Тепловой баланс электролизёра

Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх

Приход тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы.

Тепловой баланс составляют применительно к определённой температуре: окружающей среды или температуре протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25°С.

В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:

Qэл + Qан = Q_Г + Q _Al + Q_газ + Qп, (2.38)

где Qэл - приход тепла от электроэнергии;

Qан - приход тепла от сгорания анода;

QГ - расход тепла на разложение глинозёма;

Q Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;

Qгаз - тепло, уносимое отходящими газами;

Qп - потери тепла в окружающее пространство.

Расчет приход тепла

Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

Q эл = 3600 * I * U_гр * τ (2.39)

где 3600 – тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;

I – сила тока, кА;

Uгр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);

τ – время, часы.

Q эл = 3600 * 173 * 4,547 * 1 = 2831871,6 кДж

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р¹_{СО2 *} ∆H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO (2.40)

где Р¹_СО2 и Р¹_СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);

∆Н^Т_СО2 и ∆Н^Т_СО – тепловые эффекты реакций образования СО2 и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):

∆H²⁹⁸_СО2 = 394 070 кДж/кмоль

∆H²⁹⁸_СО = 110 616 кДж/кмоль

(2.41)

кмоль

(2.42)

кмоль

Qан =1,07*394070+0,72*110616=501298,42 кДж

Расход тепла

На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:

Q_Г = R¹_{Г *} ∆H^T_Г, (2.43)

где R¹_Г - расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 2.44

∆HTГ - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

(2.44)

кмоль

кДж

Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время.

При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ∆H^T1_Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆H^T2_Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла QAl, кДж с выливаемым алюминием составят:

Q_Al = Р¹_{Al *} (∆H^T1_Al - ∆H^T2_Al) (2.45)

где: Р¹_Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:

(2.46)

кмоль

кДж

Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Qгаз, кДж будет равен:

Q_газ = Р¹_{СО *} ( H^T1_CO - H^T2_CO) + Р¹_{СО2 *} (H^T1_CO2 - H_T2^CO2), (2.47)

где: Р¹_СО и Р¹_СО2 – количество CO и CO2, кмоль

H^T1_CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль

H^T2_CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль

H^T1_CO2 – энтальпия СО2 при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль

H^T2_CO2 – энтальпия СО2 при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

Q_газ = кДж

Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:

Q_п = (Q эл + Qан) - (Q_Г + Q_Al + Q_газ) (2.48)

кДж

Таблица 2.3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 173 кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии	2831871,6	84,96	На разложение глинозёма		49,28
С вылитым металлом	71178,06	2,14
От сгорания угольного анода	501298,42	15,04	С отходящими газами	37276,26	1,12
Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра	1582235,7	47,46
ИТОГО	3333170,02		ИТОГО	3333170,02

Расчёт цеха

В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и тремя сериями и удельный расход электроэнергии.

Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.

КПП обеспечивает серию электролизёров, напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 2% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.

Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:

U = 850 - (U₁ + U₂ + U₃) (2.49)

U = В

Число рабочих электролизеров

Число рабочих электролизеров N в серии составит:

, (2.50)

где: U - напряжение серии U, В

U_СР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2,2);

UАЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)

Число установленных электролизёров в серии 175

Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров N_У должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.

Количество резервных ванн N_Р рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:

, (2.51)

где: N – число рабочих электролизёров в серии;

t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 5 – 8 дней;

Т – срок службы электролизёра, 4 года;

365 – дней в году.

Принимаем 1 резервный электролизёр на серию.

Тогда в серии будет установленных электролизеров N_У, шт.:

N_У = N+ N_Р, (2.52)

где N - число рабочих электролизеров;

N_Р - число резервных электролизеров.

N_У = 175 + 1 = 176

При двухрядном расположении электролизеров в корпусе, по проекту в серии можно установить 176 электролизеров, т.е. размещается в двух корпусах по 88 электролизеров в каждом. Один из этих электролизеров резервный, тогда рабочих электролизеров будет 87. По расчетам установленных электролизеров 704, из этого следует, что остается запас напряжения.

В 4 сериях будет 8 корпусов, в них установлено электролизёров, N_УСТ:

N_УСТ = N_{У *} n (2.53)

N_УСТ = 176 * 4 = 704

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 _* I _* η _* 8760 _* N _* 10^-3 (2.54)

где 0,335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);

I - сила тока, кА;

η - выход по току, д. е.;

8760 - часов в год;

N - число работающих ванн в серии.

Р_С = 0,335 * 173* 0,888 * 8760 * 175 * 10^-3 = 78894,37 т

Годовая производительность цеха Рц, т будет:

Рц = Рс _* n (2.55)

Рц = 78894,37 * 4 = 315577,48т

Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:

(2.56)

кВт*ч/т

Выход по энергии

(2.57)

г/кВт*ч