铝电解生产工艺流程设计
第一章概述
1.1 铝电解工业现状
目前, 电解铝工业仍以改善和提高霍尔-埃鲁法电解槽技术水平为主, 着力于节能减排, 降低能耗、物耗和原铝成本, 在从源头上就减少气固废物料污染的同时, 加强废物料废铝的无害化和资源化处理, 实现资源再生和循环利用, 进一步提高产品质量和扩大产品种类。
现代化预焙电解槽的电流强度继续向超大型化发展。继法国AP18和AP30型电解槽技术后, AP50技术已问世。最近, 俄罗斯铝业启动了电流强度为400 KA的RA400槽型电解槽系列两条。该系列是在原300 KA电解槽技术基础上开发的第二代超大型电解槽, 该槽日产量3 t, 电流效率94%, 电耗13800 kW·h/t, 减少33%污染物。目前正在开发450~500 KA电解槽, 预计将开展RA500电解槽试验。600~740 KA超大容量电解槽也在开发研究中。
国外大容量(300 KA以上)电解槽阳极电流密度为0.8 A/cm2以上, 主要经济技术指标: 电流效率93%~95%, 直流电耗13000~13500 kW·h/t(Al); 最先进的技术指标电流效率可达96%, 电耗略低于13000 kW·h/t(Al)。表1-2为彼斯涅AP30—AP50电解槽发展过程中的主要设计参数和技术经济指标。
法国彼斯涅AP系列电解技术被公认为代表当今国际领先水平。从AP电解系列技术中不难看出其具有如下几个特点:
(1)阳极电流密度较高, 可达0.8 A/cm2以上, 单位阴极面积产能大。
(2)槽电压和电解稳定性均较高, 电解质过热度都较低, 不超过10℃, 槽膛内形中炉帮和伸腿的固相结壳厚度稳定合理, 因此电流效率高, 可达95%~96%, 电耗可低到13000 kW·h/t(Al), 槽寿命达2000天。
(3)分子比、氧化铝和阳极效应系数低, 说明其设计操作和控制技术水平高。
国外铝电解的数学模型、传感器、控制和新材料等功能化技术水平较高。采用的物理场数学模型精确有效, 电解槽结构设计质量高, 槽电解运行稳定性好, 电流效率可达95%~96%。应用了半连续传感器实时在线检测控制温度、过热度、分子比、熔体高度和氧化铝浓度。
控制水平先进, 控制效应系数向零目标发展。在高电流密度、高槽电压、高电解温度条件下, 通过槽电压、分子比和过热度的软件程序控制技术, 实现电解槽的能量平衡、物料平衡和液固相平衡, 即过热度和炉帮伸腿构成的固相电解质槽膛内型稳定合理。这样不仅电流效率高、炭耗低, 而且电解槽寿命长。
表1-2 彼斯涅AP30—AP50电解槽发展过程中的主要设计参数和技术经济
指标表
开发应用抗熔体渗透的槽衬耐火材料、热电偶套管、优质炭素阴阳极、可湿润阴极和惰性阳极等新型材料。
优化电解质组成, 降低电解质电压降和提高电流效率。
对铝电解产生的废渣、废槽衬等废物料实行有价成分再生回收并循环利用, 或对其做无害化处理, 减轻铝电解工业废物对环境污染。美国铝电解工业总排氟量达到0.7 kg/t(Al)水平。
为了大幅度提高电解法能量效率和减少二氧化碳排放量, 国外开展力求降低阴阳极之间电压降的工业试验, 采用炭阳极开沟槽、TiB2可湿润阴极、惰性阳极、导流式或双极多室式新型结构电解槽等新工艺新技术新材料新设备。
对于可望替代现有霍尔-埃鲁特电解法的一些炼铝新工艺方法, 如炭热还原法、氯化铝双极多室电解法等长远课题还在继续进行研究。
1.2铝电解工业的发展趋势
（1）世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化
目前世界上新建铝企业的规模都比较大。西方新建或改造电解铝的起步规模平均在25-50万吨之间。如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛（Alma）铝厂，
年产能40万吨；2001年6月，由比利顿（Billiton）矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司，投资10亿美元建设与一期相同的原铝能力25.3万吨；法国普基铝业公司计划在委内瑞拉建设一个年产能达46万吨的电解铝厂；几内亚拟在未来4-5年内投资25亿美元新建一个年产能达30 万吨的电解铝厂及相关项目。年产50万吨电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万吨规模。扩大产能的目的是节约成本，提高劳动生产率，加强竞争力。
（2）铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高
冰晶石-氧化铝电解法发明110多年来，电解槽设计逐渐合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越来越高，发展大型或超大型高效率、智能化的铝电解槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势，世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高，在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。
（3）电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步
西方国家先进电解铝技术的发展，体现在技术经济指标的先进性上：a、槽型大，电流强度达到300kA以上；b、电流效率高，一般达到94%-95%，个别企业已经提高到96%；c、吨铝直流电耗低，一般为13200-13400kWh，个别企业已经降低到13000kWh。
（4）世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移
目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本和电价，降低原铝生产电耗，是工业生存和发展的重要研究课题。
虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却一直下降。日本现在主要靠在海外投资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝28kg的高水平。日本铝工业的衰落，除资源贫乏之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高达7.5美分/kWh，超过国际铝业平均用电价格2.0-2.1美分/kWh数倍。日本铝工业的兴衰发人深思，电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。
第二章铝电解工艺
2.1铝电解生产工艺流程
铝电解工艺流程：现代铝工业生产采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽
内的两极上进行电化学反应，既电解。化学反应主要通过这个方程进行：2Al2O3==4Al 3O2。阳极：2O2ˉ-4eˉ=O2↑阴极:Al3 3eˉ=Al。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘。为保护环境和人类健康需对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气。阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯.型材等。其生产工艺流程如下图：氧化铝氟化盐碳阳极直流电
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排出阳极气体------ 电解槽
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废气← 气体净化铝液
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回收氟化物净化澄清
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返回电解槽浇注轧制或铸造
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铝锭线坯或型材
方程：电解铝就是通过电解得到的铝. 重要通过这个方程进行：2Al2O3==通电4Al+3O2。