǎo)電性，有利于提高電流效率。比減小，將減小電解質(zhì)的電子導(dǎo)電性，有利于提高電流效率。一一 前言前言 2 2 關(guān)于電流損失關(guān)于電流損失（5 5）i i5 5：雜質(zhì)引起的損失：雜質(zhì)引起的損失 硅、釩、鈦、鐵的析出消耗了電流，特別是磷反復(fù)在陽極硅、釩、鈦、鐵的析出消耗了電流，特別是磷反復(fù)在陽極氧化，在陰

4、極還原，引起電流損失。氧化，在陰極還原，引起電流損失。（6 6）i i6 6：陰極和陽極之間的瞬時短路：陰極和陽極之間的瞬時短路 因操作不慎而常發(fā)生。因操作不慎而常發(fā)生。（7 7）i i7 7：鋁或鈉滲透進(jìn)電解槽的內(nèi)襯材料而引起。：鋁或鈉滲透進(jìn)電解槽的內(nèi)襯材料而引起。如電解槽不發(fā)生漏電，如電解槽不發(fā)生漏電，i i損損= i= i1 1+ i+ i2 2+ i+ i3 3+ i+ i4 4+ i+ i5 5+i+i6 6+ i+ i7 7；采取任何措施能減少采取任何措施能減少i i損損，就能夠提高電流效率。，就能夠提高電流效率。二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 1 1

5、提高電流效率的歷史回顧提高電流效率的歷史回顧 2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素（1）溫度與過熱度）溫度與過熱度 一般是溫度降低，二次反應(yīng)減少；一般是溫度降低，二次反應(yīng)減少； Kvanda Kvanda：溫度降低：溫度降低5 566，電流效率可提高，電流效率可提高1%1%，但現(xiàn)代預(yù)，但現(xiàn)代預(yù)焙槽也有相互矛盾的表現(xiàn)。焙槽也有相互矛盾的表現(xiàn)。高電解溫度也能得到高電流效率，電解質(zhì)組成影響鋁在其中的高電解溫度也能得到高電流效率，電解質(zhì)組成影響鋁在其中的 溶解度，因而二次反應(yīng)不顯得劇烈；溶解度，因而二次反應(yīng)不顯得劇烈；跟電解槽的穩(wěn)定性有關(guān)，低溫和高溫均可得到較高的電流效率；跟電解槽

6、的穩(wěn)定性有關(guān)，低溫和高溫均可得到較高的電流效率；更好的過程控制可以保持較低的溫度，達(dá)到高電流效率。更好的過程控制可以保持較低的溫度，達(dá)到高電流效率。二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 TabereauxTabereaux：過熱度比電解溫度更重要：過熱度比電解溫度更重要. .過熱度小，電流過熱度小，電流效率高，過熱度增加效率高，過熱度增加1010，電流效率降低，電流效率降低1.21.21.5%1.5%。 過熱度小，容易生成側(cè)部爐幫，陰極鋁液鏡面的面積縮小，因過熱度小，容易生成側(cè)部爐幫，陰極鋁液鏡面的面積縮小，因而可提高電流效率。而可提高電流效率。電流效率與電解質(zhì)過熱度的關(guān)

7、系電流效率與電解質(zhì)過熱度的關(guān)系 2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 （2）電解質(zhì)組成）電解質(zhì)組成 AlFAlF3 3：現(xiàn)代電解槽低分子比電解質(zhì)：現(xiàn)代電解槽低分子比電解質(zhì)， NaF/AlFNaF/AlF3 31.51.52.22.2，美國鋁業(yè)公司美國鋁業(yè)公司19551955年采用年采用4040年以后才公開。年以后才公開。電流效率與分子比的函數(shù)關(guān)系電流效率與分子比的函數(shù)關(guān)系 2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 但是，低分子比的電解質(zhì)有重大缺

8、點(diǎn)：但是，低分子比的電解質(zhì)有重大缺點(diǎn)：a. a. 減少了電解質(zhì)的導(dǎo)電率；減少了電解質(zhì)的導(dǎo)電率；b. b. 減小了氧化鋁的溶解度；減小了氧化鋁的溶解度；c. c. 增大了電解質(zhì)的揮發(fā)損失；增大了電解質(zhì)的揮發(fā)損失； d. d. 增大了增大了AlAl4 4C C3 3的溶解（的溶解（ AlAl4 4C C3 3對陰極和內(nèi)襯破對陰極和內(nèi)襯破壞很大）；壞很大）；e. e. 操作困難；操作困難；2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 LiFLiF：美國雷諾公司是最早（：美國雷諾公司是最早（19651965年）采用年）采用含含LiF

9、LiF的電解質(zhì)的（我國于的電解質(zhì)的（我國于19701970年后采用），年后采用），LiFLiF對電流效率的好影響是：對電流效率的好影響是：a. a. 降低電解質(zhì)的初晶溫度，添加降低電解質(zhì)的初晶溫度，添加1%1%的的LiFLiF，可降低可降低99；b. b. 提高了電解質(zhì)的導(dǎo)電率，因而可以增大極距；提高了電解質(zhì)的導(dǎo)電率，因而可以增大極距；2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 ！工業(yè)實(shí)踐表明！工業(yè)實(shí)踐表明: :a.a.老式電解槽（側(cè)插或上插自焙槽）采用含老式電解槽（側(cè)插或上插自焙槽）采用含LiFLiF的電解質(zhì)能的電解質(zhì)能

10、有效的提高電流效率，但是，大型預(yù)焙槽的效果不一定好；有效的提高電流效率，但是，大型預(yù)焙槽的效果不一定好； b.b.大型預(yù)焙槽的電流效率已經(jīng)高達(dá)大型預(yù)焙槽的電流效率已經(jīng)高達(dá)95%95%的，再用的，再用LiFLiF沒有作用；沒有作用； c.c.大型預(yù)焙槽已經(jīng)采用低分子比的，再用大型預(yù)焙槽已經(jīng)采用低分子比的，再用LiFLiF也沒有作用，也沒有作用，而且操作當(dāng)中很難保持而且操作當(dāng)中很難保持LiFLiF含量和含量和AlFAlF3 3含量的穩(wěn)定；含量的穩(wěn)定； d.d.費(fèi)用高，不經(jīng)濟(jì)，鋁中含有少量的鋰；費(fèi)用高，不經(jīng)濟(jì)，鋁中含有少量的鋰； 采用采用MgFMgF2 2和和CaFCaF2 2作為電解質(zhì)組成在降低電

11、解質(zhì)的初晶溫度方面是作為電解質(zhì)組成在降低電解質(zhì)的初晶溫度方面是有正面影響的。有正面影響的。 2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 Al Al2 2O O3 3含量，兩種觀點(diǎn)：含量，兩種觀點(diǎn)：AlAl2 2O O3 3含量對電流效率有影響，而且是正面的影響；含量對電流效率有影響，而且是正面的影響；AlAl2 2O O3 3含量對電流效率沒有影響，或者影響很小。含量對電流效率沒有影響，或者影響很小。總傾向是，總傾向是，AlAl2 2O O3 3對電流效率的影響比較小。對電流效率的影響比較小。 關(guān)于最佳電解質(zhì)組成問題關(guān)于最

12、佳電解質(zhì)組成問題 沒有放之四海而皆優(yōu)的電解質(zhì)組成。沒有放之四海而皆優(yōu)的電解質(zhì)組成。各大公司、鋁廠，各大公司、鋁廠，甚至鋁廠的各個廠房都有適合自己生產(chǎn)情況的電解質(zhì)組成，甚至鋁廠的各個廠房都有適合自己生產(chǎn)情況的電解質(zhì)組成，僅對眾所周知的電解質(zhì)的組成僅對眾所周知的電解質(zhì)的組成, ,按各廠的條件做若干調(diào)整按各廠的條件做若干調(diào)整. .許多鋁廠對所用的電解質(zhì)組成嚴(yán)格保密。許多鋁廠對所用的電解質(zhì)組成嚴(yán)格保密。 2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 （3）電解槽設(shè)計(jì)）電解槽設(shè)計(jì)還在繼續(xù)總結(jié)和認(rèn)識之中，比較確定的有：還在繼續(xù)總結(jié)和認(rèn)識

13、之中，比較確定的有： 減小電解槽的大面有利于提高陰極電流密度，從而提高電減小電解槽的大面有利于提高陰極電流密度，從而提高電流效率。設(shè)計(jì)中，把側(cè)部碳塊放在靠近陽極投影的陰極部位流效率。設(shè)計(jì)中，把側(cè)部碳塊放在靠近陽極投影的陰極部位效果比較好；效果比較好； 小陽極替代大陽極有利于陽極氣體的排放，因而有利于提小陽極替代大陽極有利于陽極氣體的排放，因而有利于提高電流效率。高電流效率。例：預(yù)焙槽的電流效率總要大于只有一個大陽極的自例：預(yù)焙槽的電流效率總要大于只有一個大陽極的自焙槽；焙槽； 磁場及其補(bǔ)償根據(jù)不同的槽形而定，采取了磁場補(bǔ)償之后磁場及其補(bǔ)償根據(jù)不同的槽形而定，采取了磁場補(bǔ)償之后可以減小鋁液波動和

14、擾動的影響，減緩了可以減小鋁液波動和擾動的影響，減緩了AlAl的溶解，有利于的溶解，有利于提高電流效率；提高電流效率； 采用點(diǎn)式下料和先進(jìn)的控制技術(shù)，能保證電解槽在優(yōu)化的采用點(diǎn)式下料和先進(jìn)的控制技術(shù)，能保證電解槽在優(yōu)化的情況下工作，有利于提高電流效率。情況下工作，有利于提高電流效率。2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 （4）電解槽操作）電解槽操作包括：電解質(zhì)組成、鋁液高度、電解質(zhì)水平、極距的包括：電解質(zhì)組成、鋁液高度、電解質(zhì)水平、極距的保持、電解槽啟動、電解槽槽齡、陰極條件等；保持、電解槽啟動、電解槽槽齡、陰極條件

15、等；各操作參數(shù)對電流效率產(chǎn)生各自影響，但各種參數(shù)的各操作參數(shù)對電流效率產(chǎn)生各自影響，但各種參數(shù)的綜合作用難于找出統(tǒng)一規(guī)律，由各鋁廠自行優(yōu)化。綜合作用難于找出統(tǒng)一規(guī)律，由各鋁廠自行優(yōu)化。2 2 影響工業(yè)槽電流效率的因素影響工業(yè)槽電流效率的因素二二 工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題 三三 電流效率的測量電流效率的測量 準(zhǔn)確及時測定電流效率方法，至今仍然是沒有準(zhǔn)確及時測定電流效率方法，至今仍然是沒有妥善解決的問題。妥善解決的問題。 目前測定電流效率的方法有：目前測定電流效率的方法有： COCO2 2/CO/CO分析法分析法 示蹤原子法示蹤原子法 氧平衡法氧平衡法 盤存法盤存法 C

16、OCO2 2/CO/CO分析法分析法 CE(%)=50%+CO2% CO2%=%10022COCOCOVVV原理：原理：皮爾遜皮爾遜-瓦丁頓提出，按照瓦丁頓提出，按照CO2/CO的比值求出瞬間的電的比值求出瞬間的電 流效率流效率設(shè)備：設(shè)備：紅外紅外CO2分析儀、奧沙托分析儀、奧沙托CO2分析器。分析器。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：嚴(yán)格的取樣操作時，電流效率數(shù)據(jù)有很好的參考價值，所嚴(yán)格的取樣操作時，電流效率數(shù)據(jù)有很好的參考價值，所 得結(jié)果與加銅稀釋法相當(dāng)。得結(jié)果與加銅稀釋法相當(dāng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：收集陽極氣體時如有空氣漏入，收集陽極氣體時如有空氣漏入，誤差可達(dá)幾個百分點(diǎn)。誤差可達(dá)幾個百分點(diǎn)。三三 電流效率的測量電流效

17、率的測量2 2 示蹤原子法示蹤原子法原理：原理：往鋁水中加入往鋁水中加入Cu、Ag、Au198、Co60等，經(jīng)一定時間等，經(jīng)一定時間后分析該元素在鋁水中的相對含量。后分析該元素在鋁水中的相對含量。設(shè)備：設(shè)備：微量元素分析裝置、蓋格計(jì)數(shù)器。微量元素分析裝置、蓋格計(jì)數(shù)器。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：較準(zhǔn)確，特別是加入少量放射性同位素，就可得到精較準(zhǔn)確，特別是加入少量放射性同位素，就可得到精度較高的結(jié)果度較高的結(jié)果缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：加入的元素要與鋁液混合均勻；加入的元素要與鋁液混合均勻； 但放射性的完全消失需要時間，許多廠家不愿意用。但放射性的完全消失需要時間，許多廠家不愿意用。三三 電流效率的測量電流效率的測量3 3 總氧量的平衡法總氧量的平衡法 儀器復(fù)雜、昂貴而且受磁場的影響：儀器復(fù)雜、昂貴而且受磁場的影響：要采用質(zhì)譜儀要采用質(zhì)譜儀測定電解槽氣體的組成，還要用流量計(jì)測定陽極氣體的流量。測定電解槽氣體的組成，還要用流量計(jì)測定陽極氣體的流量。 盤存法盤存法依據(jù)是：依據(jù)是：電解槽產(chǎn)出的鋁扣除槽內(nèi)起動投的鋁得出實(shí)際產(chǎn)出鋁量；電解槽產(chǎn)出的鋁扣除槽內(nèi)起動投的鋁得出實(shí)際產(chǎn)出鋁量；關(guān)鍵是：關(guān)鍵是：槽內(nèi)存鋁量的準(zhǔn)確測定；槽內(nèi)存鋁量的準(zhǔn)確測定；工業(yè)上最常用的方法：工業(yè)上最常用的方法：較長時期的生產(chǎn)（較長時期的生產(chǎn)（3個月或半年）后進(jìn)個月或半年