鋁電解陽極效應(yīng)控制技術(shù)淺探(講課課件)

鋁電解陽極效應(yīng)控制技術(shù)淺探(講課課件)第一頁，共33頁。鋁電解陽極效應(yīng)控制技術(shù)淺探鋁電解生產(chǎn)技術(shù)交流詹磊第二頁，共33頁。

陽極效應(yīng)產(chǎn)生機理分析生產(chǎn)實踐陽極效應(yīng)發(fā)生因素各因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析控制陽極效應(yīng)的具體措施結(jié)論第三頁，共33頁。引言陽極效應(yīng)對鋁電解生產(chǎn)本身的影響，業(yè)內(nèi)逐漸趨向一致，認為陽極效應(yīng)對電解生產(chǎn)的危害是主要的，同時也是電解生產(chǎn)過程不穩(wěn)定的體現(xiàn)。實質(zhì)上，陽極效應(yīng)的更大危害在于陽極效應(yīng)發(fā)生過程中產(chǎn)生的全氟化碳（簡稱PFCs，主要是CF4

和C2F6）對環(huán)境的影響。研究表明，在鋁電解生產(chǎn)過程中，PFCs主要產(chǎn)生于發(fā)生陽極效應(yīng)的異常波動期間，在正常運作期間檢測不到PFCs氣體，另外，PFCs也會產(chǎn)生于電解槽啟動時電壓在短時間內(nèi)上升加熱電解槽及槽內(nèi)原料的短暫時間內(nèi)。近二十年來，我國原鋁工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)能、產(chǎn)量均居世界第一,減少PFCs排放將是鋁行業(yè)面對節(jié)能減排的現(xiàn)實問題。第四頁，共33頁。一、陽極效應(yīng)產(chǎn)生機理分析

到目前為止，對于陽極效應(yīng)發(fā)生的機理及陽極效應(yīng)發(fā)生時的反應(yīng)，還是眾說紛紜。有關(guān)效應(yīng)發(fā)生機理的觀點很多，但最受重視且能較好解釋陽極效應(yīng)現(xiàn)象的是濕潤性改變學(xué)說和陽極過程改變學(xué)說。第五頁，共33頁。（一）濕潤性改變學(xué)說

濕潤性改變學(xué)說認為，氧化鋁是一種能降低電解質(zhì)在炭陽極上界面張力的表面活性物質(zhì)。因此，在氧化鋁含量較高時，電解質(zhì)在炭陽極上的表面張力小，而能良好地濕潤陽極。此時陽極上析出的氣體被電解質(zhì)排擠以小氣泡形態(tài)逸出。當氧化鋁含量降低至一定程度后，電解質(zhì)在炭陽極上的界面張力增加，此時電解質(zhì)的濕潤能力不足以排擠氣泡離開陽極表面，而使氣泡在陽極表面停留下來，逐漸連成一片并構(gòu)成氣體薄膜導(dǎo)致陽極效應(yīng)。第六頁，共33頁。（二）陽極過程改變學(xué)說

陽極過程改變學(xué)說認為，陽極效應(yīng)的發(fā)生是由于隨電解過程的進行，電解質(zhì)中含氧離子逐漸減少，達到一定程度后，則有氟析出。所析出氟與陽極炭相互作用生成碳的氟化物。炭的氟化物在分解時又析出細微的炭粒附在陽極表面上，而后導(dǎo)致電解質(zhì)不能很好的濕潤陽極而引起陽極效應(yīng)。第七頁，共33頁。（三）對陽極效應(yīng)發(fā)生機理的看法

對于各種陽極效應(yīng)發(fā)生機理，理論界各有說法。但對于實際生產(chǎn)，本人認為可應(yīng)用研究性較差。我們不僅想知道如何發(fā)生，應(yīng)該更想知道為什么發(fā)生，我們具體如何控制，理論上如何能給一個可靠的支撐？第八頁，共33頁。（四）發(fā)生陽極效應(yīng)的臨界電流密度

陽極效應(yīng)產(chǎn)生機理研究目前都還處于學(xué)術(shù)假說的階段，有許多合理的地方，同時也存在一定的缺陷，需要進一步的完善。為了研究方便，在實踐工作中引入臨界電流密度分析影響陽極效應(yīng)發(fā)生的原因。臨界電流密度是指在一定條件下電解槽上發(fā)生陽極效應(yīng)時的陽極電流密度。若陽極電流密度達到或高于臨界電流密度時，則發(fā)生陽極效應(yīng)，反之則不發(fā)生陽極效應(yīng)。據(jù)此，對陽極效應(yīng)的發(fā)生原因可通過對臨界電流密度的研究取得定量或定性的依據(jù)。臨界電流密度是變化的，電解過程中的各種具體參數(shù)對臨界電流密度產(chǎn)生不同的影響。第九頁，共33頁。臨界電流密度的說明

第十頁，共33頁。

臨界電流密度與以下因素有關(guān)：氧化鋁濃度對臨界電流密度的影響。電解質(zhì)中的氧化鋁濃度減小，臨界電流密度也減小。溫度對臨界電流密度的影響。電解質(zhì)溫度提高后，電解質(zhì)對陽極表面的濕潤性改善，因此使得臨界電流密度增大。電解質(zhì)性質(zhì)對臨界電流密度也有一定影響。分子比大小和添加劑對臨界電流密度的影響有影響，因為成分變化會影響?zhàn)ざ群捅砻鎻埩?/p>

電極材料對臨界電流密度的影響。由于電極材料的性質(zhì)將影響固-液和固-氣相間界面張力，必然對氣泡的生成、生長、脫離和在電解質(zhì)中電極表面的濕潤情況等產(chǎn)生影響，因而使臨界電流密度發(fā)生變化。能改善濕潤性質(zhì)的電極材料有較高的臨界電流密度。反應(yīng)器及電極的結(jié)構(gòu)對臨界電流密度也存在一定的影響。第十一頁，共33頁。二、生產(chǎn)實踐陽極效應(yīng)發(fā)生因素（一）氧化鋁濃度偏低誘發(fā)的陽極效應(yīng)現(xiàn)代大型預(yù)焙陽極電解槽采用計算機對氧化鋁濃度進行控制,正常情況下,氧化鋁濃度能被較為精確的控制在1.5～2.5%以內(nèi)。但是一些現(xiàn)場因素導(dǎo)致控制不能達到預(yù)期目的，電解質(zhì)中氧化鋁不能及時補充而導(dǎo)致陽極效應(yīng)。這些因素主要有：料箱缺料下料口堵塞或下料器故障NB間隔設(shè)置不合理濃度過/欠變化率設(shè)置不合理。第十二頁，共33頁。

（二）溫度偏低誘發(fā)的陽極效應(yīng)

在電解生產(chǎn)過程中，由于電解槽溫度偏低也會導(dǎo)致陽極效應(yīng)發(fā)生。在電解槽溫度偏低的狀態(tài)下，電解槽電壓的變化也會表現(xiàn)出異常，進而導(dǎo)致槽控過程失控。在這種失控條件下，現(xiàn)場將會出現(xiàn)惡性循環(huán)的情況，溫度低造成控制失控，氧化鋁下料量異常增大，而氧化鋁添加量的增加促進了電解槽溫的進一步下降，使失控狀態(tài)進一步惡化。這種情況下陽極效應(yīng)也處于失控狀態(tài)，且很容易造成大量的爐底沉淀。第十三頁，共33頁。

（三）電解槽運行狀況異常誘發(fā)的陽極效應(yīng)

電解槽運行狀況異常也會導(dǎo)致陽極效應(yīng)的失控。諸如電解槽爐膛畸形、陽極換極定位異常、陽極電流分布異常、磁流體不穩(wěn)定等因素都會增加電解槽陽極效應(yīng)發(fā)生的幾率。第十四頁，共33頁。

（四）供電系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)異常誘發(fā)的陽極效應(yīng)

陽極效應(yīng)還會由于供電系統(tǒng)異常而出現(xiàn)失控。如直流停電、電流強度非計劃長時間下降以及電流長時間異常波動的情況出現(xiàn)時，電解系列的陽極效應(yīng)一般會有短期的大幅度增加。另外系列或單槽停風(fēng)，由于打殼下料機構(gòu)不能正常工作，也會導(dǎo)致陽極效應(yīng)失控。第十五頁，共33頁。

（五）其它因素誘發(fā)的陽極效應(yīng)

不是所有的陽極效應(yīng)發(fā)生都能明確的找出對應(yīng)原因來。有些陽極效應(yīng)發(fā)生還可能與其它一些沒能明確的因素相關(guān)。電解技術(shù)條件的綜合效果因素、陽極的因素、電解質(zhì)雜質(zhì)因素等，也可能會導(dǎo)致陽極效應(yīng)的發(fā)生。第十六頁，共33頁。三、各因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

（一）氧化鋁濃度偏低誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

研究表明，隨著氧化鋁含量的增加，臨界電流密度加大。因此，陽極效應(yīng)將可預(yù)期的在氧化鋁濃度小于0.5%的條件下到來。在實際生產(chǎn)中，由于其它因素的影響，陽極效應(yīng)有可能在較高的氧化鋁含量之下發(fā)生。但可說明，在同樣的條件下，隨氧化鋁濃度的降低，陽極效應(yīng)的發(fā)生機率會增加。第十七頁，共33頁。冰晶石-氧化鋁熔液中臨界電流密度（D臨界）隨氧化鋁含量的變化趨勢

1-席施金，2-別略耶夫等，3-皮翁梯里等，4-托恩斯塔第十八頁，共33頁。

（二）溫度偏低誘發(fā)的陽極效應(yīng)理論分析

隨著溫度的降低，臨界電流密度降低。在其它條件同等的條件下，電解溫度低，容易誘發(fā)陽極效應(yīng)。同氧化鋁濃度影響陽極效應(yīng)的情況相似，電解溫度對陽極效應(yīng)的誘發(fā)也是其中原因之一。實際生產(chǎn)中也可以發(fā)現(xiàn)，有些電解槽長期處于較低溫度，但陽極效應(yīng)仍然是受控的，這只是表明其它生產(chǎn)條件的不同抵消了低溫影響的結(jié)果。第十九頁，共33頁。

（三）其它因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

根據(jù)影響臨界電流密度的其它因素，誘發(fā)陽極效應(yīng)還有很多因素。在實際生產(chǎn)中，電解質(zhì)的分子比、載氟氧化鋁的物理化學(xué)性質(zhì)、陽極質(zhì)量、陽極開槽與否等也會對陽極的產(chǎn)生存在一定的影響。第二十頁，共33頁。

（四）槽況異常誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

導(dǎo)致陽極效應(yīng)發(fā)生的各種原因中，各因素的影響使臨界電流密度發(fā)生變化是誘發(fā)陽極效應(yīng)的一方面，而陽極電流密度的變化也是誘發(fā)陽極效應(yīng)不可忽視另一方面。在電解槽運行狀況異常時，陽極電流分布將發(fā)生重要變化，在臨界電流密度沒有發(fā)生改變的情況下，出現(xiàn)個別陽極電流密度超過臨界電流密度發(fā)生陽極效應(yīng)，并進而誘發(fā)全槽陽極效應(yīng)。我在電解生產(chǎn)過程中觀察到的兩個現(xiàn)象應(yīng)該可以這一論斷的重要支撐。陽極效應(yīng)發(fā)生時個別陽極沒有效應(yīng)特征正常生產(chǎn)中個別陽極有陽極效應(yīng)發(fā)生第二十一頁，共33頁。

陽極效應(yīng)發(fā)生時個別陽極沒有效應(yīng)特征

在進行電解槽陽極電流全槽連續(xù)監(jiān)控分析的時候偶然發(fā)現(xiàn)，在陽極效應(yīng)發(fā)生時，不是所有的陽極都會表現(xiàn)出陽極效應(yīng)特征，個別陽極的電流會出現(xiàn)短時間異常升高的情況。這意味著在陽極效應(yīng)發(fā)生過程中，槽電壓升高，而這些陽極的導(dǎo)電性質(zhì)并沒有發(fā)生大的變化，電阻還是非效應(yīng)狀態(tài)的水平，似乎沒有發(fā)生陽極效應(yīng)。這些陽極一般是新?lián)Q陽極或非效應(yīng)狀態(tài)下導(dǎo)通電流偏小的陽極。第二十二頁，共33頁。陽極效應(yīng)發(fā)生時陽極電流的變化情況

第二十三頁，共33頁。

正常生產(chǎn)中個別陽極有陽極效應(yīng)發(fā)生

在對電解煙氣進行PFCs測試時發(fā)現(xiàn)，某電解系列在沒有陽極效應(yīng)的情況下也存在PFCs成份。而該系列與其它電解系列的不同之處除了大之外，主要還是穩(wěn)定性較差。這可能表明，在運行不穩(wěn)定的電解槽內(nèi)，個別陽極可能處于類似陽極效應(yīng)的狀態(tài)，從而使電解煙氣中出現(xiàn)了PFCs。第二十四頁，共33頁。四、控制陽極效應(yīng)的具體措施

根據(jù)對誘發(fā)陽極效應(yīng)的原因的分析及陽極效應(yīng)發(fā)生時表現(xiàn)出的特殊現(xiàn)象，減少陽極效應(yīng)主要可從提高臨界電流密度和降低相對陽極電流密度兩大方面進行考慮。

第二十五頁，共33頁。

（一）有效保證槽內(nèi)氧化鋁的補充氧化鋁供配料優(yōu)化計算機氧化鋁控制策略優(yōu)化如有可能盡量以砂狀氧化鋁替代中間狀氧化鋁第二十六頁，共33頁。

（二）合理配置工藝技術(shù)條件

電解工藝技術(shù)條件的合理配置是控制陽極效應(yīng)的重要內(nèi)容。平穩(wěn)有序的工藝運行狀況對降低陽極效應(yīng)系數(shù)非常必要。技術(shù)條件的合理配置主要有：規(guī)整的爐膛內(nèi)形。合理的能量耗散分布。穩(wěn)定的技術(shù)條件保持。第二十七頁，共33頁。

（三）規(guī)范電解操作

電解操作實際操作質(zhì)量對陽極效應(yīng)的發(fā)生也有重要的影響，尤其是換極工作質(zhì)量影響最大。提高換極工作質(zhì)量，主要在于陽極定位準確、物料異常落入少、炭渣及結(jié)殼塊打撈干凈、換極時間短等。通過對電解操作質(zhì)量的規(guī)范，減少對電解槽的干擾，保證電解槽生產(chǎn)穩(wěn)定，降低誘發(fā)陽極效應(yīng)的機率，對控制陽極效應(yīng)很有作用。第二十八頁，共33頁。

（四）加強電解槽焙燒啟動管理

電解槽的焙燒啟動是電解生產(chǎn)的起點，是孕育良好生產(chǎn)狀況的重要環(huán)節(jié)。規(guī)范合理有序的生產(chǎn)操作對形成良好的電解槽爐膛、合理的散熱分布至關(guān)重要。在此過程中要確保電解槽中有足夠的電解質(zhì)數(shù)量，防止電解質(zhì)萎縮、保證生產(chǎn)平穩(wěn)；要克服急躁情緒、盲目調(diào)整，避免出現(xiàn)爐膛畸形、電解槽爐底“涼”等異常情況。只有電解槽順利正常啟動，后期有效控制陽極效應(yīng)才有保障。第二十九頁，共33頁。

（五）改善陽極狀況

陽極狀況也是控制陽極效應(yīng)一個環(huán)節(jié)。陽極狀況分為陽極物化質(zhì)量和陽極表面狀態(tài)兩方面。陽極物化質(zhì)量對陽極掉渣、陽極消耗異常等有直接影響，進而成為陽極效應(yīng)發(fā)生的誘因之一。因此在生產(chǎn)中要盡量使用高質(zhì)量陽極。陽極表面狀態(tài)主要是陽極表面的形狀，改變陽極氣體的溢出性質(zhì)，目前主要的措施有梯形陽極、開槽陽極、開孔陽極等，采用這些措施的主要目的是減少氣泡撓動，降低二次反應(yīng)而提高電流效率或減小無效極距實現(xiàn)降低電解槽工作電壓達到低電耗生產(chǎn)的目的，實踐表明這些措施對控制陽極效應(yīng)也有貢獻。第三十頁，共33頁。

（六）加強供電、供風(fēng)管理

對鋁電解生產(chǎn)而言，良好的供電包括持續(xù)供電和平穩(wěn)供電兩方面的內(nèi)容。在生產(chǎn)管理中加強供電質(zhì)量的管理對降低陽極效應(yīng)系數(shù)也很有意義。目前廣泛應(yīng)用的不停電啟停電解槽技術(shù)就是其中成功的范例。壓縮空氣對電解生產(chǎn)的影響不亞于電的影響。尤其是其對正常下料的影響直接會導(dǎo)致陽極效應(yīng)的發(fā)生。第三十一頁，共33頁。

（七）關(guān)注電解槽設(shè)計關(guān)注電解槽磁流體穩(wěn)定性設(shè)計陽極電流分布均勻性與電解后期生產(chǎn)管理是否正常有著密切關(guān)系。但是電解槽的磁流體穩(wěn)定性設(shè)計也是