Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Содержание
Введение.…………………………………….…………………………………..2
1 Расчётная часть………………………………………………………………..3
1.1 Материальный баланс……………………….……………………………….…3
1.1.1 Производительность электролизёра………………………………………3
1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр.....…………………………………4
1.1.3 Расчёт продуктов электролиза..……………...……………………………4
1.1.4 Расчёт потерь сырья…………………………..……………………………5
1.2 Конструктивный расчет………………………………………………………...6
1.2.1 Расчет анодного устройства………….………….………………………..6
1.2.2 Расчёт катодного устройства…………………………………………...…8
1.2.3 Размеры катодного кожуха ……………………...…………………...….10
1.3 Электрический баланс электролизёра……………………..……….………....11
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве…………..……...………...11
1.3.2 Падение напряжения в подине….…………………….….………………..12
1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов……...….…………....13
1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра.........................….…..13
1.4 Тепловой баланс электролизёра…………………………….…….…………..14
1.4.1 Расчет приход тепла……………………………………..………………..14
1.4.2 Расход тепла………………….………………………………...……...…..15
1.5 Расчёт цеха…………………………………………………….…...……..…17
2 Описательная часть……………………….…………………………………20
2.1 Свойства и состав промышленных электролитов….......………...………20
2.2. Виды отходов при производстве алюминия и их утилизация …..……….20
2.3. Безопасность труда в электролизном корпусе ……………...…….……....21
3.Организационно – экономическая часть……...…………………………...34
3.1 Расчет производственной программы…………………………………..……34
3.2 Расчет производственной программы……………………………..…………35
Список использованных источников…………………………………………36
Алюминий и его сплавы в настоящее время нашли широкое применение в различных отраслях. По своим свойствам алюминий очень выгодно отличается от других металлов. Для него характерны: небольшая плотность; хорошая пластичность и достаточная механическая прочность; высокая тепло- и электропроводность, коррозионная устойчивость. Алюминий способен образовывать со многими металлами сплавы. Алюминиевые сплавы делятся на две группы: литейные сплавы, которые применяются фасонного литья, и деформируемые сплавы, идущие на производство проката штампованных изделий. Из литейных сплавов более распространены сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами.
Важнейшие потребители алюминия и его сплавов – авиационная и автомобильная промышленность, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая, химическая металлургическая и пищевая промышленности, промышленное и гражданское строительство.
Данный проект основан на практических данных Красноярского алюминиевого завода. Проект выполнен на основе действующего оборудования корпуса. Содержание проекта представляет собой пояснительную записку. В котором производят конструктивный, материальный, электрический и тепловой расчет электролизной ванны, а также расчёт количества установленных электролизёров и производительности серии и графической части. Эти расчёты необходимы для определения технико-экономических показателей работы цеха.
Для получения алюминия - сырца в электролизёр загружают глинозём, анодную массу и фторсоли. В процессе электролиза образуются в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.
При применении самообжигающихся анодов в процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при коксовании анода. Кроме того, анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной массы и недостатками обслуживания электролизёра.
1.1 Материальный баланс
В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные окислы углерода.
На основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров СОА задаёмся параметрами для расчета электролизера:
- сила тока I = 174 кА
- анодная плотность тока dа = 0,72 А/см2
- выход по току =87,9 % = 0,879
Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:
- глинозем, NГ = 1,926кг
- фтористый алюминий, NФа = 0,035кг
- фтористый кальций, NCа = 0,0014кг
- анодная масса, NМ = 0,537г
Проектируемый цех состоит из двух серий.
Для упрощения расчетов материальный баланс рассчитывают на 1 час работы электролизера.
Производительность электролизера РА1, кг рассчитывается по формуле:
РА1 = j * I * τ * , (1)
где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);
I - сила тока, кА;
τ - время, час;
- выход по току, доли единицы.
P А1 = 0,335 * 174 * 0,879 = 51,24кг
Приход материалов в электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час PAl. Тогда приход сырья составит:
- глинозема RГ, кг
RГ = PAl * NГ (2)
RГ = 51,24 * 1,926 = 98,69кг
- фтористых солей (А1F3,СаF2 ) RФ, кг
RФ = PAl * (NФа+ NCa) (3)
RФ = 51,24 * ( 0,035 + 0,0014) = 1,86 кг
- анодной массы Rм, кг
Rм = PAl * Nоа (4)
Rм = 51,24 * 0,537 = 27,5кг
Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): СO2 - 60; СО - 40.
При получении PAl алюминия выделится кислорода m0, кг:
mо = , (5)
где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.
кг
Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m0co2, кг:
(6)
кг
в окись углерода свяжется кислорода m0co, кг:
(7)
Где 60 и 40 – процентное содержание двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.
кг
Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:
(8)
кг
Количество углерода связанного в оксид углерода, mcco, кг:
(9)
кг
Таким образом, в час выделяется оксидов Pco2 и Pco, кг:
Pco2 = m0co2 + mcco2 (10)
Pco2 = 34,17+ 12,8 = 46,97 кг
Pco = m0co + mcco (11)
Pco = 11,39 + 8,54 = 19,93
Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:
Ргаз = Pco2 + Pco (12)
Ргаз = 46,97 + 19,93 = 66,9 кг
Теоретический расход глинозема составляет 1,89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:
G = PAl * (Nг - 1,89) (13)
G = 51,24 * (1,926 – 1,89 ) = 1,84кг
Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:
Rуг = Rм - (mcco2 + mcco) (14)
Rуг = 27,5 – ( 12,8 + 8,54) = 6,16 кг
Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.
Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Материальный баланс на силу тока 174 кА
|
Приход |
кг |
% |
Расход |
кг |
% |
|
Глинозем |
98,69 |
77,07 |
Алюминий |
51,24 |
40,02 |
|
СО2 |
46,97 |
36,68 |
|||
|
СО |
19,93 |
15,56 |
|||
|
Анодная масса |
27,5 |
21,48 |
Потери: |
||
|
Глинозем |
1,84 |
1,44 |
|||
|
Фтористые соли |
1,86 |
1,45 |
|||
|
Фтористые соли |
1,86 |
1,45 |
Анодная масса |
6,16 |
4,82 |
|
ИТОГО: |
128,05 |
100 |
ИТОГО: |
128,05 |
100 |
1.2 Конструктивный расчет
В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.
1.2.1 Анодное устройство электролизера
Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:
, (15)
где I – сила тока, А;
da- анодная плотность тока, А/см2
см2
Ширина анода Ва, см, исходя из характеристик принятой конструкции электролизёра С8БМ, принимается 285 см.
Тогда длина анода La, см будет:
(16)
см
Расчёт штырей, с помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря равной dш = 0,19 А/мм2.
Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:
- общая длина – 2700
- длина стальной части -1950
- длина алюминиевой штанги – 1040
- максимальный диаметр – 138
- минимальный диаметр – 100
Площадь сечения всех штырей SО., мм2 определяются:
(17)
мм2
Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.
(18)
мм
Площадь сечения одного штыря Sш, мм2:
(19)
мм2
где DШ – средний диаметр штыря, мм
Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество, К:
(20)
Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому принимаем их количество кратным 4, то есть 80 штук.
1.2.2 Расчёт катодного устройства
Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного цоколя и углеродистой футеровки, образующей шахту электролизёра.
Размеры шахты электролизёра
Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 1). Для данного типа электролизёра установлено, что расстояние
- от продольной стороны анода до футеровки, а = 63,5 см
- от торца анода до футеровки, в = 50 см.
Рисунок 1 Схема анода и шахты электролизёра
Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты будут:
Lш =Lа + 2*в; (21)
Lш = 848 + 2 * 50 = 948 см
Вш = Ва + 2*а (22)
Вш = 285 + 2 * 63,5 = 412 см
Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см.
Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных блоков вперевязку.
Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой hб = 40 см , шириной bб = 55 см, и длиной l б от 110 до 400 см. При ширине шахты 412 см применяют катодные блоки:
- короткие l кб = 160 см
- длинные l дб = 220 см
Число секций в подине, Nс определяют исходя из длины шахты:
(23)
где bб – ширина подового блока;
с – ширина шва между блоками, 4 см.
Рисунок 2 Схема подины электролизёра
Число катодных блоков Nб, равно:
Nб = Nс * 2 (24)
Nб = 16 * 2 =32
Подина данного электролизера монтируется из 32 катодных блоков, уложенных по 16 штук в два ряда с перевязкой центрального шва.
Межблочные швы при монтаже подины набиваются подовой массой.
Для отвода тока от подины, в подовые блоки вставлены стальные катодные стержни (блюмсы):
- для блока 160 см длина блюмса 219 см;
- для блока 220 см длина блюмса 279 см.
Ширина периферийных швов от подовых блоков до футеровки будет равна:
- в торцах подины, bт,
bт = (25)
bт = см
- по продольным сторонам, bп:
(26)
см
1.2.3 Размеры катодного кожуха
Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.
Длина катодного кожуха Lк, см:
где: Lш - длина шахты, см;
3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.
Lк = 948 + 2 (20 + 3,5) = 995
Ширина катодного кожуха Вк, см:
где: Вщ - ширина шахты, см;
5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.
Вк = 412 + 2 (20+5) = 462
Футеровка днища катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):
- теплоизоляционная засыпка 3 см;
- два ряда легковесного шамота или красного кирпича 2 6,5 см;
- три ряда шамотного кирпича 3 6,5 см;
- угольная подушка 3 см;
- подовый блок 40 см.
Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:
Нк = 3 + 5* 6,5 + 3 + Нш + hб (29)
где: Нш - глубина шахты, см;
hб – высота подового блока, см.
Нк = 3 + 5 * 6,5 + 3 + 56,5 +40 = 135см
Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно 20, по 10 с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготавливаются из листовой стали толщиной 10 мм, днище – 12мм.
Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.
1.3 Электрический баланс электролизёра
Электрический расчёт электролизера заключается в определении всех составляющих падения напряжения на электролизёре, включая напряжение разложения глинозёма и долю падения напряжения при анодных эффектах.
Среднее напряжение UСР.,В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на производство алюминия и равно:
где ЕР - напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5 В;
∆UА - падение напряжения в анодном устройстве, В;
∆UП - падение напряжения в подине, В;
∆UАЭ – доля падения напряжения при анодных эффектах, В;
∆UЭЛ - падение напряжения в электролите, В;
∆UО - падение напряжения в ошиновке электролизёра, В;
∆UОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве
Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде. При ориентировочных расчётах для определения падения напряжения в аноде с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым, тогда ∆UА, мВ равно:
, (31)
где Sa - площадь анода, см2;
К - количество токоподводящих штырей (формула 22);
Lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем в пределах 25-40 см.
da - анодная плотность тока, 0,72 А/см2;
ρа - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8*10-3 Ом *см.
1.3.2 Падение напряжения в подине
Падение напряжения в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова, ∆UП, мВ:
(32)
где lпр - приведенная длина пути тока (формула 33), см;
ρбл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10-3 Ом *см.;
Вш - половина ширины шахты ванны (формула 22), см;
Вбл - ширина катодного блока (формула 34), см;
a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 63,5 см;
Scт – площадь сечения блюмса (формула 35), см2;
da - анодная плотность тока, А/см2.
Приведенную длину пути тока по блоку lпр, см определяем по уравнению:
(33)
где hбл - высота катодного блока;
hст - высота катодного стержня, 14,5 см;
Вст - ширина катодного стержня, 26 см
см
Ширина катодного блока с учетом набивного шва Вбл,см равна:
Вбл = bб + с, (34)
где bб – ширина подового блока;
с – ширина набивного шва между блоками.
Вбл = 50 + 4 = 54
Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:
Sст = hст * Вст (35)
Sст = 14,5 * 26 = 377см2
Тогда падение напряжения в подине ∆UП, В составит (формула 32):
1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов
Величину падения напряжения от анодных эффектов ∆UАЭ, В определяем по формуле:
(36)
где UАЭ – напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;
n - длительность анодного эффекта, принимаем 2 мин;
k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 1;
1440 - число минут в сутках.
В
Падение напряжения в электролите, Uэл, В определяется по формуле Форсблома и Машовца:
(37)
где I - сила тока, А;
р - удельное электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом * см;
l - межполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;
Sа - площадь анода, см2;
2 (La + Вa) - периметр анода, см.
В
1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра
Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: ∆UО = 0,3 В
Падение напряжения в общесерийной ошиновке
Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ∆UОО = 0,016 В
Данные расчётов сводим в таблицу 2
Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 174 кА
Размеры в вольтах
|
Наименование участков |
Ucp |
Up |
Uгр |
|
Ер |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
|
UА |
0,550 |
0,550 |
0,550 |
|
UП |
0,319 |
0,319 |
0,319 |
|
UЭЛ |
1,95 |
1,95 |
1,95 |
|
UАЭ |
0,042 |
-- |
0,042 |
|
UО |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
|
UОО |
0,016 |
-- |
-- |
|
Итого: |
4,678 |
4,621 |
4,662 |
1.4 Тепловой баланс электролизёра
Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх
Приход тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы.
Тепловой баланс составляют применительно к определённой температуре: окружающей среды или температуре протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25С.
В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:
Qэл + Qан = QГ + Q Al + Qгаз + Qп, (38)
где Qэл - приход тепла от электроэнергии;
Qан - приход тепла от сгорания анода;
QГ - расход тепла на разложение глинозёма;
Q Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;
Qгаз - тепло, уносимое отходящими газами;
Qп - потери тепла в окружающее пространство.
1.4.1 Расчет приход тепла
Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:
Q эл = 3600 * I * Uгр * τ (39)
где 3600 – тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;
I – сила тока, кА;
Uгр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);
τ – время, часы.
Q эл = 3600 * 174 * 4,662* 1 = 2920443,82 кДж
Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:
Qан = Р1СО2 * ∆HTCO2 + Р1СО * HTCO (40)
где Р1СО2 и Р1СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);
∆НТСО2 и ∆НТСО – тепловые эффекты реакций образования СО2 и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):
∆H298СО2 = 394 070 кДж/кмоль
∆H298СО = 110 616 кДж/кмоль
(41)
кмоль
(42)
кмоль
Qан = 1,07 * 394070 + 0,71∙* 110616=499361,33 кДж
1.4.2 Расход тепла
На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:
QГ = R1Г * ∆HTГ (43)
где R1Г - расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 44
∆HTГ - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.
(44)
кмоль
кДж
Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время.
При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ∆HT1Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆HT2Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла QAl, кДж с выливаемым алюминием составят:
QAl = Р1Al * (∆HT1Al - ∆HT2Al) (45)
где Р1Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:
(46)
кмоль
кДж
Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Qгаз, кДж будет равен:
Qгаз = Р1СО * ( HT1CO - HT2CO) + Р1СО2 * (HT1CO2 - HT2CO2), (47)
где Р1СО и Р1СО2 – количество CO и CO2, кмоль
HT1CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль
HT2CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль
HT1CO2 – энтальпия СО2 при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль
HT2CO2 – энтальпия СО2 при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль
Qгаз = кДж
Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:
Qп = (Q эл + Qан) - (QГ + QAl + Qгаз) (48)
кДж
Данные расчета представлены в таблице 3
Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 174кА
|
Приход тепла |
кДж |
% |
Расход тепла |
кДж |
% |
|
От прохождения электроэнергии |
2920443,82 |
85,4 |
На разложение глинозёма |
1621485,45 |
47,41 |
|
С вылитым металлом |
70718,32 |
2,07 |
|||
|
От сгорания угольного анода |
499361,33 |
14,6 |
С отходящими газами |
37080,58 |
1,08 |
|
Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра |
1690520,8 |
49,43 |
|||
|
ИТОГО |
3419805,15 |
100 |
ИТОГО |
3419805,15 |
100 |
1.5 Расчёт цеха
В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и тремя сериями и удельный расход электроэнергии.
Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.
КПП обеспечивает серию электролизёров, напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 1% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.
Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:
U = 850 - (U1 + U2 + U3) (49)
U = В
Число рабочих электролизеров N в серии составит:
, (50)
где:U - напряжение серии U, В
UСР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);
UАЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)
При двухрядном расположении электролизеров в корпусе, в серии можно установить 172 электролизеров в двух корпусах, по 86 электролизеров в каждом.
Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров NУ должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.
Количество резервных ванн NР рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:
, (51)
где:N – число рабочих электролизёров в серии;
t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 5 – 8 дней;
Т – срок службы электролизёра, 4 года;
365 – дней в году.
Принимаем 1 резервный электролизёр на серию.
По расчетам установленных электролизеров 173, из этого следует, что остается запас напряжения. Тогда в серии будет рабочих электролизеров N шт.:
Nу = N - NР, (52)
где Nу - число установленных электролизеров;
NР - число резервных электролизеров.
Nу = 173 - 1 = 172
В 2 сериях будет 4 корпуса, в них установленных электролизёров, NУСТ:
NУСТ = NУ * n (53)
NУСТ = 172 * 2 = 344
Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:
Pс = 0,335 * I * η * 8760 * N * 10-3 (54)
где 0,335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);
I - сила тока, кА;
η - выход по току, д. е.;
8760 - часов в год;
N - число работающих ванн в серии.
РС = 0,335 * 174* 0,879 * 8760 * 172* 10-3 = 77199,68т
Годовая производительность цеха Рц, т будет:
Рц = Рс * n (55)
Рц = 77199,68* 2 = 154399,35 т
Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:
(56)
кВт/ч
Выход по энергии
(57)
г/кВт*ч
2 Описательная часть
2.1 Процессы, происходящие при формировании самообжигающегося анода
2.1.1 Процессы в жидком слое анода
При нагревании непрерывного самообжигающегося анода происходят различные физико-химические процессы, зависящие от температуры. В верхней зоне анода, ограниченной снизу изотермой 400° С, происходит полимеризация и конденсация углеводородов, заключающаяся в переходе низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные, а также дистилляция связующего вещества, в результате которой из пека удаляются легкокипящие смолы и масла. Количество дистиллятов, удаляющихся из зоны разложения, значительно увеличивается при прохождении газов коксования через жидкую массу.
При малых уровнях жидкой анодной массы и высокой температуре ее поверхности значительная часть газов коксования проходит через верх анода, унося с собой большое количество легкокипящих смол. Это снижает выход кокса из анодной массы, увеличивает ее расход и ухудшает условия эксплуатации в цехах электролиза, несмотря на то, что самих газов (метана и водорода) выделяется с поверхности анода мало.
В нижних слоях жидкой части анода, нагретых до 300—400°С, наряду с разложением пека протекают реакции полимеризации и конденсации связующего вещества. В результате этих реакций низкомолекулярные углеводороды превращаются в высокомолекулярные, увеличивается плотность пека и температура его размягчения.
Реакции полимеризации и конденсации играют большую роль при формировании самообжигающегося анода. О том, что они протекают, в значительной мере свидетельствует относительно большое время пребывания анодной массы в зоне температур 300—400°С (около 250 ч), в течение которого свойства и состав пека должны существенно измениться. В результате этих реакций улучшается качество промышленных анодов, свойства их значительно превосходят лабораторные, полученные в условиях быстрого коксования.
2.1.2 Процессы в обожженной части анода
Высокотемпературный пек начинает разлагаться при более высокой температуре (около 400°С). Максимальная скорость газовыделения и общая убыль массы образца высокотемпературного пека примерно в 2 раза меньше, чем среднетемпературного. А так как в аноде происходят реакции уплотнения, в результате ко торых значительно повышается температура размягчения пека и соответственно изменяются его свойства, то при коксовании анодной массы в самообжигающемся аноде образуется значительно меньше газов (главным образом, за счет смолистых веществ), чем можно предположить, исходя из результатов, полученных при коксовании среднетемпературного пека.
Изменение состава газов по мере повышения температуры коксования указывает на то, что до 500°С в значительной степени протекают процессы пиролиза и крекинга, сопровождающиеся значительным выделением метана. Выше 500°С преобладают реакции дегидрирования, и в газах коксования преобладает водород. Наличие в газах коксования СО и СО2, а также кислорода объясняется адсорбцией воздуха угольными материалами. Наиболее интенсивное удаление воздуха и окислов углерода происходит при температуре образования полукокса.
При обжиге непрерывных самообжигающихся анодов и электродов значи тельная часть газов коксования и дистиллятов (смол) проходит через нижние зоны электрода, нагретые до такой высокой температуры, что углеводородные соедине ния разлагаются с образованием углерода и газов, состоящих из водорода и частично метана. Полнота разложения дистиллятов и состав газов, образующихся при этом, зависят от температуры той зоны анода, через которую они проходят.
Углерод, образующийся при разложении смолистых (веществ и отлагающийся в порах анода (электрода), уменьшает его пористость и удельное сопротивление, увеличивает механическую прочность плотность. Измерения поля давления и газопроницаемости анода показывают, что большая часть газов коксования проходит от центра анода к его периферии параллельно изотермам 400—650°С или под небольшим углом к ним. Это значит, что большая часть газов коксования не достигает зоны анода, нагретой до температуры 650—950° С, при которой происходит глубокое разложение углеводородов. Это приводит к снижению выхода кокса, т. е. к неполному использованию углерода при обжиге анода.
При 400—700°С самообжигающийся анод практически не проводит ток, и зона конуса спекания, ограниченная этими изотермами, обычно называется токонепроводящей. Соответственно другая часть конуса, расположенная ниже изотермы 700°С, достаточно хорошо проводит ток и называется токопроводящей.
В присутствии углекислого газа и водорода возможно образование пирогенетической влаги, а это препятствует реакции образования пирогенетического углерода. Такое же вредное влияние на процессы в аноде оказывают пары воды, попадающей в анод с массой, влажность которой часто превышает 1,0%. Эта влага только частично испаряется с поверхности анода. Значительная часть ее вместе с газами коксования, по-видимому, фильтруется через обожженный анод и взаимодействует с углеводородами. В результате этой реакции образуется водород и окислы углерода. При этом не только снижается выход кокса, но и ухудшается качество анода, что в свою очередь повышает его расход при электролизе.
Основным процессом, влияющим на свойства самообжигающегося анода, является удаление водорода, которое начинается при 400—500°С, наиболее интенсивно происходит при 600—700°С и прак тически заканчивается при 900°С. Впрочем, некоторое количество водорода остается в коксе и после прокалки его до 1300—1500° С и даже после графитации при 200°С. Этот оставшийся водород также (хотя и не в такой степени) влияет на свойства анода (особенно на его электропроводность). Однако эти процессы практически не столь существенны и применительно к самообжигающемуся аноду мало интересны, так как температура его не превышает 1000°С.
2.1.3 Электрохимическое и химическое окисление анода
Угольный анод алюминиевого электролизера окисляется за счет кислорода воздуха и углекислого газа, содержащегося в анодных газах, а также в результате электрохимической реакции, протекающей на аноде. Химическое окисление анода кислородом воздуха и углекислым газом происходит на боковой поверхности анода, выше уровня электролита, и является одним из существенных источников перерасхода анода. На электролизерах с верхним анодным токоподводом возможно химическое окисление пробок, образующихся под штырями. Это также увеличивает расход анода. И электрохимическое окисление анода, связанное с прохождением электрического тока через анод и электролит происходит со значительным перерасходом углерода.
Таким образом, перерасход анода за счет химического окисления его относительно велик. Большая часть углерода окисляется после того, как частицы анода осыпятся при его электрохимическом окислении; меньшая часть, вследствие окисления неполяризованного анода: его боковых поверхностей и пробок под штырями на электролизерах с верхним токоподводом (“вторичный анод”).
Потери анода за счет осыпания частиц углерода при электролизе составляют значительную величину и объясняются тем, что реакционная способность кокса, образующегося при коксовании связующего вещества, как правило, значительно больше, чем реакционная способность кокса-заполнителя, и поэтому происходит преимущественное окисление кокса связующего, в то время как зерна кокса-заполнителя осыпаются и накапливаются в электролите. Кроме увеличения расхода анода и анодной массы, это ухудшает технологию электролиза вследствие, уменьшения электропроводности электролита.
Вследствие различия в реакционной способности и напряжении разложения отдельных частиц анода он сгорает неравномерно, что вызывает осыпание частиц кокса-заполнителя. Неравномерность сгорания и осыпаемость анода уменьшаются при увеличении плотности тока вследствие того, что при этом повышается перена пряжение на аноде, а также напряженность электрического поля в электролите, и различия в напряжении разложения различных коксов относительно уменьшаются.
Механизм и кинетика химического окисления различных видов коксов достаточно хорошо изучены, и по этому вопросу в литературе имеется много данных. Правда, в большинстве случаев исследования проводились при относительно высокой температуре, чем пековый. Реакционная способность кокса уменьшается с увеличением температуры его прокалки.
В результате испытания добавок окиси бора в анодную массу промышленных электролизеров удельный pacход массы уменьшился на 6—8%. Однако увеличилось количество снимаемой угольной “пены”, что можно объяснить уменьшением скорости сгорания осыпавшихся частиц углерода вследствие ингибирующего действия окиси бора. Содержание примесей ванадия и титана в алюминии опытных ванн уменьшилось в 3 и 5 раз сравнению с рядовыми электролизерами. Экономический расчет показывает целесообразность применения окиси бора в качестве ингибитора горения при производстве анодной массы.
2.2 Виды отходов при производстве алюминия и их утилизация
Твердые материалы, выходящие из электролизера включают угольную пыль, глинозем, криолит, хиолит, фтористый алюминий, фтористый кальций и конденсированные углеводороды. Газовыми составляющими являются двуокись углерода, окись углерода, двуокись серы и фтористый водород.
Исходя из точки зрения на контроль выбросов, мелкие твердые фториды и газообразный фтористый водород являются наиболее весомыми составляющими, и поэтому последующее обсуждение будет сосредоточено именно на них. Они присутствуют в анодных газах как следствие:
• испарения составляющих из-за уноса анодным газом
• первичного образования, к примеру, фтористого водорода на электродах или в электролизере
• уноса твердых материалов при выделении газов.
1 Переработка угольной пены. С целью извлечения компонентов электролита пена подвергается переработке методом флотации.
Доставленная из электролизного цеха пена подвергается магнитной сепарации для удаления железных предметов , дробится в щековой дробилке и поступает на мокрое измельчение в шаровою мельницу. Полученный продукт подвергается флотации , принцип действия которой основан на свойстве несмачивающихся водой ( гидрофобных ) частиц прилипать к находящимся в растворе пузырькам воздуха.
При флотации угольная пена разделяется на два вида частиц – хорошо смачиваемые водой ( гидрофильные ) частицы электролита и плохо смачиваемые ( гидрофобные ) частицы угля. Разделение этих частиц происходит во флотационных машинах. Для повышения эффективности процесса полученная пена с частицами угля подвергаются неоднократной перечистке.
Осевшая на дне флотомашины криолитовая пульпа поступает на сгущение, фильтрацию и сушку и в виде флотационного криолита (или в смеси с регенерационным криолитом ) возвращается в электролизный цех. Сухой флотационный криолит должен содержать более 44 % фтора и не более 1,5 % углерода. Хвосты флотации, которые содержат около 9 % фтора, 70 % углерода и ряд других компонентов, гидротранспортом отправляют на шламовое поле.
2 Утилизация отработанной футеровки электролизера – большая экологическая проблема вследствие, что того футеровка пропитана компонентами электролита. По данным отработанная футеровка электролизеров ( ОФЭ ) содержит около 30 % углерода, 30 % огнеупоров и до 40 % фторидов. Эти данные лишь приблизительно отражают состав ОФЭ, так как фактическое содержание компонентов зависит от технологии работы ванны, качества углеродистой теплоизоляционной продукции, конструкции катода и пр.
ОФЭ – ценнейшее сырье для производства чугуна и стали, так как содержащийся в ней углерод используется как топливо, а фториды разжигают шлаки, полностью заменяя применяемый для этих целей дифторид кальция.
2.2.1 Типы газоочистки
Традиционно используемая технология описывается способами, применяемыми для поглощения из газовой фазы фтористого водорода. Мокрая очистка является методом, когда для улавливания и удаления фторидов в виде твердых веществ или жидкой фазы применяется водный раствор, тогда как сухая очистка позволяет химически адсорбировать газообразный фтор глиноземом.
2.2.1.1.Мокрая газоочистка . Мокрые скрубберы часто устанавливаются на заводах, регенерирующих криолит или фтористый алюминий. Сегодня акцепт делается на способах очистки промышленных стоков и безопасности отвалов. Специфические местные условия и возможности безопасного размещения отходов стали основными параметрами очистки выбросов вследствие существования жестких требований предотвращения вторичного загрязнения.
Наиболее широко мокрые скрубберы сегодня используются для улавливания двуокиси серы после сухих скрубберов, или при наличии экстремально высоких природоохранных стандартов, и становится необходимым очищать корпусные газы в качестве помощи сухим скрубберам. Мокрые скрубберы применяются также для очистки топочных газов печей обжига анодов.
2.2.1.2 Сухая газоочистка. Процесс сухой газоочистки, основанный на хемосорбции газообразного фтористого водорода глиноземом стал более популярным, хотя он и не удовлетворяет всем критериям идеальной системы. Одним из наиболее крупных его недостатков является рециркуляция примесей, что приводит к уменьшению выхода по току и снижению качества продукции.
Промышленные системы сухой газоочистки находятся в эксплуатации с конца 60-х годов, и все внедренные на заводах различные конструкции работают с высокой эффективностью улавливания фтора.
2.3 Безопасность труда в электролизном корпусе
Алюминиевый завод размещают в промышленном районе населенного пункта с подветренной стороны и на некотором расстоянии от жилого района. Санитарно-защитная зона должна составлять не менее 1000 м.
Направление ветра учитывают и при размещении корпусов электролиза на площадке завода, чтобы возможные вредные выделения из них не распространялись по территории и не создавали неблагоприятных условий в других помещениях. Поэтому корпуса электролиза на площадке завода размещают с подветренной стороны.
Участок застройки планируется так, чтобы между параллельно расположенными корпусами не образовались замкнутые участки.
Территория промышленной площадки должна быть ровной, максимально озелененной. Озеленение территории проводится с целью создания защитных зон, уменьшающих распространение шумов и загрязнений, улучшения условий труда рабочих электролизного цеха, в том числе организации мест отдыха на открытом воздухе. Зеленые насаждения располагают на расстоянии не ближе 5 м от наружных стен зданий.
Для безопасного передвижения ямы, колодцы и другие углубления, устраиваемые для технических целей на площадке между зданиями и сооружениями, плотно закрывают или надежно ограждают.
Корпуса электролиза представляют собой длинные (100—700 м) и относительно узкие здания (20—40 м) прямоугольной формы без выступающих элементов и пристроек. Высота их, определяемая санитарно-гигиеническими требованиями и возможностью эксплуатации кранового оборудования, составляет примерно 15—25 м. Большая высота здания способствует лучшей аэрации в корпусе и быстрейшей эвакуации вредных веществ из рабочей зоны. Корпуса электролиза бывают одно- и двухэтажными.
Вдоль всего корпуса посередине крыши устраивают незадуваемый фонарь, фрамуги которого, как и оконные, снабжают механизмами открывания. С обеих сторон фонаря устанавливают аэрационные щиты. Основное назначение фонаря — обеспечить хорошую аэрацию в корпусе, а также дать дополнительное верхнее освещение в дневное время. Конструкция фрамуг и фонаря должна исключать возможность попадания в корпус атмосферных осадков.
Сплошные большие оконные с фрамугами проемы обеспечивают естественное освещение и нередко служат для аэрации (кроме оконных проемов в нижней части стен одноэтажных корпусов устраивают на высоте 0 5-1,2 м от уровня пола аэрационные проемы с поворотными щитами).
Специальные требования безопасности предъявляются к внутренней отделке корпусов электролиза (рис ). Внутренние поверхности стен и колонн должны не только легко очищаться от пыли, но и быть неэлектропроводными. Для этого внутренние поверхности стен корпусов, выполненные из железобетонных плит у которых арматура заглублена менее чем на 30 мм, а также металлические колонны покрывают штукатуркой кирпичом, керамической плиткой и другим изоляционным материалом с общей толщиной покрытия не менее 30 мм.
Большое внимание следует уделять устройству и со держанию полов. Они должны быть ровными, прочными, нескользкими, без каких-либо открытых углублений.
Рисунок - Внутренний вид электролизного корпуса (линиями показаны опасные точки электрического замыкания)
Кроме этих общих требований, пол в корпусах электролиза должен быть неэлектропроводным и влагонепроницаемым, поэтому чаще всего его покрывают асфальтом.
Немалое значение для обеспечения безопасности имеет расположение и устройство дверей и ворот. Они должны быть удобными для движения и быстрой эвакуации людей из помещения в случае пожара или аварии.
Сообщение между корпусами электролиза и электролитического рафинирования алюминия, литейным отделением, бытовыми помещениями и блоком вспомогательных мастерских осуществляют по крытым соединительным коридорам (галереям).
Размещение технологического оборудования внутри производственных помещений должно обеспечивать безопасность труда, а также удобство обслуживания и ремонт. Для этого необходимо, чтобы общая компоновка оборудования по отношению друг к другу и конструктивным элементам здания (стенам, колоннам, дверям, окнам и др.) соответствовала требованиям СН 245—71 и Правилам безопасности при производстве алюминия.
Электролизеры в корпусе располагают в два или четыре ряда. Устанавливают их, как правило, в продольном направлении.
Наиболее распространенная и принятая в настоящее время типовая схема компоновки — двухрядное продольное размещение электролизеров. Такая компоновка позволяет устраивать хорошую аэрацию в корпусе и обеспечивает эффективную подачу свежего воздуха в рабочую зону с удалением вредных веществ. Наряду с этим достигается удобная организация технологического процесса.
При размещении электролизеров в корпусе учитывают все факторы, влияющие на правильную организацию труда, его производительность и безопасность. С этой целью предусматривают необходимую площадь для кратковременного размещения сырья, приспособлений и инструмента.
В новых корпусах электролизеры располагают в ряду с разрывом примерно в 1 м (но не менее 0,7 м). Если между торцами соседних в ряду электролизеров не предусматривается нахождение людей, то расстояние между выступающими частями торцов агрегатов может быть уменьшено до пределов, допускаемых конструкцией электролизеров. В таких случаях между каждыми 3—6 электролизерами предусматривают проходы и между каждыми 10—12 электролизерами — проезды.
Центральный проход между рядами электролизеров делают шириной 5—7 м и более. Это значительно уменьшает вероятность замыкания электрической цепи рядов электролизеров различными механизмами и громоздки ми предметами. С целью предосторожности расстояние между перекрытиями продольных каналов в централь ном проходе корпуса предусматривают не менее 3,5 м.
Обеспечение безопасности зависит и от правильного размещения электролизеров относительно стен корпуса. В соответствии с требованиями безопасности расстояние от выступающих частей электролизеров до стены должно быть не менее 2,5 м.
3.2 Расчет производственной программы
На основании расчётных данных производственная часть приведена в таблице.
Таблица 4 - План производства алюминия цеха на силу тока 174 кА
|
Показатели |
Формула |
Цифровое значение |
|
Число установленных электролизёров, шт. |
NУСТ |
344 |
|
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт. |
86 |
|
|
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дней |
t |
8 |
|
Длительность планового ремонта, дней |
T |
365 |
|
Число электролизёров в ремонте, шт. |
2 |
|
|
Число рабочих электролизёров, шт. |
N = NУ - Nр |
342 |
|
Сила тока, А |
I |
174000 |
|
Выход по току, % |
η |
87,9 |
|
Выход на ванну, т/сутки |
m |
1,229 |
|
Среднее напряжение, В |
Uср |
4,678 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т |
15887,34 |
|
|
Количество алюминия 2 серий, т/год |
M = N*m*T |
153501,68 |
Список использованных источников
1. Троицкий И.А. Железнов В.А. 2-е издание, дополненное и переработанное Металлургия алюминия. М.: Металлургия – 1984 .
2. Минцис М.Я., Поляков П.В. Электрометаллургия алюминия. – Новосибирск: Наука, 2001
3. Сушков А.И., Троицкий И. А. Металлургия алюминия. – М.: Металлургия – 1965.
4. Янко Э.А. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. – М.: Металлургия – 1976.
5. Деев П.З. Техника безопасности в производстве алюминия. – М.: Металлургия – 1978.
6. Технико-экономический вестник “Русского алюминия”, №12, сентябрь 1998.
7. Сборник нормативных документов по ОТ и ТБ ОАО КрАЗ