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.