第5章直流用电设备及直流电源-11-03-

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第 5章
直流用电设备及直流电源
5.2 电镀
5.2.3 电镀设备
电镀设备包括：电气设备、机械设备、固定槽设备、通风设备、 过滤设备。
一．电气设备
电气设备包括：配电线路、配电盘、电镀电源、汇流条等。
电镀电源：
1. 大功率整流器设备（目前采用较多）。 2. 高频脉冲开关电镀电源(用于镀金、银、镉、铜、锌等不同材料的电镀。
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
四 . 电解铝用电情况 • 有色金属工业是国家重点高耗能产业之一， 2005 年我国有色 金属工业总耗能量约占全国总能耗的 3.1%。在国家发改委、 国家能源领导小组等五部委联合发布《千家企业节能行动实 施方案》中， 2004 年企业综合能源消费量达到 18 万吨标准煤 以上的千家企业中，有色金属企业占了 71 家，其中铝冶炼企 业51家。 • 电解铝产品能耗相对较高，俗称“电老虎”。经过多年技术 进步，国内电解铝企业综合交流电耗由2001年15470 kWh /t降 到2008年14323 kWh /t ，而且电解铝产量较大，2008年10种 有色金属总产量 2519 万吨，其中电解铝产量 1318 万吨，占 52%以上，其耗电量约占全国总耗电的 5%。 2019/1/29 22 上海电力学院 电力系
航空航天、家用电器、加工设备、纺织设备、
煤矿机械、移动式灌溉管与工具等领域。
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
2000~2008年我国电解铝产量
十年来我国电解铝工业发展迅速，技术装备水平明显提高，但投 资严重过热，产量从2000年283万吨急剧增加到2008年的1376万 吨，占世界总产量约33%。2009年已建产能已超过2100万吨。
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
四 . 电解铝用电情况 两种电解电源情况： 1. 大功率整流器设备（目前采用较多） 功率因数降低。高次谐波对电网的影响。
随着直流用电的增长，整流装置高次谐波对电网的危害也正日渐严重。
2. 高频开关直流电源，
采用高频谐振逆变控制技术， 功率因数高，对电网的谐波污染小，无干扰。
五 . 槽电压
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
六 . 供电要求 1．必须有两个以上的独立电源，供电连续不能间断， 可靠性高。 2．交流供电电压采用220kV或110kV。
220kV或110kV交流电压经降压变电所降至10kV后， 再经调压变压器、整流变压器和电力电子变换装置将交流电变为 直流电向电解槽供电。
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5.1 电解
电解：利用直流电流引起的化学反应进行生产的工艺。
5.1.1 电解烧碱
一．电解烧碱生产的基本原理
阴极反应: H+ + e ═ H 阳极反应: Cl― ― e ═ Cl 2 Cl ═ Cl2↑ 烧碱
图5.1.1 电解烧碱示意图
和水分子通过，却阻止阴阳极电解产物的
混合。因此，在隔膜电解槽阳极室产生的 氯气，不会进入阴极室，经阳极室上方氯 气支管导出；在阴极室产生的氢气，也不 会进入阳极室，由阴极箱氢气支管导出， 氢氧化钠溶液经阴极室下方导出。
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图5.1.2 立式隔膜电解槽示意图
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《工业用电设备》
第5章 直流用电设备 及直流电源
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直流用电设备及直流电源
直流用电设备：
直流电动机、直流电弧炉、直流电焊机、
电解、电镀等等。
本章内容
直流电源： 电力电子变换装置将交流电转换为直流电， 蓄电池
电解和电镀在直流用电设备中用电量最大， 电解铝和电解烧碱都属九种高耗电产品之列（P233）
工厂主变电所 内的变压器， 用于将电网高 压降低；
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调节电 压保持 恒流
三相桥式（≥200V）； 降低电压， 双反星形带平衡电抗 双绕组或 器（<200V ）；6、12、 三绕组 24、36或48相
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直流用电设备及直流电源
5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
七．电解铝的节电途径
1．降低电解槽平均电压 2．提高电流效率
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直流用电设备及直流电源
5.2 电镀
电镀：利用电化学方法对零件进行表面加工的一种工艺。
电镀时零件为阴极，镀液中的金属离子在直流电的作用 下沉积在零件表面形成均匀、致密的金属镀层。
5.2.1 电镀的基本原理
据资料介绍，用金属阳极电解槽代替石墨电极电解槽， 每吨烧碱可节电530kWh。
4．保证盐水质量 5．合理保持盐水温度并加强对电解槽保温 6．降低碱损失 7．选择合适的电流密度
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
铝因其质轻、抗腐蚀性强、具有对各种形式加工的适应性、制 造加工费用低、外观美观等特点，广泛应用于： 建筑业、电力行业、包装业、汽车结构、海上应用、
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
六．电解烧碱供电 2．大功率逆变电解电源 某型号IGBT大功率逆变电解电源的主要技术参数
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
一．电解烧碱生产的基本原理
为了解决上述问题，在电解槽的阴阳极之 间设置了多孔渗透性的隔膜材料，把电解
槽分为阳极室和阴极室两部分，这种采用
隔膜的电解方法称“隔膜法电解”。 隔膜材料能让离子(Na+、Cl―、H+、HO―)
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
我国铝产量占世界铝产量的比重
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
一 . 电解铝生产的基本原理 电解铝的生产在电解槽中进行， 电解铝主原料：氧化铝（Al2O3）， 基本材料：阳极糊（由焦粉、焦粒和沥青组成）、 电解质 冰晶石（3NaF·AlF3）、
氟化铝以及其他氟化物，如氟化镁、氟化钙等
电极：碳素材料。
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
一 . 电解铝生产的基本原理 电解槽的化学反应是： Al2O3＋3/2C ═ 2 Al＋3/2CO2 ↑ Al2O3＋ 3C ═ 2 Al＋3CO↑ 电解的结果是：
电镀是在电镀槽中进行的。 电镀槽中置有电极和电镀液， 电极通以直流， 所用的电镀液必需具有被镀金属的离子。
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图5.2.1 硫酸镀铜工作 原理示意图 25 1-阳极；2-镀液；3-阴极
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5.2 电镀
5.2.1 电镀的基本原理
硫酸镀铜用的电镀液主要成分是硫酸铜CuS04· 5H20和硫酸H2SO4。
3）严禁突然停电。
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突然停电会造成氯气外溢，直接影响操作人员、 甚至工厂周围居民的健康安全，造成环境污染。 上海电力学院 电力系
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
七．电解烧碱的节电途径 1．提高整流效率 2．降低槽电压、减小直流电压损失 3．采用金属阳极电解槽
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
一．电解烧碱生产的基本原理 二. 电解烧碱的生产流程 三. 立式吸附隔膜电解槽
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
四．电解烧碱的电量消耗
电耗是电解生产的一个重要技术经济指标。
电解烧碱耗电较多其中：直流电能消耗约占97%~98％， 交流动力用电约占2％~3％， 电费约占生产成本的50％。 法拉第定律：电解过程中电极上所产生物质的量，
a. 阴极上得到铝；
b. c. 阳极上生成CO2和CO气体； 电解质Al2O3被不断消耗掉。
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5.1 电解
5.1.2 电解铝
二 . 电解铝的生产流程 图5.1.11 电解铝的基本生产流程
三 . 电解槽
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阴极反应: Cu2+ + 2e ═ Cu 2 H+ + 2e ═ H2 ↑ 阳极反应： Cu ― 2e ═ Cu2+ 4OH―― 4e ═ 2 H2O+ O2↑ 2SO42―+ 2 H2O ― 4e ═ 2 H2SO4+ O2↑
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5.2.2 电镀的分类及作用
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图5.2.1 硫酸镀铜工作 原理示意图 1-阳极；2-镀液；3-阴极
六．电解烧碱供电
3．电解烧碱对供电的要求
1）高压（35kV或110kV）供电，电解烧碱生产的用电量大，
2）供电电压稳定、不间断
从电网引来两路或三路独立电源。
电压稳定，连续生产，不仅对生产有利、槽的使用寿命延长， 还可降低直流损耗。 如果电流波动频繁，就会造成氯、氢气和电解流量的波动， 使正常生产受到破坏，还容易破坏隔膜。 严重时会因氢氯混合而引起爆炸。
六．电解烧碱供电 2．大功率逆变电解电源
IGBT大功率逆变电解电源：
体积小、重量轻、高效节能，比普通电源节能30% 功率因数可做到0.95。
电源具有稳压、低纹波、软启动等功能，抗冲击能力强、输 出波形平稳、电解质量稳定、电压电流调节范围宽，恒流恒 压自动切换并对电网电压有自动补偿功能。防触电、过热、 电压异常等多种保护功能，工作时安全可靠。该系列产品是 专门为恶劣的强腐蚀环境设计的全封闭式电源，广泛用于铜 箔厂、氯碱厂大电流低纹波电解。亦可用于其它化工行业大 电流电解。
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5.1 电解
5.1.Biblioteka Baidu 电解铝
四 . 电解铝用电情况 耗电很大， 一座年产 50000 吨电解铝厂每年耗电8~9亿kWh，
需要功率达100MW。
电耗占成本的50%左右。 电解铝生产消耗的电能约占总电耗的 90％， 而另10％则用于动力，如厂房通风、排烟、运输、 供水、压风、供气及照明等。
与通过电解质溶液的电量成正比，
即与电流强度及通电时间成正比。
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直流用电设备及直流电源
5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
五．槽电压 槽电压——即电解槽的实际工作电压，
是一项重要的技术指标，与能耗有极其密切的关系。
槽电压由
理论分解电压、 过电压、 金属导体电压降、 电解质溶液电压降、 隔膜电压降（离子膜电压降）、 接触电压降组成。
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
五．槽电压 表5.1.1 电解槽槽电压分布情况
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
六．电解烧碱供电 1．大功率整流电源
图5.1.7 电解烧碱的供电结构框图
2 H ═ H2↑
全部反应的化学方程式为
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2NaCl + 2H2O ═ 2NaOH + Cl2↑+ H2↑
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5.1 电解
5.1.1 电解烧碱
一．电解烧碱生产的基本原理 根据上述化学方程式，可以算出理论上: 电解产生1t烧碱(100 % NaOH ), 同时生产0.866t氯气（100％）和0.025t氢气(100％)， 需要消耗100％的NaCl 1.463t。 电解制碱时，在阳极上产生氯气，阴极上产生氢气和氢氧化钠。 这些产物如果不把它们隔离分开，将会按下式进行反应： 2NaOH十Cl2 ═ NaC1O＋NaCl＋H2O 产生次氯酸钠，次氯酸钠还会进一步变成氯酸钠，就得不到所 需要的氯和碱； 如果不把氢气和氯气隔开，还会发生爆炸事故。