Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0146

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0146
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка новой энергоэффективной технологии пуска и работы алюминиевого электролизера
Докладчик
Ткачева Ольга Юрьевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
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.
Описание исследования

 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.

Результаты исследования

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.

Практическая значимость исследования
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.