научная статья по теме МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ БАЛАНСОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ Металлургия

Текст научной статьи на тему «МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ БАЛАНСОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ»

УДК 621.879

МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ БАЛАНСОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

© Сысоев Иван Алексеевич, канд. техн. наук, e-mail : ivansys@istu.edu; Ершов Владимир Александрович, канд. техн. наук, e-mail: v.ershov@mail.ru;

Кондратьев Виктор Викторович, канд. техн. наук, e-mail: kvv@istu.edu ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет». Россия, г. Иркутск

Статья поступила 09.12.2014 г.

Дан краткий анализ возможных подходов к регулированию энергетического баланса электролизеров и состава электролита. Проведены исследования влияния различных факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия. Цель работы - определение оптимальных параметров и создание алгоритма управления энергетическим балансом электролизеров путем контроля и автоматического поддержания в заданных пределах рабочего напряжения и распределения температуры электролита. Результаты работы можно использовать при разработке и внедрении технологии автоматизированного управления производством алюминия в электролизере.

Ключевые слова: электролизер; алюминий; электролит; температура; напряжение; ток; электроэнергия; управление энергетическим балансом.

Электролитическое получение алюминия - один из наиболее энергоемких промышленных процессов. Так, например, для получения одной тонны алюминия методом Эру-Холла в зависимости от типа электролизера требуется затратить 13,2-16,0 тыс. кВт-ч электроэнергии. Развитие отечественной алюминиевой промышленности происходит в двух направлениях: модернизации действующего производства и строительства новых заводов, укомплектованных самым современным оборудованием, отвечающим современным требованиям экологии, безопасности труда и эффективности, таких как Хакасский алюминиевый завод и V серия Иркутского алюминиевого завода. В связи с ужесточением требований по энерго- и ресурсосбережению актуальны исследования с целью создания энергосберегающей технологии получения алюминия.

Одной из главных составляющих энергоэффективности процесса электролиза алюминия являются правильно подобранная температура электролита и величина его перегрева. Перегрев электролита (Т5Н) определяется как разность между рабочей температурой электролита (Т£1) и температурой ликвидус (Т1) или его кристаллизации: ТН = Т£1 - Тг

Температура электролита и температура ликвидус, определяемая избыточным содержанием фторида алюминия (Л1Б3) в электролите, влияют на показатель выхода по току электролизера. В отечественной практике электролиза вместо избытка Л1Б3 применяют обратный параметр - молекулярное (криолитовое) отношение ЫаР/Л1Б3 (КО). По данным [1], снижение Т£1 на 1 °С повышает выход

по току на 0,19% для электролизеров с обожженными анодами и на 0,17% для электролизеров Содерберга. Увеличение избытка Л1Б3 в электролите на 1% (снижение КО примерно на 0,05 ед.) повышает выход по току на 0,56% для электролизеров с обожженными анодами и на 1,35% для электролизеров Со-дерберга.

Увеличение избытка Л1Б3 в электролите (снижение КО) ограничено возможностями стабилизации энергобаланса. Важнейшим показателем, характеризующим стабильность энергетического баланса электролизера, является эффективный перегрев электролита ТН Т£ электролита определяется его химическим составом и, в первую очередь, избытком Л1Б3

[2]. Перегрев электролита ТН определяет скорость растворения глинозема в электролите

[3], а также влияет на величину боковых настылей и, как следствие, на теплообмен электролизера с окружающей средой, так как тепловые потери через боковую настыль составляют около 35% всех тепловых потерь электролизера [4].

Обобщая изложенное, можно утверждать, что стабилизация рабочей температуры и перегрева электролита являются важнейшими факторами, определяющими достижение высоких технико-экономических показателей работы электролизера.

В мировой практике для контроля и управления энергетическим балансом электролизера используют разные подходы. Одни основаны на поддержании необходимой величины КО, концентрации MgF2 и CaF2 [5], другие регулируют содержание фтористого алюминия в электролите, используя

алгоритм, основанный на принципе fuzzy-логики [6]. На некоторых предприятиях инженерно-технический персонал самостоятельно разрабатывает стратегию управления энергетическим балансом электролизеров. Обзор контролируемых параметров процесса представлен в работе [7].

В компании Pechiney (Франция) для управления энергобалансом электролизера разработано устройство автоматического измерения температуры и уровня электролита [8]. Основные технические преимущества этой системы:

- возможность выбора времени и ситуации проведения измерений;

- возможность увеличения частоты измерений, что позволяет совершенствовать статистическую обработку данных для минимизации отклонения расчетных значений от фактических;

- повышение точности результатов в сравнении с измерениями вручную.

К недостаткам устройства относят налипание электролита на измерительное устройство, что, в свою очередь, повышает трудозатраты на обслуживание и приводит к искажению измеренных значений температуры электролита и AlF3.

За рубежом для управления энергетическим балансом используется программа «9 Box» фирмы Heraeus Electro-Nite. Ключевым моментом алгоритма является определение TL и TSH с помощью высокоточных одноразовых термопар Cry-O-Therm. Измерения с помощью комплекса Cry-O-Therm фирмы Heraeus Electro-Nite считаются наиболее достоверными и оперативными для определения рабочей температуры расплава и его температуры плавления.

Концепция управления процессом электролиза на основе программы «9 Box» базируется на следующих положениях:

- контроль «кислотности» электролита, основанный на измерении TL термопарами системы Cry-O-Therm, без определения химического состава электролита. Изменение количества добавляемого AlF3 не регулируется по величине КО, а производится в том случае, когда фактическая TL отличается от целевого значения;

- управление энергетическим балансом путем стабилизации величины перегрева, а не рабочей температуры. Рабочая температура изменяется лишь тогда, когда будет определено предельное ее отклонение относительно целевого значения.

Такая система контроля и управления уже действует в течение длительного времени на зарубежных заводах: Trimet Essen (Германия), Kubal Sundsvall (Швеция), Corus Delfzijl (Нидерланды),

Иепап БЬепЬио (КНР) и др. В работе [10] представлен опыт применения вышеуказанной методики управления. Внедрение этой технологии управления, по сообщению авторов, привело к увеличению выхода по току на 1%, снижению расхода электроэнергии на 0,6 кВт-ч/кг алюминия.

Следует отметить, что основным недостатком такой концепции управления является высокая стоимость одноразовых термопар [9], что препятствует ее применению в серийном производстве на российских алюминиевых заводах. В связи с этим в российской практике термопары используют в основном для оперативной диагностики теплового состояния электролизера, а также для проведения научных исследований.

В настоящее время на большинстве российских алюминиевых заводов управление энергобалансом сводится к корректировке химического состава электролита с целью поддержания заданного КО. На некоторых заводах разрабатывались и внедрялись программы управления на основе сведений о химическом составе электролита и его Тг Так, известна программа управления, основанная на регулярных измерениях Т электролита прибором «МИТЭЛИК». За основу алгоритма управления принята концепция применения ^ггу-логики [11]. Недостаток этой программы -невысокий срок службы самих термопар и низкая воспроизводимость измеренных значений температуры в сравнении с термопарами Сгу-О-^егш.

Известны случаи, когда для управления энергетическим балансом используется определение Т расчетным способом на основе химического анализа электролита. Так, некоторые исследователи с использованием многофакторного регрессионного анализа предложили уравнения расчета Т электролита, что позволяет при известной температуре электролита определить Тш [12-15].

Основным недостатком уравнений определения Ть, исходя из химического состава электролита, остается тот факт, что не учитывается возможность изменения параметров в зависимости от типа конструкции электролизера, его технических характеристик, а также влияние технологических факторов (в частности, питания электролизера глиноземом поточной обработкой или точечными питателями АПГ). Авторами данной работы в результате расчетов температуры плавления по ряду предложенных формул определено, что при одинаковом химическом составе электролита погрешность может достигать 2030 °С, что совершенно недопустимо для управления энергетическим балансом. Основной причи-

ной несоответствия расчетных формул является использование в расчетах состава характеристик искусственного электролита, не соответствующего промышленному расплаву фтористых солей.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что актуальным остается вопрос разработки малозатратного и эффективного способа управления энергетическим балансом работы электролизера. Перспективно, по нашему мнению, использование в управлении температуры ликвидус, полученной расчетным путем. В настоящее время на большинстве отечественных алюминиевых заводов регулярно измеряется рабочая температура электролита и определяется химический состав электролита (AlF3, CaF2, MgF2, LiF), поэтому расчетный метод определения TL и TSH не представляет трудности и не требует дополнительных материальных затрат.

Авторами статьи разработан алгоритм управления энергетическим балансом электролизера, основанный на инновационном способе определения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве [16] и базирующийся на следующих принципах:

- управление химической композицией электролита с помощью автоматизированных систем подачи фтористого алюминия и глинозема [17];

- оценка энергобаланса электролизера с использованием ежедневных измерений рабочей температуры электролита;

- определение TL и TSH расчетным способом на основе данных о химическом составе проб электролита.

С це

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком