發(fā)布時(shí)間：2020-07-02 09:53

【摘要】：我國(guó)鋁產(chǎn)能位居世界首位,鋁電解生產(chǎn)過程中消耗大量電能,節(jié)能是當(dāng)前鋁電解研究的重要方向。鋁電解陽極過程產(chǎn)生大量氣體,導(dǎo)致槽電壓升高,并與熔液中金屬鋁發(fā)生二次反應(yīng)降低電流效率。為降低槽電壓,研究者們嘗試采用開槽陽極、傾斜式陽極以及在陽極上加載超聲的方法,其核心就在于加快陽極氣體逸出,減少陽極氣泡在陽極表面的停留。以往文獻(xiàn)中對(duì)于超聲頻率、聲強(qiáng)、極距變化、氣泡在陽極表面的分布作用及其對(duì)鋁電解電流效率的影響研究少有報(bào)道。針對(duì)上述不足和問題,本文開展了系統(tǒng)性研究。 首先,針對(duì)超聲波在鋁電解過程的應(yīng)用,對(duì)超聲頻率作用槽電壓的影響進(jìn)行了探索研究。結(jié)果表明,較低頻率的超聲(20kHz)能得到較好的超聲降低槽電壓的效果。 其次,針對(duì)鋁電解高溫(930～960℃)造成對(duì)氣泡實(shí)驗(yàn)和觀察的困難,對(duì)氣泡在陽極表面的粒徑大小分布、各面積百分比、覆蓋度進(jìn)行冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,當(dāng)電流密度低于0.2A/cm2時(shí),陽極氣泡最大尺寸和覆蓋度隨著電流密度的增高而增大；當(dāng)電流密度大于0.2A/cm2,陽極氣泡最大直徑和覆蓋度隨電流密度的變化不明顯。0.05A/cm2陽極氣泡最大直徑和氣泡覆蓋度隨極距的降低稍微有所增大：0.2A/cm2陽極氣泡最大直徑和氣泡覆蓋度隨極距的降低變化不明顯,表明當(dāng)電流密度較大時(shí),氣泡的最大直徑和氣泡覆蓋度與極距的關(guān)系不大。 另外,圍繞超聲主要通過陽極氣泡發(fā)生作用的方式,為獲得最佳的超聲輸入能量、電解極距、在冷態(tài)電解槽中對(duì)加載超聲后氣泡行為和槽電壓進(jìn)行了測(cè)試研究。結(jié)果表明,隨著超聲聲強(qiáng)的增大,氣泡在陽極的區(qū)域覆蓋度變小,槽電壓降低值不斷升高；當(dāng)超聲聲強(qiáng)增大到0.027W/cm2,陽極上氣泡被完全去除,繼續(xù)增大聲強(qiáng),超聲對(duì)槽電壓的降低效果則減弱。超聲聲強(qiáng)低于臨界值時(shí),氣泡區(qū)域覆蓋度隨著極距的降低而有所增大,表明靜壓力的增大阻礙超聲驅(qū)除氣泡。對(duì)氣泡在陽極上的大小分布和覆蓋率作詳細(xì)的研究,不僅對(duì)節(jié)能和提高電流效率有重要的作用,對(duì)電解槽磁場(chǎng)和流場(chǎng)的研究同樣具有重要的作用。 隨后對(duì)超聲與槽電壓和電解槽有效電阻率的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明,隨著超聲聲強(qiáng)的增大,槽電壓降低值不斷增大,但槽電壓降低值增大效果越來越弱；而隨著極距的降低,在一定超聲聲強(qiáng)下,槽電壓降低值變小,通過對(duì)電解槽有效電阻率的計(jì)算表明,隨著電流密度的升高,電解槽有效電阻率降低,而超聲的引入使得電解槽有效電阻率變得更低。為強(qiáng)化槽電流同時(shí)不影響熱平衡的條件下增大產(chǎn)能提供一種技術(shù)可能性。 在上述結(jié)果基礎(chǔ)上,綜合研究超聲作用和極距變化對(duì)電流效率的影響。結(jié)果表明,電流密度0.75A/cm2左右,在陽極上加載超聲能夠提高電流效率,超聲對(duì)電流效率的提高效果可達(dá)2%左右,而與極距變化同時(shí)進(jìn)行時(shí)并未見明顯增加。進(jìn)一步構(gòu)建陽極氣泡從長(zhǎng)大到逸出冰晶石熔液表面的各部分歷程的傳質(zhì)速率模型,對(duì)電解槽電流效率進(jìn)行模擬研究。結(jié)果顯示,同等氣體量氣泡在電解質(zhì)熔液中存在的粒徑越小、上浮過程越長(zhǎng),其引起的CO2傳質(zhì)速率和電流效率損失越大。陽極電流密度對(duì)陽極底部氣泡生長(zhǎng)過程中的傳質(zhì)速率影響較大,而對(duì)逸出氣泡上浮過程中向電解質(zhì)熔液中C02傳質(zhì)速率影響不明顯。極距變化對(duì)氣泡在冰晶石熔液中的擴(kuò)散傳質(zhì)速率和電流效率的影響作用不明顯,但實(shí)驗(yàn)測(cè)量電流效率隨極距降低的變化較大,極距35-40mm時(shí)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較接近；極距較低(小于35mm),計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值,表明應(yīng)同時(shí)考慮其他影響CO2傳質(zhì)的因素,才能對(duì)電流效率進(jìn)行較為合理的模擬和評(píng)估。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TF821

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 鐵軍,邱竹賢;鋁電解陰極過程的電化學(xué)研究[J];北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);1994年03期

2 郭慧鵬;葉亞平;李麗芬;周國(guó)治;;冰晶石熔體的電導(dǎo)性質(zhì)[J];北京科技大學(xué)學(xué)報(bào);2008年09期

3 狄鴻利,周廣法;在nNaF·AlF_3-Al_2O_3-MgF_2-CaF_2系熔體中鋁損失的數(shù)學(xué)模型[J];東北工學(xué)院學(xué)報(bào);1987年03期

4 楊振海,高炳亮,邱竹賢;金屬鋁在冰晶石氧化鋁熔液中的溶解度測(cè)定[J];東北大學(xué)學(xué)報(bào);2001年01期

5 徐君莉,石忠寧,邱竹賢;熔鹽電鍍制取鋁電解用TiB_2惰性陰極[J];東北大學(xué)學(xué)報(bào);2004年09期

6 趙博;張曉聞;李彥;佟會(huì)玲;禚玉群;陳昌和;;亞硫酸鹽溶液中氧氣泡吸收過程的實(shí)驗(yàn)研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2006年S2期

7 姜加騏;;水電解直接制取高純氫的探索與實(shí)踐[J];低溫與特氣;1992年04期

8 王聞天;劉述堯;;強(qiáng)電解質(zhì)混合物水溶液粘度的計(jì)算[J];化工廠設(shè)計(jì);1989年03期

9 左恒;王貽明;張杰;;電場(chǎng)強(qiáng)化銅礦排土場(chǎng)氧氣傳質(zhì)[J];化工學(xué)報(bào);2007年12期

10 田恒斗;金良安;丁兆紅;謝田華;;液體中氣泡上浮與傳質(zhì)過程的耦合模型[J];化工學(xué)報(bào);2010年01期

本文編號(hào)：2738053