超声作用及极距变化对铝电解电流效率的影响

发布时间：2020-07-02 09:53

【摘要】：我国铝产能位居世界首位,铝电解生产过程中消耗大量电能,节能是当前铝电解研究的重要方向。铝电解阳极过程产生大量气体,导致槽电压升高,并与熔液中金属铝发生二次反应降低电流效率。为降低槽电压,研究者们尝试采用开槽阳极、倾斜式阳极以及在阳极上加载超声的方法,其核心就在于加快阳极气体逸出,减少阳极气泡在阳极表面的停留。以往文献中对于超声频率、声强、极距变化、气泡在阳极表面的分布作用及其对铝电解电流效率的影响研究少有报道。针对上述不足和问题,本文开展了系统性研究。首先,针对超声波在铝电解过程的应用,对超声频率作用槽电压的影响进行了探索研究。结果表明,较低频率的超声(20kHz)能得到较好的超声降低槽电压的效果。其次,针对铝电解高温(930～960℃)造成对气泡实验和观察的困难,对气泡在阳极表面的粒径大小分布、各面积百分比、覆盖度进行冷态模拟实验研究。结果表明,当电流密度低于0.2A/cm2时,阳极气泡最大尺寸和覆盖度随着电流密度的增高而增大；当电流密度大于0.2A/cm2,阳极气泡最大直径和覆盖度随电流密度的变化不明显。0.05A/cm2阳极气泡最大直径和气泡覆盖度随极距的降低稍微有所增大：0.2A/cm2阳极气泡最大直径和气泡覆盖度随极距的降低变化不明显,表明当电流密度较大时,气泡的最大直径和气泡覆盖度与极距的关系不大。另外,围绕超声主要通过阳极气泡发生作用的方式,为获得最佳的超声输入能量、电解极距、在冷态电解槽中对加载超声后气泡行为和槽电压进行了测试研究。结果表明,随着超声声强的增大,气泡在阳极的区域覆盖度变小,槽电压降低值不断升高；当超声声强增大到0.027W/cm2,阳极上气泡被完全去除,继续增大声强,超声对槽电压的降低效果则减弱。超声声强低于临界值时,气泡区域覆盖度随着极距的降低而有所增大,表明静压力的增大阻碍超声驱除气泡。对气泡在阳极上的大小分布和覆盖率作详细的研究,不仅对节能和提高电流效率有重要的作用,对电解槽磁场和流场的研究同样具有重要的作用。随后对超声与槽电压和电解槽有效电阻率的关系进行系统研究。结果表明,随着超声声强的增大,槽电压降低值不断增大,但槽电压降低值增大效果越来越弱；而随着极距的降低,在一定超声声强下,槽电压降低值变小,通过对电解槽有效电阻率的计算表明,随着电流密度的升高,电解槽有效电阻率降低,而超声的引入使得电解槽有效电阻率变得更低。为强化槽电流同时不影响热平衡的条件下增大产能提供一种技术可能性。在上述结果基础上,综合研究超声作用和极距变化对电流效率的影响。结果表明,电流密度0.75A/cm2左右,在阳极上加载超声能够提高电流效率,超声对电流效率的提高效果可达2%左右,而与极距变化同时进行时并未见明显增加。进一步构建阳极气泡从长大到逸出冰晶石熔液表面的各部分历程的传质速率模型,对电解槽电流效率进行模拟研究。结果显示,同等气体量气泡在电解质熔液中存在的粒径越小、上浮过程越长,其引起的CO2传质速率和电流效率损失越大。阳极电流密度对阳极底部气泡生长过程中的传质速率影响较大,而对逸出气泡上浮过程中向电解质熔液中C02传质速率影响不明显。极距变化对气泡在冰晶石熔液中的扩散传质速率和电流效率的影响作用不明显,但实验测量电流效率随极距降低的变化较大,极距35-40mm时计算值与实测值较接近；极距较低(小于35mm),计算值小于实测值,表明应同时考虑其他影响CO2传质的因素,才能对电流效率进行较为合理的模拟和评估。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF821

【参考文献】

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