ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
ELECTROLYSIS UNIT FOR ALUMINIUM MANUFACTURE

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к конструкции электролизера для получения алюминия.
Известен электролизер для производства алюминия электролизом расплавленных солей, содержащий концевые анод и катод и один или несколько биполярных электродов, расположенных параллельно между концевыми электродами (Cochran C.N., Burkin A.R. "Production of Aluminium and Alumina", John Wiley & Sons, Chichester, New York, Brisbane, Toronto and Singapore, 1987, p.p.200-207). Известная конструкция электролизера позволяет решить проблему увеличения его производительности без увеличения геометрических размеров и соответственно дополнительных затрат на материалы, расход электроэнергии в шинопроводах и тепловые потери в окружающую среду. Однако такой электролизер может быть использован только при новом строительстве или при модернизации с полной заменой существующих электролизеров и инфраструктуры завода.
Известен электролизер для производства алюминия, принятый за прототип, содержащий катодное устройство и анодное устройство (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. Изд-во «Металлургия», М., 1971, стр.152-158). Катодное устройство содержит ванну, футерованную угольными блоками, слой расплавленного алюминия, размещенный на угольной подине, служащий катодом и соединенный с катодной шиной. Анодное устройство содержит предварительно обожженные угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит.
Известная конструкция электролизера может быть использована при модернизации существующих электролизеров без их полной замены, однако повышение их производительности возможно только при увеличении их геометрических размеров, а это сопровождается дополнительными затратами на материалы и электрическую и тепловую энергию.
Задачей изобретения является создание конструкции электролизера, позволяющей увеличить производительность существующих электролизеров без изменения их геометрических размеров.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в электролизере для производства алюминия, включающем катодное устройство, содержащее ванну, футерованную угольными блоками, слой расплавленного алюминия, размещенный на угольной подине, служащее катодом и соединенное с катодной шиной, и предварительно обожженные угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, согласно заявляемому изобретению внутри ванны параллельно ее продольной оси, между угольной подиной и обожженными анодами, под каждым из обожженных анодов расположены биполярные электроды, на расстоянии от поверхности расплавленного алюминия, обеспечивающим свободное удаление пузырьков газа и минимальное возмущение поверхности расплава электролита, изготовленные из малорасходуемых в расплавленных солях материалов, причем активная катодная поверхность биполярного электрода обращена к нижней поверхности обожженного угольного анода, а активная анодная поверхность биполярного электрода обращена к поверхности расплавленного алюминия, кроме того, площадь поверхности биполярного электрода составляет не менее площади нижней поверхности обожженного угольного анода.
Изобретение дополняет частный отличительный признак, который также направлен на достижение поставленной задачи.
В электролизере биполярные электроды могут быть расположены на расстоянии 1-3 см от поверхности расплавленного алюминия и размещены на подставках из огнеупорного неэлектропроводного материала, например карбида кремния, закрепленных в угольной подине ванны.
Биполярные электроды нашли широкое применение, что описано в ряде монографий (I.Galasiu, R.Galasiu, J.Thonstad "Inert anodes for aluminium electrolysis", Aluminium Verlag, Dusseldorf, 2007, pp.5-8, 10, 34, 170, 174).
2
2
Металлическая инертная поверхность, основу которой может составлять легированная сталь или сплавы медь-никель-железо с различными добавками, является активной анодной частью пластины биполярного электрода. Эта сторона обращена к катоду. Здесь происходит разряд ионов кислорода с выделением пузырьков кислорода (O). Активная катодная (верхняя) часть биполярной пластины обычно состоит из материала, стойкого к расплавленному алюминию и электролиту. В качестве такого материала могут быть применены композиты на основе углерода (например, графита), содержащие смачиваемый алюминием материал, например диборид титана (TiB). На катодной части биполярного электрода происходит разряд ионов алюминия. Выделяющийся металл стекает к краю (краям) пластины и затем на поверхность катодной алюминиевой «лужи».
Установка биполярных электродов под каждым из обожженных анодов, на расстоянии от поверхности расплавленного алюминия, обеспечивающим свободное удаление пузырьков газа и минимальное возмущение поверхности расплава электролита, обеспечит двукратное увеличение производительности электролизера без увеличения его геометрических размеров и связанного с этим дополнительного расхода материалов и электроэнергии. Электролиз в предлагаемой конструкции электролизера будет происходить дважды: между нижней поверхностью обожженного угольного анода существующего электролизера и активной катодной поверхностью биполярного электрода и повторно - между поверхностью жидкого алюминия на угольной подине существующего электролизера и активной анодной поверхностью биполярного электрода.
Расположение биполярного электрода на расстоянии 1-3 см от поверхности расплавленного алюминия выбрано, исходя из известного факта очень малых размеров пузырьков газа (кислорода), выделяющегося на аноде биполярного электрода, изготовленного из малорасходуемых в расплавленных солях материалов.
Сущность изобретения поясняется эскизом, где на фигуре показан электролизер для производства алюминия. Корпус электролизера формируется металлическим кожухом 1, снабженным теплоизоляцией 2 из огнеупорного кирпича. Ванна электролизера выполнена из торцевых 3 и подовых 4 углеродистых блоков, причем подовые блоки 4 соединены с катодной шиной 5. Предварительно обожженные аноды 6 соединены с анодной шиной 7 и заглублены в слой электролита, ниже которого находится слой расплавленного алюминия 8, выполняющего роль катода, и через блоки 4 соединенный с шиной 5. Внутри ванны электролизера, параллельно ее продольной оси, между подовыми блоками 4 угольной подины и обожженными анодами 6 расположены биполярные электроды 9. Биполярные электроды 9 расположены под каждым из обожженных анодов 6 на расстоянии 1-3 см от поверхности расплавленного алюминия 8. Биполярные электроды 9 изготовлены из малорасходуемых в расплавленных солях материалов и размещены на подставках 10 из огнеупорного неэлектропроводного материала, например карбида кремния. Активная катодная поверхность биполярного электрода 9 обращена к нижней поверхности обожженного угольного анода 6. Активная анодная поверхность биполярного электрода 9 обращена к поверхности расплавленного алюминия 8. Площадь поверхности биполярного электрода 9 не менее площади нижней поверхности обожженного угольного анода 6. Граничное значение длины биполярного электрода, выходящей за проекцию обожженного угольного анода на подину электролизера, определяется расположением настыли. Чтобы не произошло выдавливание биполярного электрода, он не должен располагаться над настылью.
Монтаж электролизера осуществляется следующим образом. После сборки и установки катодного устройства (ванны 1, футерованной угольными подовыми блоками 3) на подставки 10 устанавливают биполярные электроды 9. Биполярные электроды 9 размещают на расстоянии 1-3 см от поверхности расплавленного алюминия 8 на угольной подине электролизера. После установки обожженных угольных анодов 6 подину и анодное устройство нагревают газовыми (мазутными) горелками до температуры, близкой к эксплуатационной. Затем заливают в ванну расплавленные алюминий и электролит и подключают электролизер под нагрузку. После вывода электролизера на нормальный технологический режим все технологические операции (замену обожженных угольных анодов, питание глиноземом, выливку алюминия, управление процессом и др.) осуществляют по стандартной схеме для известной конструкции электролизера.
Предлагаемая конструкция электролизера позволяет увеличить в два раза производительность электролизера без увеличения его геометрических размеров и связанных с этим затрат на материалы, что позволит снизить себестоимость производства алюминия, затраты на капитальный ремонт в расчете на тонну алюминия, а также уменьшить выбросы парниковых газов в окружающую среду. В предлагаемой конструкции достигается ощутимое уменьшение удельного расхода энергии.
1
2
Допустим, что электролизер с обожженными анодами имеет межполюсное расстояние l=4,5 см. Тогда при удельном сопротивлении электролита ρ=0,5 Ом*см, обратной ЭДС E=1,65 В и при плотности тока i=0,8 А/см, падение напряжения между катодом и анодом составит
1
1
1
V=Е+iρl=1,65+0,8*0,5*4,5=3,45 (В).
2
2
1
Если между катодом и анодом поместить биполярную пластину с расстояниями между анодом и катодной частью биполя l'=3 см и между анодной частью биполя и катодом l''=3 см и при этом обратная ЭДС E=2,4 В, то напряжение между катодом и анодом составит
2
2
2
2
V=Е+iρl'+iρl''=2,4+0,8*0,5*(3+3)=4,8 (В).
В первом случае снижение удельного расхода энергии составит
1
2
1
2
ΔW=V/kη-V/2kη=l/kη*(V-V/2)=3,37 (кВт*ч/кг Al),
где k - электрохимический эквивалент (0,3355 г/А*ч), η - выход по току (0,93).
Это означает, что удельный расход энергии сможет составить около 10000 кВт*ч/кг Al.