稀土熔盐电解主要耗能为电能 电能效率是熔盐电解法的一个重要技术经济指标 ,如何降低能耗 ,提高产量 ,是人们一直都在探索的问题 要研究降低能耗的途径 ,就不能不对电解槽的能量分配及能量平衡关系进行探讨 ,了解电解的能耗情况<1> 本文对氧化物熔盐电解生产金属钕的 3ｋＡ电解槽进行了热平衡计算 ,并探讨了减少热损失 ,维持电解过程稳定性的有效途径 1 电解槽热平衡计算电解过程同时也是一个能量平衡过程 ,所谓能量平衡就是保持电解槽连续稳定地处于所要求的状态 ,应该供给的能量与所消耗的能量平衡 将单位时间供给的能量称为热收入 ,记为Ｑ入 ,单位时间所消耗的能量称为热支出 ,记为Ｑ出 在正常操作情况下要维持这种平衡状态 ,就必须满足Ｑ入 =Ｑ出 ,若Ｑ入 >Ｑ出 ,将使电解槽过热 ;若Ｑ入 <Ｑ出 ,将使电解槽过冷<2 > ,不维持这个平衡就将破坏电解槽的正常操作 本文在热平衡计算中 ,取环境温度 2 8℃为计算基准温度 ,电解温度为 10 5 0℃ ,单位时间按每小时计算 1 1 电解槽的热收入热收入主要由以下 2项组成 :(1)通入电解槽直流电产生的热Ｑ电 ;(2 )各种化学反应所产生的热Ｑ化 (1)Ｑ电 : Ｑ电 =3.6ＶＩ式中 ,3 6为 1ｋＷ·ｈ的热当量 ;Ｖ为电解槽槽电压(10Ｖ) ;Ｉ为实际工作电流 (2 2 0 0Ａ) Ｑ电 =792 0 0ｋＪ/ｈ (2 )化学反应放热化学反应放热主要是阳极气体与石墨阳极的化学反应放热<3> Ｏ2 + 2Ｃ→ 2ＣＯ ,ΔＧ1=- 2 32 6 0 0 - 16 7.8ＴＪ·ｍｏｌ- 1;(1)Ｏ2 +Ｃ →ＣＯ2 ,ΔＧ2 =- 395 390Ｊ·ｍｏｌ- 1,(2 )上述反应在电解温度 10 5 0℃下所生成的绝大部分是ＣＯ ,根据文献 <2 >和现场实测阳极气体中ＣＯ与ＣＯ2 的比例约为 85∶ 15 由气体电化学当量的定义<4 > 有 :Ｃｇ =80 .6ａｎＦ,式中 ,Ｃｇ 为气体电化学当量 ,ｍ3/ (Ａ·ｈ) ;ａ为气体分子所包含的原子数 ;ｎ为元素化合价 ;Ｆ为法拉第常数 ,96 485Ｃ/ｍｏｌ 在电流强度为 2 2 0 0Ａ ,电流效率为 75 %时 ,产生的氧气量为 15 4ｍｏｌ/ｈ 由阳极气体中ＣＯ与ＣＯ2 的比例 ,产生的ＣＯ为2 2 76ｍｏｌ/ｈ ,ＣＯ2 为 4 0 2ｍｏｌ/ｈ ,分别代入式 (1) ,(2 ) :Ｔ =132 3Ｋ ,ΔＧ1=- 45 45 99 4Ｊ/ｍｏｌ ,ΔＧ2 =- 395 390Ｊ/ｍｏｌ ,Ｑ化 =4 5 45 99 4× 2 2 76 / 2 + 395 390 × 4 0 2 =6 76 2 8ｋＪ/ｈ 总的热收入 :Ｑ入 =Ｑ电 +Ｑ化 =85 96 2 8ｋＪ/ｈ 2 2 电解槽的热支出热支出主要包括 :(1)加热电解原料至电解温度所需的能量Ｑ熔 ;(2 )电化学过程分解氧化钕所需的能量Ｑ分 ;(3)体系向周围空间的散热损失Ｑ散 ;(4)阳极气体带走的热量Ｑ气 (1)加热不断加入体系的Ｎｄ2 Ｏ3至电解温度所消耗的能量 :Ｑ(Ｎｄ2 Ｏ3) =ＧＭ(Ｎｄ2 Ｏ3) ｑ(Ｎｄ2 Ｏ3) ,式中 ,Ｇ为每小时加入体系的Ｎｄ2 Ｏ3的量 ,345 3ｇ ;Ｍ(Ｎｄ2 Ｏ3)为氧化钕的分子量 ,336 4 ;ｑ(Ｎｄ2 Ｏ3)为氧化钕物化反应吸热 ,ｋＪ/ｍｏｌ 据文献 <5 >,氧化钕热容 :Ｃｐ =115 6 6 + 0 2 976Ｔ- 1 19× 10 - 4Ｔ2ｑ(Ｎｄ2 Ｏ3) =∫132 330 1ＣｐｄＴ =2 74 .8ｋＪ/ｍｏｌ ,Ｑ熔 =2 82 0 .7ｋＪ/ｈ (2 )分解氧化钕所需的能量 :Ｑ分 =3.6ＥＩ ,式中 ,Ｅ为氧化钕分解电压<6 > ,2 6 42Ｖ ;Ｉ为电流强度 ,2 2 0 0Ａ Ｑ分 =2 0 92 4 6 4, (3)体系向周围空间的散热①槽侧壁的热损失热量由外壁面以对流和辐射 2种形式向外散失 ,所以槽壳的热损失应为对流传热和辐射传热 2部分之和 依据各自的传热速率方程式可求得总的散热量<7> :Ｑ壁 =ａｔＦ(ｔｗ -ｔ) ,(3)式中 ,ａｔ =ａｃ +ａｒ,为对流辐射联合传热系数 ,Ｗ /ｍ2 ·℃ ;ａｃ 为对流传热系数 ,Ｗ /ｍ2 ·℃ ;ａｒ 为辐射传热系数 ,Ｗ /ｍ2 ·℃ ;Ｆ为槽侧壁面积 ,1 4 6 9ｍ2 ;ｔｗ 为槽侧壁温度 ,16 0℃ ;ｔ为车间温度 ,2 8℃ 对于平面外壁向周围环境散热的对流辐射联合传热系数的近似公式为<7> :ａｔ =9 8+ 0 0 7(ｔｗ -ｔ) ,(4)代入以上值得 :ａｔ =19 4Ｗ/ｍ2 ·℃ ,Ｑ壁 =132 82 2ｋＪ/ｈ ②槽底热损失由于槽底直接坐于地面上 ,所以槽底的热量是以传导传热的方式散失出去 实际测定槽底内部钢板处的温度约为 4 0 0℃ Ｑ底 =ＫＦ(ｔ2 -ｔ1) ,式中 ,Ｋ为传热系数 ,有 :Ｋ =1∑ δｉλｉ=2 .98Ｗ /ｍ2 ·℃ ,Ｆ为槽底面积 ,0 5 6 7ｍ2 ;ｔ2 为槽内壁处温度 ,10 0 0℃ ;ｔ1为槽内部钢板处的温度 ,4 0 0℃ ,则 :Ｑ底 =36 49 5ｋＪ/ｈ ③槽上盖的热损失槽上盖的热损失分成 2部分计算 :一部分是石墨坩埚和阳极之间的部分 ,由于这部分下面是高温电解质 ,所以上盖温度很高 ,实测其平均温度约为4 6 0℃ ;另一部分是与槽壁相接触的部分 ,这部分温度相对较低 ,平均温度约为 180℃ 热损失应为对流传热和辐射传热 2部分之和 根据式 (3) :Ｑ上 =ａｔＦ(ｔｗ -ｔ对于第一部分 :ｔｗ1=4 6 0℃ ,Ｆ1=0 .0 6 75ｍ2 由式 (4) :ａｔ1=4 0 0 4Ｗ /ｍ2 ·℃ ,Ｑ上 1=4 2 0 3 2ｋＪ/ｈ ;对于第二部分 :ｔｗ2 =180℃ ,Ｆ2 =0 .386 3ｍ2 由式 (4) :ａｔ2 =2 0 4 4Ｗ /ｍ2 ·℃ ,Ｑ上 2 =4 32 0 6ｋＪ/ｈ 上盖总的热损失 :Ｑ上 =Ｑ上 1+Ｑ上 2 =85 2 3 8ｋＪ/ｈ ④电解质直接向空间的散热损失由于电解槽是敞口操作 ,高温电解质将直接以辐射和对流的方式向外散热 Ｑ盐 =ＣＨＴ210 04 - Ｔ110 04 Ｆ+α(Ｔ2 -Ｔ1)Ｆ ,式中 ,ＣＨ 为辐射系数 ,4 96 ;Ｆ为熔盐表面积 ,0 0 4 8ｍ2 ;Ｔ2 为熔体温度 ,132 3Ｋ ;Ｔ1为车间温度 ,30 1Ｋ ;α为对流换热系数 ,Ｗ/ｍ2 ·℃ 对流换热系数的确定<8> :将熔体表面视为固体表面处理 空气的热物性参数<8> :Ｐｒ =0 6 96 ,λ=2 9× 10 - 2 Ｗ/ｍ2 ·℃ ,ｖ =18 97× 10 - 6 ｍ2 /ｓ Ｇｒ·Ｐｒ=βｇｄ3Δｔｖ2 Ｐｒ =1 91× 10 8>8× 10 6 ,属于湍流 ,故Ｎｕｍ =0 15 (Ｇｒ·Ｐｒ) 1/3ｍ =86 4 ,α=Ｎｕｍ·λｄ =12 5 3Ｗ/ｍ2 ·℃ 但实际熔体由于受阳极气泡和电磁力的作用 ,熔体表面发生剧烈波动 ,这样液 - 气间的换热将比固定表面大的多 ,根据实际情况 ,经与现场人员讨论 ,本文取实际对流换热为固定表面时的 4倍 ,即为5 0 12Ｗ/ｍ2 ·℃ 计算得 :Ｑ盐 =35 0 4 0ｋＪ/ｈ 体系总的散热损失 :Ｑ散 =Ｑ壁 +Ｑ底 +Ｑ上 +Ｑ盐 =6 0 4 95 6ｋＪ/ｈ (4)阳极气体带走的热量阳极气体主要是ＣＯ和ＣＯ2 ,实测二者比例约为85 ∶ 15 经前面计算得 ,所生成的ＣＯ为 2 2 76ｍｏｌ/ｈ ,ＣＯ2 为 4 0 2ｍｏｌ/ｈ ＣＯ的热容<3> :ＣＰ =2 8.4 + 4 .1× 10 - 3Ｔ - 0 .4 6 × 10 5Ｔ- 2Ｑ(ＣＯ) =2 2 .6 7∫132 330 1ＣＰｄＴ =735 4ｋＪ/ｈ ＣＯ2 的热容<3> : ＣＰ =4 4.14 + 9 0 4 × 10 - 3Ｔ- 8.5 4× 10 5Ｔ- 2Ｑ(ＣＯ2 ) =4 .0 2∫132 330 1ＣＰｄＴ =2 0 2 7ｋＪ/ｈ 阳极气体带走的总热量 :Ｑ气 =Ｑ(ＣＯ) +Ｑ(ＣＯ2 ) =938.1ｋＪ/ｈ 总的热支出 :Ｑ出 =Ｑ熔 +Ｑ分 +Ｑ散 +Ｑ气 =85 179ｋＪ/ｈ 通过以上计算得出 :Ｑ入 -Ｑ出 =783 8ｋＪ/ｈ 2 结果分析与讨论将热收支各项统计于表 1,计算结果与文献 <2 >相符 (1)从表 1可以看出 ,电解槽体系的散热损失占了热支出总热量的 71% ,而用于物料物化反应和分解吸热仅占约 2 8%左右 ,显然 ,目前这种钕电解槽的能量利用率还特别低 ,有待于改进 表 1 电解槽热收支项统计表Ｔａｌｂｅ 1 Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｈｅａｔｉｎａｎｄｏｕｔ热 收 入热 支 出收入项 数值 /(ｋＪ·ｈ-1) 百分比 /%支出项 数值 /(ｋＪ·ｈ-1) 百分比 /%电 能 792 0 0 92 13物料物化吸热 2 82 0 7 3 31化学热 6 76 2 87 87氧化钕分散吸热 2 0 92 4 6 4 2 4 5 2体系散热 6 0 4 95 6 71 0 7气体排出 938 11 10总 计 85 96 2 810 0总 计 85 17910 0误 差Ｑ入 -Ｑ出 =783ｋＪ/ｈ相对误差 1 0 %(2 )从图 1可以清楚地看到 ,电解
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