铝电解槽

自焙阳极上插棒式电解槽简图
图4-2-5
(3) 连续预焙阳极电解槽
• 相对于非连续式有如下特点： 相对于非连续式有如下特点： 优点： 优点： 无阳极残极，预焙炭块消耗量小； 无阳极残极，预焙炭块消耗量小； 阳极电流分布均匀，故阳极消耗均匀； 阳极电流分布均匀，故阳极消耗均匀； 生产的连续性。 生产的连续性。 缺点： 缺点： 阳极不能用氧化铝保温，热损失大； 阳极不能用氧化铝保温，热损失大； 炭块之间接缝存在接触电压降， 炭块之间接缝存在接触电压降，故槽电 压较高。 压较高。
复杂(有焦 复杂(有焦 复杂 有焦 复杂 有焦 化产物) 化产物) 化产物 化产物 11.2 9.2
⑴炭阳极分类 自焙阳极： 自焙阳极：
旁插棒式阳极 • 上插棒式阳极
•
按导电方式分类
预焙阳极： 预焙阳极：
•连续式阳极 •不连续式阳极
按阳极本身是否连 续使用分类
碳阳极生产的简明流程
图4-2-2
⑵炭阳极对焦炭的要求
•
连续式预焙阳极电解槽简图
图4-2-6 连续式预焙阳极电解槽简图 1-阳极炭块；2-阳极棒；3-阳极母线；4-槽壳；5-炭块接缝；6-阴极炭块； 7-阴极棒；8-保温层
表4-2-4 两 连续式预焙槽和不连续式预焙槽的电压对比 种型式预 焙槽的电 压分配 2-4列出连续式预焙槽和不连续式预焙 表 4-
铝电解生产系列
铝电解槽系列 • 为保证系列的连续稳定运行，需备用电 源； • 电解槽排布方式：
• 横向排列 l 纵向排列
单行排列 双行排列
铝电解槽配置图
铝电解槽的母线配置
图4-2-8
未来铝电解槽的改进
• 目前的铝电解槽尚存在一些问题：生产过程能量 目前的铝电解槽尚存在一些问题： 利用率较低，电流效率不太理想， 利用率较低，电流效率不太理想，单位产品的投资费 用较高，控制污染的设备费用也很贵。 用较高，控制污染的设备费用也很贵。 原有电解槽的改造包括阴极材料、阳极材料及槽 原有电解槽的改造包括阴极材料、 内衬等的Fra Baidu bibliotek造。 内衬等的改造。 从长远考虑，冰晶石—氧化铝电解法中采用不耗 从长远考虑，冰晶石 氧化铝电解法中采用不耗 具有特别重大的意义。 阳极及永久性阴极 ，具有特别重大的意义。 电解槽壁采用超级耐火材料， 电解槽壁采用超级耐火材料，可以增大阳极面积 并缩短阳极至侧壁的距离。于是，在同样大小的槽壳 并缩短阳极至侧壁的距离。于是， 内可以用增加电流的办法， 内可以用增加电流的办法，来提高铝产量并节省单位 产品的电能消耗量。 产品的电能消耗量。
槽的电压对比资料。 槽的电压对比资料。
两种型式预焙槽的电压分配(120kA 表 4-2-4 两种型式预焙槽的电压分配 试验槽)/mV 试验槽 电压降部位 连续式 不连续式 190 170 阳极母线、 阳极母线、阴极母线 500 220 阳 极 3100 3100 电 解 质 330 330 阴 极 4120 3820 槽 电 压 80 80 阳极效应分摊的电压
自焙阳极旁插棒式电解槽
图4-2-4
(2) 自焙阳极上插棒式电解槽
现在，自焙阳极上插棒式电解槽在 现在， 工业上也被广泛地采用。 工业上也被广泛地采用。阳极内发生的焦 化作用，基本上同旁插棒槽。 化作用，基本上同旁插棒槽。在焦化过程 也形成了烧结锥体。 中，也形成了烧结锥体。阳极棒通过上层 的液体糊，一直插到阳极锥体之内。 的液体糊，一直插到阳极锥体之内。其主 要不同是拔棒后遗留下来的孔洞由上层的 阳极糊来充填，结果生成所谓“ 阳极糊来充填，结果生成所谓“二次阳 这对于阳极的质量有一定的影响。 极”。这对于阳极的质量有一定的影响。
预焙阳极电解槽
依加料方式分： 依加料方式分：边部打壳和中部打壳电解槽 • 阳极炭块组：阳极导杆、钢爪、炭块 阳极炭块组：阳极导杆、钢爪、 • 阴极装置：阴极炭块、钢质导电棒 阴极装置：阴极炭块、 • 铝母线：阳极母线、阴极母线、立柱母线 铝母线：阳极母线、阴极母线、 • 进电方式：一端进电、双端进电 进电方式：一端进电、
铝电解槽的构造及技术参数
自焙槽 优点： 优点： 阳极可连续使用； 阳极可连续使用； 不需专门工厂进行阳极成型， 不需专门工厂进行阳极成型， 焙烧，装爪等。 缺点： 焙烧，装爪等。 缺点： 烟害大； 烟害大； 槽电压比预焙槽约高 0.1~0.2V，电耗比预焙槽高 ， 约1000度； 度 上插棒槽的上部金属结构比 较复杂，机械化程度， 较复杂，机械化程度，投资 大。 预焙槽 优点： 优点： 电耗低，槽电压低； 电耗低，槽电压低； 电解槽造价少； 电解槽造价少； 可大型化， 可大型化，操作的机械化程 度高； 度高； 烟害小。 烟害小。 缺点： 缺点： 非连续式预焙阳极电解槽需 更换阳极； 更换阳极； 需成套的阳极制备工厂， 需成套的阳极制备工厂，投 资多。 资多。
⑸预焙阳极炭块
质量评价：真比重、假比重、机械强度、 质量评价：真比重、假比重、机械强度、 电阻率。 电阻率。 • 制备过程： 制备过程： • 成型：挤压成型；振动成型； 成型：挤压成型；振动成型； l 焙烧：环式窑。要求合适的升温速度。 焙烧：环式窑。要求合适的升温速度。
碳阳极放置图
碳阳极残极图
• • • •
⑷炭阳极对阳极糊的要求
阳极糊要求有一定的塑性（或流动性），以便 阳极糊要求有一定的塑性（或流动性），以便 ）， 填满拔棒后留下的孔洞； 填满拔棒后留下的孔洞；但流动时不能引起焦 粒偏析，孔洞不能被富含沥青的糊所填充， 粒偏析，孔洞不能被富含沥青的糊所填充，以 免此处焦化后孔隙率过高； 免此处焦化后孔隙率过高； 流动性与糊中沥青配比、沥青的软化点、 流动性与糊中沥青配比、沥青的软化点、阳极 上部温度等因素有关。 上部温度等因素有关。 阳极糊的质量主要取决于固定炭粒的粒度组成， 阳极糊的质量主要取决于固定炭粒的粒度组成， 沥青配比由粒度组成确定。 沥青配比由粒度组成确定。
现状：现代铝工业有四种型式的槽型。 现状：现代铝工业有四种型式的槽型。 自焙阳极电解槽，有旁插式和上插式两种 两种。 自焙阳极电解槽，有旁插式和上插式两种。 预焙阳极电解槽，有不连续式（ 预焙阳极电解槽，有不连续式（中部打壳 式和边部打壳式）和连续式两种 两种。 式和边部打壳式）和连续式两种。 新型的有多电解槽， 新型的有多电解槽，采用氯化铝为电解 质，预示着铝电解槽的发展将进入新阶 段。
⑹炭阳极消耗指数
定义： 定义： •按每 安培 小时电量计，阳极实际炭耗量与 按每1安培 小时电量计， 按每 安培·小时电量计 理论炭耗量的比率。 理论炭耗量的比率。 l 理论消耗量： 理论消耗量： 12.011 4 g/A·h = 0.1120 96487 3600 影响因素： 影响因素： 阳极在空气中的氧化；阳极掉粒；生成CO等。 阳极在空气中的氧化；阳极掉粒；生成 等
铝电解槽的发展从19世纪末至今已经有了一百多 铝电解槽的发展从19世纪末至今已经有了一百多 年的历史。 年的历史。 ã 初期：电流强度为4~8kA的小型预焙阳极电 初期：电流强度为 的小型预焙阳极电 解槽，产铝量为20~40kg/d；电能消耗为 解槽，产铝量为 ； 42kW·h。 。 ã 目前：电流强度达到了 目前：电流强度达到了17~22kA的大型化各 的大型化各 种类型阳极电解槽，产铝量为1200~1500kg/d； 种类型阳极电解槽，产铝量为 ； 电能消耗量降低到13.5kW·h左右。 左右。 电能消耗量降低到 左右
铝电解槽
铝电解的工作原理
电解质：冰晶石 氧化铝融盐 氧化铝融盐， 电解质：冰晶石—氧化铝融盐， 电流：直流电（4~22kA）； 电流：直流电（ ）； 电解温度： 电解温度：950~970℃； ℃ 电极： 阳极均为碳质，阴极上析出铝、 电极：阴、阳极均为碳质，阴极上析出铝、 极上析出CO2（70%）和CO（30%）气 而阳 极上析出 ） （ ） 体； • 电解总反应： 电解总反应： • • • • • 2Al2O3（aq）+3C（s）=4Al（l）+3CO2（g） ） （） （） ）
作用： 作用： •焦炭作为炭阳极骨料 焦炭作为炭阳极骨料 l要求： 要求： •1. 灰份低 灰份低——灰份大部分进入铝内影响质量； 灰份大部分进入铝内影响质量； 灰份大部分进入铝内影响质量 l2. 含硫少 含硫少—— S在高温下同铁质阳极棒作用生 在高温下同铁质阳极棒作用生 成电阻很大的硫化铁膜而增加铁-炭接触电压 炭接触电压降 成电阻很大的硫化铁膜而增加铁 炭接触电压降； l3. 含钒少 含钒少——钒会增大焦炭的氧化活性，阳极消 钒会增大焦炭的氧化活性， 钒会增大焦炭的氧化活性 耗多。 耗多。
(1) 自焙阳极旁插棒式电解槽
1).基础：绝缘 基础： 基础 2). 阴极：保温、坚固、密封防氧化、底 阴极：保温、坚固、密封防氧化、 糊防侵蚀、挡板防淌料、 糊防侵蚀、挡板防淌料、侧部炭糊筑坡 3). 阳极 铝箱、钢质框架 阳极: 铝箱、 4). 上部金属结构：支柱、平台、AO料 上部金属结构：支柱、平台、 料 阳极升降机构、 斗、阳极升降机构、槽帘和排烟系统 5). 导电母线和绝缘设施
铝电解机理——两极过程 铝电解机理——两极过程
１．阴极过程： 阴极过程： Al3+(配离子）＋３e=Al 配离子）＋ 配离子）＋３ 配离子解离，配离子同时放电； 配离子解离，配离子同时放电； 分子比↑ 温度↑、Ａl 浓度↓ 阴极电流密度↑ 分子比↑、温度↑、Ａ 2O3浓度↓，阴极电流密度↑ 铝钠析出电位差值减小，可能导致钠离子放电； →铝钠析出电位差值减小，可能导致钠离子放电； 采用酸性电解质体系，较低的电解温度， 采用酸性电解质体系，较低的电解温度，尽可能 大的Ａ 浓度，良好的传质以防阴极上N 大的Ａl2O3浓度，良好的传质以防阴极上 a+过度 积累而放电。 积累而放电。 阳极过程： ２．阳极过程： 2O2-(配离子）＋Ｃ－４e=CO2 配离子）＋Ｃ－ 配离子）＋Ｃ－４ 配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出Ｏ 配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出Ｏ２， 而后与Ｃ反应生成ＣＯ 而后与Ｃ反应生成ＣＯ２； 炭渣的存在，ＣＯ 气体渗入阳极孔隙与Ｃ再反应， 炭渣的存在，ＣＯ２气体渗入阳极孔隙与Ｃ再反应， 溶解在电解质中的铝再氧化等因素导致气体非纯 而是ＣＯ＋ＣＯ 的混合物。 ＣＯ２，而是ＣＯ＋ＣＯ２的混合物。
氧化铝下料装置立体图
氧化铝下料装置剖面图
四种型式阳极的比较
电流/kA 电流 d 阳 /A· cm -2 · 电耗/kWh· -1 · t 电耗 阳极操作 磁场隆起影 响 废气捕集效 率 /% 气体净化 工时数/h· 工时数 · t-1 预 焙 自 不连续式 连续式 旁插棒式 50～ 130 220 120 ～ 0.7～ 0.8 0.7～ 1.0 ～ 0.7 ～ 13000～ 150000～ ～ ～ 160000 16000 170000 复杂 简单 不复杂 轻微 90～ 95 ～ 不复杂(只有 不复杂 只有 粉尘和废气) 粉尘和废气 6.7 感觉到 无 无 9.2 感觉到 60～ 70 ～ 焙 上插棒式 50～ 150 ～ 0.55～ 0.7 ～ 150000～ ～ 170000 很复杂 强烈感觉 到 40～ 60 ～
铝电解生产流程图
铝电解槽的发展和现状
三个发展阶段： 三个发展阶段：
铝电解工业初期的小型预焙电解槽； 铝电解工业初期的小型预焙电解槽； 20世纪 世纪20~40年代，相继采用旁插棒式 年代， 世纪 年代 自焙阳极和上插棒式自焙阳极； 自焙阳极和上插棒式自焙阳极； 50年代后大型预焙阳极。 年代后大型预焙阳极。 年代后大型预焙阳极
预焙阳极电解槽简图
图4-2-3
铝电解槽排列1 铝电解槽排列
铝电解槽排列2 铝电解槽排列
自焙阳极电解槽
自焙阳极电解槽的阳极碳块是利用电解 过程中产生的热量以阳极糊焙烧而成，根据阳 过程中产生的热量以阳极糊焙烧而成， 极母线结构特征可分为自焙阳极旁插棒式电解 槽和自焙阳极上插棒式电解槽。 槽和自焙阳极上插棒式电解槽。
⑶炭阳极对沥青的要求
作用： 作用： 沥青作为粘结剂， 沥青作为粘结剂，粘结炭粒形成具有一定塑性 的炭糊，在炭糊焦化过程中焦结固体炭粒， 的炭糊，在炭糊焦化过程中焦结固体炭粒，使 电极具有足够的机械强度。 电极具有足够的机械强度。 要求： 要求： 1.β树脂 是保证粘结性能的重要成分, β树脂(>20%)是保证粘结性能的重要成分 不 是保证粘结性能的重要成分 树脂可溶。 溶。 而γ 树脂可溶。 2.固定炭 (>50%)焦化过程中沉积在骨料之间 降 焦化过程中沉积在骨料之间,降 固定炭 焦化过程中沉积在骨料之间 低阳极孔隙率, 提高机械强度和导电率; 低阳极孔隙率 提高机械强度和导电率 3.水份 水份<0.5%, 灰分 灰分<0.5% 水份