14.607.21.0146

Цель проекта: Разработать комплекс технологических решений, обеспечивающих эффективную и надежную работу мощных алюминиевых электролизёров, минимизацию расхода электроэнергии и повышение конкурентоспособности получаемой продукции
Задачи:
• Получить новые экспериментальные данные по физико-химическим, теплофизическим и калорическим свойствам системы «настыль/гарнисаж – расплав».
• Создать математическую модель поведения системы «настыль/гарнисаж – криолит-глиноземный электролит» с учетом экспериментально полученных данных по их физико-химическим свойствам и динамическому поведению.
• Разработать комплексную 3D модель расчета физических полей электролизера и модуля формирования настыли и гарнисажа(электрическое, магнитное, температурное поля, магнитная гидродинамика)
• Верифицировать модель расчета физических полей электролизера и модуля формирования настыли и гарнисажа, отработать поведение модели в соответствии с работой действующего электролизера.
• Определить оптимальные параметры энергоэффективности процесса за счет быстрого формирования устойчивой настыли и гарнисажа, обеспечивающих эффективную и надежную работу мощных электролизёров и минимизацию расхода электроэнергии не менее, чем на 500 кВт-ч/т Al.
• Реализация и внедрение энергоэффективной технологии пуска и работы мощных электрохимических устройств на энергетических рынках РФ.

В настоящее время основными направлениями снижения расхода электроэнергии при работе мощных электролизеров являются снижение межполюсного расстояния анод-катод, уменьшение омического сопротивления в токоведущих частях электролизера, уменьшение сопротивления электролита, повышение выхода по току. Отличительной особенностью электролитического процесса получения первичного алюминия является высокий удельный расход электроэнергии, что в условиях складывающегося в мире дефицита энергии крайне нежелательно. Средний удельный расход электроэнергии на электролизерах с обожженными анодами составляет 14200 кВт-ч/т Al, а на электролизерах с самообжигающимися анодами – от 15300 кВт-ч/т до 16000 кВт-ч/т, причем непосредственно на получение алюминия расходуется только 40% этой электроэнергии, остальная часть идет на нагрев электролизера и тепловые потери. Снижение энергзатрат возможно получить на стадии пуска и работы электролизера путем быстрого формирования защитной настыли и гарнисажа, которые позволяют снизить теплопотери за счет дополнительного утепления электролизера, повысить магнито-гидродинамическую стабильность электролизера за счет уменьшения горизонтальных токов в жидком алюминии, в итоге, снизить межполюсное расстояние. Быстрое формирование настыли и гарнисажа сократит длительность послепускового периода, позволит снизить напряжение на электролизере, что приведет к снижению удельного расхода электроэнергии.

 На 1 этапе ПНИЭР:

Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по процессу формирования настыли и гарнисажа в действующих электролизерах и моделированию этого процесса.

Разработана Программа и методики экспериментальных исследований температур солидуса и ликвидуса системы «настыль, гарнисаж – криолит-глиноземный электролит», необходимых для математического моделирования процессов в действующем электролизёре. Для определения температуры кристаллизации многокомпонентных расплавленных смесей на основе натриевого криолита в широком температурном интервале (от 600 до 1000 °С) использован метод термического анализа (ТА), сущность которого состоит в регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращения веществ, в процессе охлаждения. Метод ТА модифицирован для проведения исследований агрессивных фтористых солей при высоких температурах, собрана экспериментальная установка. Проведены измерения температур кристаллизации в многокомпонентных фторидных смесях, выяснено влияние добавок фторидных солей на температуру ликвидуса расплавленных смесей на основе натриевого криолита.

Разработана методика отбора проб настыли и гарнисажа действующего электролизера типа ОА-300.

Экспериментальная установка для измерения температур кристаллизации фторидных расплавленных смесей состоит из экспериментальной ячейки, выполненной из коррозионностойких материалов; газовакуумной системы, позволяющей вести измерения как в потоке инертного газа, так и в стационарном режиме; измерительной системы, снабженной автоматическим сохранением данных в графическом и цифровом виде; устройства для загрузки компонентов в потоке инертного газа.  Измерения проводят в интервале температур 600-1000 ºС.

Проведены экспериментальные исследования температур кристаллизации (ликвидуса и солидуса) в системах: NaF-AlF₃, NaF-AlF₃-Al₂O₃, NaF-AlF₃-CaF₂, NaF-AlF₃-CaF₂-Al₂O₃, NaF-AlF₃-CaF₂-MgF₂, NaF-AlF₃-CaF₂-MgF₂-KF, NaF-AlF₃-CaF₂-MgF₂-KF-Al₂O₃ и в электролитах, близких по составу к промышленным.

Выяснено, что практически все добавки фторидных солей в натриевому криолиту NaF-AlF₃ понижают температуру ликвидуса расплавленной смеси. Определена зависимость температуры ликвидуса многокомпонентных систем, (мас. %): [Na₃AlF₃(84,3)–AlF₃(7,2)–LiF(2,0)–KF(2,0)–MgF₂(0,5)–CaF₂(4,0)]-Al₂O₃ от концентрации Al₂O₃   и     [NaF(54,2)-AlF₃(38,5)-LiF(2,1)-MgF₂(1,2)-CaF₂(4,0)]-KF от концентрации  KF.  Каждый массовый процент добавленного  в расплав Al₂O₃, а также  KF снижает температуру ликвидуса на 5-6 градусов.

Определено влияние содержания CaF₂ на растворимость Al₂O₃ в  расплавах NaF-AlF₃-KF-CaF₂ с различным содержанием KF. Найдено, что чем ниже температура и выше концентрация AlF₃  в расплаве NaF-AlF₃,  тем меньше растворимость CaF₂ и Al₂O₃; но в присутствии KF в расплаве NaF-AlF₃-KF растворимость CaF₂ резко понижается, а растворимость Al₂O₃ увеличивается.

В ходе проекта будут получены уникальные экспериментальные данные по физико-химическим, теплофизическим и калорическим свойствам системы «на-стыль/гарнисаж – криолит-глиноземный электролит»; характеристики динамического поведения гарнисажа и настыли при изменении состава электролита и скорости его движения, в условиях увеличения тепловых потерь, при колебаниях температуры и изменениях технологических параметров процесса; будет разработана комплексная 3Dмодель расчета физических полей электролизера и модуля формирования настыли и гарнисажа, что позволит определить оптимальные параметры пуска и работы электролизера и снизит расход электроэнергии не менее, чем на 500 кВт.ч/т продукции.