提高鎂電解生產(chǎn)能效的研究

李保金，黎亮，楊松

提高鎂電解生產(chǎn)能效的研究

李保金，黎亮，楊松

(云南新立有色金屬有限公司，云南昆明650100)

闡述了如何提高鎂電解生產(chǎn)能效，提出了通過(guò)使用新型電解槽、降低電解溫度和加強(qiáng)絕緣等途徑可以有效提高鎂電解的生產(chǎn)能效。

鎂電解;新型電解槽;生產(chǎn)能效

0 引言

1957年11月我國(guó)第一臺(tái)鎂電解槽于撫順鋁廠通電投產(chǎn)，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)鎂提煉的工業(yè)化時(shí)代，奠定了鎂電解應(yīng)用的成功基礎(chǔ)。在時(shí)隔30多年后的1993年11月，第一臺(tái)由前蘇聯(lián)引進(jìn)的更為先進(jìn)的105 kA無(wú)隔板鎂電解槽再次于撫順鋁廠投產(chǎn)成功，大幅提升了撫順鋁廠鎂電解的生產(chǎn)能效，此后，遵義鈦廠同樣通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的鎂電解技術(shù)(110 kA電解槽)淘汰老工藝的方式實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)能效的提高。自2006年以后，國(guó)內(nèi)新建的一批海綿鈦生產(chǎn)項(xiàng)目，引進(jìn)了具有世界先進(jìn)水平性質(zhì)的多極性鎂電解槽技術(shù)，并獲得成功投運(yùn)，其直流電耗、氯氣濃度、原材料消耗、環(huán)保程度等多項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)內(nèi)其他類型的電解槽。

縱觀我國(guó)鎂電解發(fā)展史，雖然在短短10余年時(shí)間里取得了突破性的成就，但其與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)水平相比還相差甚遠(yuǎn)，巨大的能效提高潛力仍有待發(fā)掘和開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于實(shí)踐，該文將根據(jù)本廠的技術(shù)探索對(duì)如何提高鎂電解的生產(chǎn)能效進(jìn)行討論。

1 技術(shù)革新是提高生產(chǎn)能效的有效途徑

通過(guò)采用全面的技術(shù)革新方式來(lái)提高自身的生產(chǎn)能效，是最直接、最成功也是最有效的途徑，在目前國(guó)內(nèi)鎂電解生產(chǎn)的技術(shù)性能指標(biāo)體現(xiàn)中得到了充分的證明，表1是各種鎂電解槽型生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比［1］。

表1 各種鎂電解槽型生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of Technical－Economic Targets for Various Types of Magnesium Electrolytic Cell

表1中顯示多極性鎂電解槽最大的優(yōu)點(diǎn)是噸鎂直流電耗更低，每生產(chǎn)1 t鎂可節(jié)省直流電耗約18%～23%，同時(shí)，氯氣濃度更高，將會(huì)大幅度提升氯化工序的產(chǎn)品質(zhì)量，另外，氯化鎂消耗量極低，電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為優(yōu)越，因此，多極性鎂電解槽相對(duì)于其他類型的電解槽更具提高生產(chǎn)能效的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)多極性鎂電解槽研究和使用多年的大阪鈦公司于1988年已將每kg鎂的電耗降至9.5～10 kW·h，相當(dāng)于電能效率達(dá)到64%～67%［2］，先期驗(yàn)證了該類槽型的先進(jìn)性，表2是大阪鈦公司雙極性鎂電解槽的技術(shù)性能。

表2 大阪鈦公司雙極性鎂電解槽技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical Targets of Bipolar Magnesium Electrolytic Cell in Osaka Corporation

2 降低槽電壓

式中:Qt—時(shí)間t內(nèi)電能消耗量，kW·h;

W—時(shí)間t內(nèi)的實(shí)際產(chǎn)鎂量，kg;

U—電解槽電壓，V;

η—電流效率。

式中表明單位鎂電能消耗量與電解槽電壓成正比，與電流效率成反比。在實(shí)際生產(chǎn)中由于受槽型結(jié)構(gòu)等因素的限制，通過(guò)提高電流效率來(lái)減少電

每千克鎂電能消耗量(kW·h):能消耗比較困難，因此，實(shí)際生產(chǎn)中主要通過(guò)降低電解槽的電壓來(lái)達(dá)到降低電能消耗的目的。

電解槽電壓組成［2］:

式中表明降低電解槽電壓必須通過(guò)降低母線、陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)電壓降和氯化鎂分解電壓(E分解)來(lái)實(shí)現(xiàn)。氯化鎂分解電壓主要受自身特性限制，外部因素的溫度和電解質(zhì)成分也對(duì)其有較大影響，分解電壓變化范圍為0～0.2 V，對(duì)電解槽電壓降低的影響不大，因此，降低電解槽電壓主要通過(guò)研究降低其他四個(gè)方面的電壓降來(lái)考慮。

2.1 降低母線電壓降

母線電壓(V)計(jì)算公式:

式中:I—通過(guò)母線的電流強(qiáng)度，A;

ρ—母線電阻率，Ω·m;

L—母線長(zhǎng)度，m;

S—母線橫截面積，m2。

式中顯示母線電壓降與電流強(qiáng)度、電阻率、母線長(zhǎng)度成正比，與橫截面積成反比。在電流強(qiáng)度和母線長(zhǎng)度一定的情況下，通過(guò)采用更低電阻率材料(如銅等)做母線和增大母線橫截面積的方式來(lái)降低母線電壓，這對(duì)生產(chǎn)規(guī)模大的企業(yè)來(lái)說(shuō)提升能效尤為明顯。

在實(shí)際生產(chǎn)中，母線壓接面結(jié)合程度好與壞對(duì)母線電壓降仍存在重大影響，其電壓降要求不大于10 mV，首要措施是提高母線壓接面加工精度，另外可通過(guò)在壓接面涂抹導(dǎo)電膏或加墊鍍銀銅箔等外部措施增強(qiáng)壓接面的結(jié)合程度。

2.2 降低陽(yáng)極電壓降

陽(yáng)極電壓降［2］:

式中:ρ—石墨陽(yáng)極在t℃時(shí)的電阻率，Ω·cm;

i斷—陽(yáng)極斷面的電流密度，A/cm2; L陽(yáng)—電流通過(guò)陽(yáng)極的電路長(zhǎng)度，cm。

式中陽(yáng)極電壓降與電阻率、斷面電流密度、電流通過(guò)陽(yáng)極的電路長(zhǎng)度均成正比，在電解槽結(jié)構(gòu)既定的情況下，唯有通過(guò)使用低電阻率的石墨陽(yáng)極才能降低陽(yáng)極電壓降。

2.3 降低陰極電壓降

陰極材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)電流效率有很大影響［2］，陰極的工作截面、結(jié)構(gòu)型式以及連接方式對(duì)電壓降同樣具有較大影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，有些工廠為保證陰極與母線接觸的長(zhǎng)效性和降低電壓降，使用軟母線通過(guò)焊接的方式將母線和陰極連接起來(lái)。

2.4 降低電解質(zhì)電壓降

在固定槽型中，極距和電流密度是不變的，此時(shí)電解質(zhì)電壓降主要取決于電解質(zhì)的導(dǎo)電度，表3是電解質(zhì)基本成分在800～805℃時(shí)的導(dǎo)電率［2］。

表3 鎂電解質(zhì)基本成分的導(dǎo)電率Tab.3 Electric Conductivity of Basic Component of Magnesium Electrolyte

表3中顯示各種熔鹽成分中NaCl的導(dǎo)電度最高。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，所有鎂電解質(zhì)體系中，混合熔鹽的電導(dǎo)率隨氯化鈉的增加而增大，隨氯化鈣含量的增加先是降低，當(dāng)氯化鈣含量超過(guò)30%以后又增大，因此，常用的電解質(zhì)體系中，無(wú)論是3元系還是4元系，氯化鈉的含量都比較高。同時(shí)，適當(dāng)提高氯化鉀的含量有利于對(duì)電解質(zhì)表面上的液鎂的保護(hù)［3］。

3 降低電解溫度

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的鎂電解技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為低溫電解技術(shù)，在鎂電解生產(chǎn)過(guò)程中，采取適當(dāng)?shù)偷碾娊鉁囟?，就能夠獲得比較高的電流效率。日本大阪鈦公司1975年投入運(yùn)行的無(wú)隔板鎂電解槽電解溫度為660～670℃，出鎂溫度控制在670～675℃之間，其電流效率為93.2%［6］。目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)行的無(wú)隔板鎂電解槽電解溫度普遍控制在680～710℃之間，電流效率低于80%。

根據(jù)M.K.Бaйбеков等針對(duì)循環(huán)集鎂型無(wú)隔板槽的低溫電解工藝的研究，在660～670℃的電解溫度下，使用Ti生產(chǎn)返回的MgCl2做原料加入工業(yè)電解槽中進(jìn)行電解，電流效率提高3%～4%，噸鎂電能消耗降低500 kW·h，衛(wèi)生排氣中的Cl2損失大幅下降。在國(guó)內(nèi)的一些海綿鈦工廠中已經(jīng)應(yīng)用這一技術(shù)，其電流效率和電能效率都比較高［4］。

4 加強(qiáng)絕緣

在鎂電解項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)的過(guò)程中，為避免和減少電解槽漏電損失，做好絕緣工作是最重要的工作之一。因此，車間地坪必須使用絕緣材料鋪砌或覆蓋，電解槽基礎(chǔ)與大地、工作平臺(tái)支撐柱與大地、工作平臺(tái)支撐柱與工作平臺(tái)、工作平臺(tái)與廠房墻體、工作平臺(tái)與行車支撐柱等均要求絕緣，并且絕緣電阻值均不低于500 kΩ。另外，工作平臺(tái)設(shè)置多條絕緣縫，最優(yōu)方案為每?jī)膳_(tái)電解槽之間的工作平臺(tái)設(shè)置絕緣縫。

在日常生產(chǎn)中，定期檢查車間絕緣情況，使用酒精擦拭電解槽、氯氣導(dǎo)管、母線的絕緣瓷瓶，避免升華物沾附其上，對(duì)絕緣造成破壞。采用大型軸流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)通風(fēng)，保證車間干燥。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)就目前國(guó)內(nèi)所運(yùn)用的電解槽技術(shù)而言，從長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，引進(jìn)更為先進(jìn)的多極性鎂電解槽可大幅降低單位鎂產(chǎn)量的電能消耗、提高氯氣濃度、提高原料利用率等。

(2)深入研究多種降低電解槽電壓的途徑，對(duì)降低電能消耗更具實(shí)際意義，同時(shí)，研究使用適當(dāng)?shù)牡蜏仉娊?，均能夠有效提升電解槽的電流效率和電能效率?/p>

(3)采取多種行之有效的方法保證車間各項(xiàng)設(shè)施絕緣良好，對(duì)絕緣受損設(shè)施，應(yīng)第一時(shí)間處理，避免漏電造成重大損失。

［1］姜寶偉，陳平.海綿鈦生產(chǎn)工藝中的多極性鎂電解槽技術(shù)［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(5):6－8.

［2］張永健.鎂電解生產(chǎn)工藝學(xué)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2006.

［3］陳平，李長(zhǎng)榮.電解質(zhì)成分對(duì)無(wú)隔板鎂電解槽電流效率影響的工業(yè)實(shí)踐［J］.南方金屬，2011(4):15－17，44.

［4］閻守義.我國(guó)海綿鈦生產(chǎn)工藝改進(jìn)途徑［J］.北京:中國(guó)金屬通報(bào)，2012(4):18－21.

Research on Improving Productive Efficiency of Magnesium Electrolysis

LI Bao－jin，LI Liang，YANG Song
(Yunnan Xinli Nonferrous Metals Co.Ltd，Kunming 650100，China)

By explaining how to improve the productive efficiency of magnesium electrolysis，it was proposed that the productive efficiency of magnesium electrolysis can be effectively improved by means of someways such as using a new electrolytic cell，reducing electrolytic temperature and strengthening insulation.

magnesium electrolysis;a new electrolytic cell;productive efficiency

TF822

A

1004－2660(2012)03－0023－04

2012－05－15.

李保金(1970－)，男，云南人，工程師.主要研究方向:全流程海綿鈦生產(chǎn)工藝.E－mail:libaojinmmm@163.com