某預(yù)焙鋁電解槽主體設(shè)計(jì)1緒論 3 4 41.4鋁電解原理及生產(chǎn)流程 5 51.6本設(shè)計(jì)的提出意義及所設(shè)計(jì)電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn) 62正常生產(chǎn)的技術(shù)參數(shù) 6 6 72.3鋁電解生產(chǎn)中主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的確定 3物料平衡 3.1物料平衡計(jì)算 3.2物料平衡表 4電壓平衡 4.1實(shí)際分解電壓 4.2電解質(zhì)電壓 4.4陰極電壓降 4.5陽極效應(yīng)分?jǐn)傠妷航?4.6連接母線壓降 5電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26.1陽極母線…………………錯誤!未定義書簽。6.2陰極母線…………………錯誤!未定義書簽。7勞動定員及成本 7.1勞動定員 7.2成本計(jì)算 238電解鋁廠的煙氣凈化與環(huán)境保護(hù) 8.1鋁電解與環(huán)境保護(hù) 258.3污染物排放控制 26 281緒論1.1.1鋁的發(fā)現(xiàn)鋁是一種分布極廣，在自然界隨處可見的一種金屬，它在土地中的百分占比大約為8%(重量),僅僅位于氧和硅的后面，排在了第三位。鋁的化學(xué)性質(zhì)尤其活躍，自然而然，在生產(chǎn)生活中很難檢測到元素狀態(tài)的鋁。目前，已探明的含鋁礦化合物有250多種，其中最容易發(fā)現(xiàn)的是硅酸鹽族。在鋁工業(yè)中，煉鋁原料一般約定俗成，都選用鋁土礦。1.1.2化學(xué)法提取鋁蘭格朗島的奧斯特最先找到提純鋁的方法。他量取少許鉀汞齊，去跟無水氯化鋁發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)束后，出現(xiàn)了一大堆灰顏色的金屬細(xì)末。他在打磨生成物時，其出現(xiàn)銀顏色的金屬光澤，但當(dāng)時他并不知道這是金屬鋁。1827年德國科學(xué)家維勒嘗試用鉀替換鉀汞齊來跟無水氯化鋁反應(yīng)，同樣，產(chǎn)生了非常少的金屬細(xì)末。1854年他判斷出該物質(zhì)的熔點(diǎn)不高。在之后，法國人德維爾研制了純度更高的金屬鋁，并在家鄉(xiāng)創(chuàng)辦了一座很小的煉鋁廠。不久之后，一個沙俄商人提出，用鎂來參與冰晶石的反應(yīng)，進(jìn)而生產(chǎn)出工業(yè)鋁。這一改變被一家鎂廠青睞并推廣開來。隨后的日子里，化學(xué)法逐步走下神壇。在此期間，大約生產(chǎn)了兩百噸鋁。1.1.3電解法提取鋁電解法煉鋁起源于19世紀(jì)50年代。當(dāng)時電解氯化鋁或者氯化鈉絡(luò)鹽，來生產(chǎn)鋁。但那時候，還不能產(chǎn)生足夠大的電流，所以沒法進(jìn)一步推廣。美國人申請了融鹽電解法的專利。而這是鋁工業(yè)很長一段時間僅有的煉鋁法。在19世紀(jì)80年代末期，美國發(fā)明了兩臺預(yù)焙陽極鋁電解槽，就是采用這種專利。每天就能產(chǎn)鋁二十余公斤。瑞士公司利用水力發(fā)電站的電力，采用相同專利生產(chǎn)金屬鋁。別國相繼使用這個專利生產(chǎn)鋁?，F(xiàn)如今，金屬鋁的年產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先其它有色金屬。1.2鋁的性質(zhì)及用途1.2.1鋁的性質(zhì)鋁是有色輕金屬，純白色。不含雜質(zhì)的鋁質(zhì)軟，因此，有非常好的可塑性和延展性，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)很高，所以是電和熱的優(yōu)良導(dǎo)體；由于金屬鋁的外表面為層極為致密的氧化膜，故而，它被酸侵蝕的可能性不大，但堿可以將鋁溶解。1.2.2鋁的用途由于鋁的優(yōu)良性質(zhì)，它的應(yīng)用極廣。下面從以下幾方面介紹：(1)交通業(yè)。鋁是民用航空工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)不可或缺的重要原材料。飛機(jī)的原材料有八成以上跟鋁有密切關(guān)系，航天飛機(jī)中有九成是鋁的合金。大約九成以上的卡車都有著鋁合金的車身。此外，在軌道和海運(yùn)方面，中國大部分的地鐵車廂和大多數(shù)冷藏車廂都有鋁合金的身影，輪船也是如此。(2)建筑業(yè)。新蓋的建筑大部分都使用了鋁制品，不僅因?yàn)槠鋬?yōu)良的抗氧化性能，自然界數(shù)一數(shù)二的強(qiáng)度使得它在防地震建筑方面大放異彩。(3)餐飲業(yè)。世界上大部分的餐飲用具都有鋁制品的身影，因?yàn)椴讳P鋼材料和鐵制品的熱效力只有它的三分之一。各領(lǐng)域的用鋁量占比見圖1.1。截至2002年，我國鋁工業(yè)生產(chǎn)能力為334萬噸，而實(shí)際產(chǎn)量甚至達(dá)到了343萬噸。按國別統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)原鋁的國家有45個。2001年，年生產(chǎn)能力最大的10個國家依次為美國(425.7萬t)、俄羅斯(347.1萬t)、中國(333.6萬t)、加拿大(276.5萬t)、澳大利亞4.7萬t)。但是，從2003年起，我國一躍成為了世界第一產(chǎn)鋁大國。全球最大的鋁廠是俄羅斯布拉茨克鋁廠，其年生產(chǎn)能力為94萬t,而且年生產(chǎn)能力等于或大于40萬t的鋁廠有12個。[3]1.4鋁電解原理及生產(chǎn)流程原理是直流電通入電解槽，在陽極和陰極上起電化學(xué)反應(yīng)，電解產(chǎn)物在陰極上析出AL,陽極上是CO?和CO。生產(chǎn)流程是將鋁液和電解質(zhì)分開，經(jīng)過商品加工處理，就生產(chǎn)出來可以售賣的成品鋁。1.5鋁電解槽1.5.1鋁電解槽的發(fā)展煉鋁的主要設(shè)備還是鋁電解槽。在這一百多年的鋁工業(yè)歷史當(dāng)中，鋁電解的生產(chǎn)工藝不斷被改良，這其中最重要的改良之一就是提高電解槽的生產(chǎn)效能。改良的部分就是增大電解槽的尺寸。以此提高電流強(qiáng)度。另外值得注意的是，噸鋁消耗掉的電量也遠(yuǎn)低于過往。這其中的原因是方方面面的，主要得益于整流設(shè)備不停的更新?lián)Q代。此外，改良了電極生產(chǎn)的同時，大力完善電解生產(chǎn)技術(shù)，都離不開機(jī)械自動化程度技術(shù)的高速發(fā)展。在早期，鋁廠一般選擇小型預(yù)配槽，是因?yàn)楫?dāng)時的生產(chǎn)水平相對較低。在上世紀(jì)二十年代，連續(xù)自培電極型被鋁工業(yè)發(fā)揚(yáng)光大。這一進(jìn)步，代表鋁預(yù)培陽極的發(fā)展進(jìn)入新的篇章。但缺點(diǎn)也隨推廣而被發(fā)現(xiàn)，主要是它會排放大量污染氣體，此外，過高的電壓降也是不小的困擾。在上世紀(jì)五十年代，對原有的小型預(yù)焙槽進(jìn)行改良處理，使之大型化和現(xiàn)代化，成為新式預(yù)焙槽。同時，連續(xù)預(yù)焙陽極電解槽的問世使鋁工業(yè)發(fā)展徹底高速起1.5.2選擇預(yù)培陽極電解槽的原因在1.5.1中出現(xiàn)的四種電解槽各有優(yōu)劣。在鋁工藝生產(chǎn)流程中，陽極不停的被損耗掉。自焙陽極定期補(bǔ)充陽極糊，使得陽極不會消耗殆盡，而預(yù)焙陽極一定會有消耗殆盡的一天，不能無休止的使用(連續(xù)預(yù)焙陽極例外，但因?yàn)榧夹g(shù)問題，近年來已經(jīng)被停止生預(yù)配槽預(yù)配槽青銅峽鋁廠上插槽(3)陽極到槽幫距離陽極到槽幫的位置遠(yuǎn)近會導(dǎo)致電解槽工作能力的強(qiáng)弱。本設(shè)計(jì)陽極到縱側(cè)槽幫(大面)300cm,陽極到橫側(cè)槽幫(小面)400cm,中縫為200mm。廠家或類型槽型系列電流至大面距離至小面距離青海預(yù)配槽包頭預(yù)配槽①陽極的斷面數(shù)值n=714285.7142857/160×68=6本設(shè)計(jì)選擇66塊陽極，車間兩橫行擺放，一行炭塊組數(shù)為33。本設(shè)計(jì)為底部保溫，側(cè)部散熱型，所以耐火材料的側(cè)部生成的Na和NaF滲透至防滲料時與防滲料生成霞石類物質(zhì)，可以有效保護(hù)下層材料免本設(shè)計(jì)中，生產(chǎn)需要的水是4642m3/d,生活中需要的水是173m3/d,循環(huán)所使用的水是40695m3/d。生產(chǎn)中排掉的水是2068m3/d,生活中排掉的水是173m3/d,重復(fù)水利用率高達(dá)90%。本設(shè)計(jì)主要靠電能，國內(nèi)國內(nèi)同級別車間每生產(chǎn)一噸鋁所耗費(fèi)的直流電大約是1202.3鋁電解生產(chǎn)中主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的確定各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2.4所示備注電流強(qiáng)度電解槽數(shù)電流效率陽極電流密度電解溫度極距電解質(zhì)水平陽極效益系數(shù)電能消耗率陽極碳塊單耗分子比91臺20cm24cm另有4臺備用非交流電耗消耗量3物料平衡3.1物料平衡計(jì)算3.1.1鋁產(chǎn)量I=500kA,η=93.5%。計(jì)算一小時電解槽產(chǎn)量：p=0.3356×500000×93.5%×1×103.1.2氧化鋁消耗量(按年每噸鋁計(jì)算)計(jì)算氧化鋁理論上消耗量Al203→2Al+3/2021CAl?O?=102×1000/(27×實(shí)際消耗量比理論大1.5~6.0%。Al?O?實(shí)際消耗量?。?950kg/t;3.1.3氟化鹽的需求量需要噸鋁冰晶石15kg/t;需要氟化鋁25kg/t;需要氟化鎂4kg/t;需要氟化鈣3kg/t,需要氟化鋰3kg/t則：3.1.4陽極碳塊的需求量實(shí)際工藝流程中陽極釋放的是氣態(tài)二氧化碳和一氧化碳，其中二氧化碳約占75%。C理=(12/7×12)/(27×2)×157.73=60.09kg/槽·h。陽極碳塊的實(shí)際需求量比上述數(shù)值高兩成左右，本設(shè)計(jì)碳消耗450kg/t。碳損失為：C實(shí)-C理=70.97-60.09=10.88kg.3.2物料平衡表根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得出下表3.1:由表3.1可見，物料總收入和支出基本平衡氟化鋁陽極碳塊70.97氟化鋁氧化鋁炭4電壓平衡電解槽的平均電壓4.1實(shí)際分解電壓4.2電解質(zhì)電壓式中S—陽極的截面積，cm2;求得電解質(zhì)電壓為1.523V,即1523mV4.3陽極電壓降pt=po(1+a·t)=0.028(1+0.0038×68)=0.35Ω·m前面計(jì)算得到陽極導(dǎo)桿33根，每根導(dǎo)桿的電流負(fù)荷為：此式中陽極塊長度為680,預(yù)焙陽極間距離為40。大母線長度的二分之一是5580軟母線數(shù)值為600mm×2mm,距離為1500mm,t=60℃,則：P=p?(1+a·t)=0.028(1+0.0038×60)=0.034402Ω·mm2/m通過實(shí)測得到焊接點(diǎn)，平衡母線，壓接鋁板的電壓降△V母=12.36+15+14+8=49.36mV(鋁導(dǎo)桿長度L,橫截面積S,每根導(dǎo)桿通人的電流i,鋁導(dǎo)桿的電阻系數(shù)pt)V炭=d·pc·h△V炭=0.751×55×10-4×29.94=0.1236V=123.6mV(3)卡具電壓降12mV(4)鋁一鋼爆炸焊接區(qū)電壓降8mV,鋼爪壓降19mV,鋼一炭接觸壓降110mV。4.4陰極電壓降4.4.1槽底電壓降L導(dǎo)=2.5+0.92H-1.1h+132/bL導(dǎo)=2.5+0.92×245-1.1×23+132/18=25.03cm△V槽底=[25.03×4.5×10-3+(3.93×10-3×1852+2.87×100×3100)×70/374]△V槽周=126.31陰極鋼棒鋁棒爆炸焊壓降取3mV,鋁棒與軟母線焊點(diǎn)之間壓降取5mV。4.5陽極效應(yīng)分?jǐn)傠妷航礦k—陽極效應(yīng)發(fā)生時的槽電壓(V);陽極效應(yīng)系數(shù)取0.3次/槽·日，每次持4.6連接母線壓降槽外母線均攤電壓降取60mV。根據(jù)以上計(jì)算，可編制電解槽電壓平衡表如表4.1所示。電解槽組分組分電壓降，mV工作電壓(發(fā)熱)陽極部分鋁一鋼焊點(diǎn)鋼一炭接點(diǎn)立柱母線陽極陰極軟母線陽極軟母線卡具鋼爪陰極部分陰極軟母線槽底壓降槽周陰極母線陰極各接點(diǎn)8剩余部分分解電壓電解質(zhì)工作電壓總計(jì)陽極效應(yīng)連接母線總計(jì)總計(jì)5電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1.1電解槽構(gòu)造及各部分主要作用本設(shè)計(jì)為500kA中心下料預(yù)焙電解槽。陰極結(jié)構(gòu)是槽的槽體部分，重要組成部分是槽殼和內(nèi)襯砌體。上部結(jié)構(gòu)可分為承重桁架、陽極提升裝置、打殼下料裝置、陽極母線和陽極組、集氣和排煙裝置。母線結(jié)構(gòu)鋁電解槽有陽極母線、陰極母線、立柱母線和軟帶母線，槽之間、廠房之間還有聯(lián)絡(luò)母線。電解槽電氣絕緣在電解槽系列上。系列電壓達(dá)數(shù)百伏甚至上千伏，因此電解槽許多部位需要進(jìn)行絕緣。采用半石墨質(zhì)陰極炭塊砌筑，其炭塊間接逢以及炭塊周圍的邊逢用炭糊搗固成陰極結(jié)構(gòu)。陰極炭塊下部用耐火磚及保溫磚砌筑。本設(shè)計(jì)所采用的陰極炭塊跟陽極炭塊的寬度相同，陽極與陰極的投影重疊?？梢允共鄣碾娢粓龇植季鶆?，磁場導(dǎo)致的誤差減少，搖籃架數(shù)量亦降低，可以使鋼材成本降低。5.2.1鋁導(dǎo)桿陽極導(dǎo)桿數(shù)等于陽極組數(shù)，為33根，本設(shè)計(jì)中陽極鋁導(dǎo)軒是130nm×130mm×2275.2.2爆炸焊結(jié)構(gòu)鋁導(dǎo)桿與鋼板的聯(lián)結(jié)采用鋁鋼爆炸焊，鋼板下面焊接圓柱型鋼爪。鋁板取165×165×2mm3,鋼板取165×165×40mm3。5.2.3鋼爪鋼爪頭直徑為160mm,長280mm。陽極炭塊是四個鋼爪頭為一組，鋼爪占有陽極面積為0.236m2/個，鋼爪間距為200mm。炭塊頂部的炭孔是用來裝配爪頭，孔直徑為200mm,深100mm。H殘=160mm,η=93.5%,η陽=0.709AVcm2,陽極凈耗為450kg/t-AL,則可算出換極γ=((50-16)×1.6)/(8.052×0.935×0.709×400)×103=25.3天單槽每小時陽極炭塊塊耗量為70.97kg/h·槽。則單槽陽極炭塊日耗量為：70.97×24=1702.08kg兩種方式計(jì)算結(jié)果相同，都是25天。設(shè)殘極高度為14000mm,寬度為600mm,則殘極高度為：本設(shè)計(jì)采用通長陰極炭塊，規(guī)格為3370mm×660mm×450mm。取陰極炭塊到槽膛端壁的長度為420mm,塊間糊扎縫為40mm,計(jì)算陰極炭塊的數(shù)量n=12000-40x(n-1)-600×n=420×2,炭塊到端壁邊緣的長度為420mm炭塊到側(cè)壁邊緣的長度為165mm陰極鋼棒4480mm×200mm×150mm,極電流密度一般取0.18~0.25A/mm2,選槽殼寬度=3700+2×150(內(nèi)村)+2×12(鋼板)+2×25(伸縮縫)=槽殼長度=12000+2×150(內(nèi)襯)+2×12(鋼板)+2×25(伸縮縫)=12374槽殼深度=50+450(底部炭塊)+392(底部內(nèi)村)+12(鋼板)+40(槽沿板)=1445.4母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流的效率也會增加。所以母線磁場穩(wěn)定非常重要，延緩6車間人數(shù)及成本(3)各車間的管理者一般是總?cè)藬?shù)的5%;此本設(shè)計(jì)采用6小時工作制。6.2成本計(jì)算將逐步分析各個生產(chǎn)因素的價格，從而算出一噸電解鋁的理論成本價及總成本首先查閱資料，收集各原材料單價：氧化鋁(2500),各氟化鹽均價(5800),冰晶石(5000),電費(fèi)(0.24),重油(1500)。氯化鋁的價鉻=氯化鋁單耗量×單價=1200×氯化鹽的價鉻=氯化鹽單耗×單價=5800×0.032=120元陽極炭塊的價鉻=陽極炭塊單耗×單價=100×10.88=1088生產(chǎn)噸鋁成本=各原材料價鉻+電價+工人工資+動力燃料+制造費(fèi)用+年折舊費(fèi)因此，可計(jì)算出噸鋁成本為12200元。而目前市面鋁價為16000元每噸。因此本設(shè)成本氯化鋁氯化鹽陽極炭塊電價生產(chǎn)噸鋁成本總成本7.1.1鋁電解生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷沉重鋁的用使用范圍極廣，鋁和鋁合金材料的消費(fèi)量只比鋼鐵材料少。然而鋁材也是各種工業(yè)生產(chǎn)中對環(huán)保危害最大的工業(yè)材料之一。每次生產(chǎn)過程中的能量損耗大約為生產(chǎn)鋼的4到5倍，僅僅只有廢水排放量少于鋼材，其中，尤其CO?的生產(chǎn)量更是使其它工業(yè)材料望其項(xiàng)背。而在鋁電解工藝流程中，除了溫室效應(yīng)氣體，有害氣體、粉塵等，還將排放大量含氟陰極廢舊內(nèi)襯，這種物質(zhì)會嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡。故而，鋁產(chǎn)業(yè)的環(huán)境治理始終是一項(xiàng)大事。而其中，本設(shè)計(jì)生產(chǎn)帶來的環(huán)保問題尤其惡劣。主要是治理難度大，煙氣凈化設(shè)施會使噸鋁成本增大。但目前，伴隨鋁工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)生的破壞環(huán)境的物質(zhì)有非常嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，這必然讓減少鋁工業(yè)對環(huán)境造成的負(fù)荷成為建立鋁廠的一項(xiàng)重要議程，是決策者選擇清潔生產(chǎn)工藝和研究煙氣治理技術(shù)。7.1.2鋁電解的環(huán)境負(fù)荷特點(diǎn)鋁工藝流程中主要的環(huán)境負(fù)荷：2.鋁電解過程中會有大量能源被使用，當(dāng)它們?nèi)紵龝r和鋁電解過程中的帶電反應(yīng)都會對環(huán)境造成影響。3.鋁工業(yè)原材料損耗對應(yīng)的是間接的環(huán)境污染。7.2電解鋁生產(chǎn)的污染源由第8.1節(jié)可知，對環(huán)境影響最大的是鋁電解過程本身。本設(shè)計(jì)將會討論這一部分的污染源頭和它的治理方法。在電解鋁的工藝中，主要污染物是氣態(tài)和固態(tài)的氟化物。其它物質(zhì)有CO、CO2和SO?。此外，最有危害的污染物是過氟化物，這是溫室氣體中氟化物有以下幾個來源：(3)當(dāng)電解過程接近發(fā)生陽極效應(yīng)時，產(chǎn)生過氟化炭CF和C?F6(4)電解槽加入氟化鹽時由于飛揚(yáng)所產(chǎn)生粉塵進(jìn)入煙氣中，造成含氟粉塵的污染。7.2.2氟化物的危害(1)氟化物對人體健康和動物的影響易溶解的氟化物，危害作用一般是最大的。氟離子是各種細(xì)胞的毒物，因此它對人體的細(xì)胞有一定影響。牙齒和骨骼的氟中毒，是長期接觸氟化物所致。其中牙齒的氟中毒會使牙齒發(fā)生永久性的缺陷，這其中的罪魁禍?zhǔn)拙褪氢}化不完全。而骨骼氟中毒的情況，是高頻率與含氟化物量高的環(huán)境接觸。但在鋁電解工藝流程中，國內(nèi)外發(fā)生上述現(xiàn)象的可能性極小。這幾種癥狀只會發(fā)生在沒有監(jiān)管的排放氟化物的鋁廠，在當(dāng)今社會，基本不會出現(xiàn)。出現(xiàn)頻率最高的是支氣管炎。(2)對農(nóng)作物的影響過多氟化物會導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量降低，從而降低其品質(zhì)。主要機(jī)理是存在于空氣中的氟化物通過農(nóng)作物的葉片氣孔進(jìn)入農(nóng)作物，或以顆粒物的形式積落在農(nóng)作物的葉子表面，對以該植物為食的動物也會有風(fēng)險，當(dāng)葉尖和葉緣出現(xiàn)傷斑，就可以猜測是否是氟化物濃度高，嚴(yán)重時還會造成枯斑癥。氟化物對農(nóng)作物的影響，不僅是肉眼可以發(fā)現(xiàn)的癥狀，對植物發(fā)育更是會加以阻礙，延緩生長以及光合作用速率。相同濃度的氟化物比SO?的毒性大20100倍，[11]鋁本設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的廢氣主要HF。處理辦法是使用鋁的氧化物，來除去HF。氟化物首先是要掌握排水量，使鋁電解過程中的水盡可能循環(huán)利用，達(dá)到90%以上。而在鋁電解工藝流程中產(chǎn)生的廢棄用水通過集中污水處理后，經(jīng)檢測達(dá)標(biāo)后可充當(dāng)循環(huán)水。第一，本設(shè)計(jì)最終設(shè)計(jì)出了陽