适应风电消纳的铝电解阳极气泡行为建模.pdf
适应风电消纳的铝电解阳极气泡行为建模 ① 何桂雄1, 熊 敏1, 张红亮2, 唐艳梅1, 江 南2 (1.中国电力科学研究院,北京 100192; 2.中南大学 冶金与环境学院,湖南 长沙 410083) 摘 要 以适应风电消纳的异型阳极为研究对象,采用计算流体力学(CFD)中的多气泡族(MUSIG)模型对异型阳极表面生成的气 泡在熔融电解质中的运动行为进行计算。 结果显示,在阳极气泡的尺寸分布上,普通阳极底掌被所有尺寸气泡覆盖,而倾角与倒角 阳极底掌则以小尺寸气泡为主,且随着倾角或倒角增大,大尺寸气泡在异型阳极底掌覆盖范围大幅减小;在气泡逸出效果上,由于 倒角阳极的气泡逸出路径要比普通或倾角阳极短,不易形成局部大尺寸气泡群,因而倒角阳极的排气效果要比倾角阳极更好。 关键词 新能源消纳; 阳极气泡; 多气泡族(MUSIG)模型; 倾角阳极; 倒角阳极 中图分类号 TF821文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.06.019 文章编号 0253-6099(2016)06-0075-04 Study on Bubble Behavior of Abnormal Anode during Electrolysis of Alumina HE Gui⁃xiong1, XIONG Min1, ZHANG Hong⁃liang2, TANG Yan⁃mei1, JIANG Nan2 (1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2.School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract The movement of bubble generated on an abnormal anode surface in the molten electrolytes was calculated by using a CFD⁃model MUSIG. The research of the size distribution of anode bubbles shows that the bottom of normal anode is covered by all sizes of bubbles, and inclined anode and chamfered anode are covered mainly by fine⁃size bubble with the covering area decreasing significantly with an increase in inclined or chamfered angle. The research about the bubble escaping effect shows that the chamfered anode has a shorter escaping passage than that of normal or inclined anode, resulting in fewer large⁃size bubble groups formed in the local area. It is concluded, the chamfered anode is better in bubble escaping compared to the inclined anode. Key words new energy accommodation; anode bubble; MUSIG model; inclined anode; chamfered anode 我国新能源产业发展迅猛,但却面临着无法有效 消纳的难题。 以风电为例,目前我国风电资源丰富的 西北地区,发展速度极快,但这些地区的电网建设相对 落后,总体可再生能源接入能力不高,导致大范围弃风 现象。 通过来自 2015 年上半年风电并网运行报告,弃 风最严重的地区包括甘肃、新疆、蒙西等地区,有接近 30%的弃风幅度[1]。 与此同时,我国铝电解工业是有 名的耗电大户,且我国铝电解工业发展迅猛,2015 年 中国原铝产量达到 3 200 万吨,约占全球原铝总产量 的 56.7%[2],消耗了达 4 378 亿千瓦时的电能,占全社 会用电总量的 7.9%[3]。 更严峻的是,我国铝电解行业 平均电力成本约占原铝总生产成本的 45% ~55%,电 力供应与电价已成为铝电解企业盈亏的关键因素。 考虑到我国电解铝高产能地区恰好与风电资源丰 富的地区基本重叠,通过电网与铝电解相关技术的研 发与设备升级,配合电价补偿机制,既可以解决铝电解 的电耗问题,又可以实现风电等新能源的消纳,对于铝 电解和风电两个产业皆具有极其重要的意义。 应用铝电解消纳风电,首先要考虑由此带来的电 流波动以及电解槽稳定问题,在工业过程中即要求解 决铝电解槽的“心脏” 阳极的问题。 目前工业所用 阳极多为平底炭阳极,此类阳极与电解质的润湿性较 差,且底掌面积较大,不利于原铝生产中产生的阳极气 体(主要为 CO2和 CO 的混合气体)逸出。 该缺陷在电 ①收稿日期 2016-06-09 基金项目 国家科技支撑项目(2015BAA01B04) 作者简介 何桂雄(1984-),男,北京人,工程师,硕士研究生,研究方向为电力需求侧管理、荷网源协同控制。 通讯作者 张红亮(1979-),男,湖南临湘人,副教授,工学博士,研究方向为冶金过程数值仿真与系统节能。 第 36 卷第 6 期 2016 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №6 December 2016 万方数据 解槽处于电流不稳定状态时表现尤为突出,例如,当电 解槽由于消纳风电而产生系列电流波动时,电解槽内 气泡的产生将更加杂乱无章,部分阳极气泡会积聚在 阳极底掌下的电解质中而无法释放,一方面大幅减小 实际导电接触面积,使得极间电压降增大至 0.15 ~ 0.35 V[4]之间;另一方面可能引起极间温度过高,甚至 导致阳极效应的频繁发生,消耗大量额外电能等[5-6]。 因此,研究铝电解槽内阳极气体的快速排出成了铝电 解消纳新能源的关键基础问题之一,当前可应用的工 业方案包括倾角阳极和倒角阳极,均能一定程度加速 气泡排出,但其内部气泡尺寸分布和逸出行为尚未知, 故未能使其效果达到最优化。 铝电解阳极气泡的研究一直是铝电解过程流场的 研究热点,国内外有大量学者开展了相关研究[7-10]。 目前有少量对于倒角阳极的研究,但大部分集中在平 底阳极上,且都将阳极气泡的尺寸假设为均一大小,这 显然与实际存在一定的偏差。 此外,尽管异形结构对 阳极气泡的逸出有促进作用,但缺乏系统研究,尤其是 在不同尺寸的气泡行为上,基本鲜有报道。 本文在某 300 kA 预焙铝电解槽消纳风电的背景 下,以消纳风电的阳极气泡作为具体研究对象,采用计 算流体力学(CFD)方法对阳极表面生成的气泡在熔融 电解质中的运动行为进行计算,并引入 MUSIG 模型对 阳极气泡进行分组,运用大型商用软件 ANSYS 建立异 形阳极结构模型,着重分析不同阳极结构(包括平底、 倾角与倒角阳极)的电解槽中阳极气泡在阳极底掌的 尺寸分布及逸出行为,以期探索阳极气泡在异型阳极 中的行为规律,为铝电解槽消纳风电过程中阳极的选 用提供理论依据。 1 模型建立 1.1 铝电解槽多相流体的控制方程 铝电解槽内为一个多场⁃多相复杂体系,主要由气 (电解过程的阳极气体)⁃液(熔融电解质和铝水)⁃固 (扩散的氧化铝颗粒和炭粒等)等构成。 当前,流体力 学理论体系中,针对多相问题的计算方法主要有欧拉⁃ 欧拉法和欧拉⁃拉格朗日法。 考虑到本文所建立的模型 仅仅包含液(熔融电解质)⁃气(阳极气泡)两相,因此,主 要采用欧拉⁃欧拉法,其连续方程与动量方程如下 ∂ ∂t (rαρα) + ∇(rαραUα) = 0(1) ∂ ∂t (rαραUα) + ∇[rα( ραUα U α)] = - rα∇pα+ ∇{rαμαeff[∇Uα+ (∇Uα)T]}+ SMα + M α (2) 式中 Uα为第 α 相平均速度,m/ s;rα为第 α 相体积分 数; ρα为第 α 相密度,kg/ m3;SMα为外部作用力,N; μαeff为黏度,Pas; pα为压力,Pa;Mα为流体间动量, kgm/ s。 1.2 预焙阳极的多气泡族(MUSIG)模型 在铝业界,通常认为阳极气泡在阳极底掌经历以 下过程产生→长大→合并→逸出。 在通有直流电的 炭阳极⁃电解质界面上所发生的电化学反应会一直产 生阳极气泡,初始属于小体积,但随着气泡的聚集与气 泡合并作用,气泡会不断长大,并在部分区域合成大尺 寸气泡,而其他尺寸依然有着小尺寸的存在,随着气泡 不断逸出⁃产生的循环,电解槽的阳极底掌下面的气泡 实际是具备多个尺寸分布的。 在计算流体力学软件 CFX 平台中,多气泡族模型 (multiple sized⁃group, MUSIG)的基本原理是将气泡的 作用间接处理,将其离散成多个小组,每个小组按照气 泡的直径分组,通过对动量方程进行简化获得流速的 解,因而,应用该模型可将气泡的作用更加真实地刻画 出来。 在当前已有的包含气泡的模型中,基本都是将 气泡尺寸视为同等大小,这显然与实际存在较大差异。 本文所建立的 MUSIG 中,气泡的组分如下 ∂ ∂t fi+ ∂ ∂Xj μjfj = B B - D B + B C - D C (3) 式中 i、j 分别为第 i 组和第 j 组气体的分组;BB为大尺 寸气泡生成率,m3/ s;DB为大尺寸气泡消失率,m3/ s; BC为小尺寸气泡生成率,m3/ s;DC为小尺寸气泡消失 率,m3/ s。 对于气泡聚并生成率 Cij,采用 Prince & Blanch 模 型加以描述,其聚并速率用下式表示 Cij = F C θT ij + θ B ij + θ LS ij η ij (4) 式中 FC为修正系数,FC=1; θT ij为湍流作用力,N;θ B ij为 气泡浮力,N;θLS ij为剪切力,N;ηij为气泡聚并概率。 BC= 1 2 ∑ i j = 1 ∑ i k = 1 CjkNiNj(5) 式中 k 为序号;Ni和 Nj分别为第 i 组和第 j 组气泡的 密度,kg/ m3。 根据铝电解试验及经验,本文将所研究的虚拟阳 极气泡分为 5 组不同大小,假定最小直径 dmin为 1 mm、 最大直径为 5 mm,其余气泡直径 di用下式计算 di = d min + Δd(i - 0.5)(6) Δd = dmax - d min N (7) 式中 Δd 为气泡的区域均值,mm。 则计算得到 d1~d5 分别为 1.4 mm、2.2 mm、3.0 mm、3.8 mm 和 4.6 mm。 67矿 冶 工 程第 36 卷 万方数据 1.3 计算模型和计算流程 本文研究的异形阳极结构如图 1 所示,采用的计 算流程如图 2 所示,选用 300 kA 铝电解槽的阳极与电 解质体系,假定的尺寸参数为阳极尺寸 1 600 mm 660 mm 550 mm、 中缝 150 mm、间缝 40 mm、极距为 45 mm、大面加工距离 300 mm、电解质水平 220 mm。 此外,计算过程未考虑磁场的作用。 在 ANSYS 中建立 其物理模型和网格划模型如图 3 所示。 本文所建立模 型采用的物性参数及相关假设参见文献[11-12]。 θ ab c gg 图 1 异型阳极结构示意 (a) 普通阳极炭块; (b) 倾角阳极炭块; (c) 倒角阳极炭块 1451 443 6 14514 4;6 [ANSYS] ,*, 6 [MUSIG] 14B446,A CFD;D0 140 [CFX] 图 2 仿真计算流程 图 3 模型网格划分图 2 异型阳极结构的气泡行为 应用前文建立的电解质⁃阳极多气泡族气泡两相 稳态模型,以单个阳极单元为研究范围,在倾斜角度 θ 分别为 1、2,倒角边长 g 分别为 3 cm、4 cm 的槽内, 分析了气泡行为。 2.1 倾角阳极结构的气泡行为 对比了普通阳极和倾角分别为 1、2的异型阳极 结构的气泡行为,如图 4~6 所示。 在垂直面上电解质 层气泡的平均直径如图 7 所示,各尺寸气泡分布如 表 1 所示。 由图 4~7 及表 1 可以看出,无论阳极是否 有倾角,其底部气泡尺寸的分布规律均为尺寸最小的 气泡布满整个底掌,且距离底掌距离最近,而它们又被 下面一层较厚的中大尺寸的气泡所包裹,其位置略微 图 4 距离普通阳极底掌 1 mm 处电解质中各尺寸气泡分布 (a) d1=1.4 mm; (b) d2=2.2 mm; (c) d3=3.0 mm; (d) d4=3.8 mm; (e) d5=4.6 mm 图5 距离倾角为1的阳极底掌1 mm处电解质中各尺寸气泡分布 (a) d1=1.4 mm; (b) d2=2.2 mm; (c) d3=3.0 mm; (d) d4=3.8 mm; (e) d5=4.6 mm 77第 6 期何桂雄等 适应风电消纳的铝电解阳极气泡行为建模 万方数据 图6 距离倾角为2的阳极底掌1 mm电解质层中各尺寸气泡分布 (a) d1=1.4 mm; (b) d2=2.2 mm; (c) d3=3.0 mm; (d) d4=3.8 mm; (e) d5=4.6 mm 图 7 倾角阳极的电解质层气泡平均直径分布 (a) 普通阳极; (b) 倾角 1; (c) 倾角 2 表1 不同倾角的阳极底掌下1 mm处电解质层中各尺寸气泡分布 倾斜角度 / () 不同气泡直径(mm)下的气泡分布/ % d1=1.4d2=2.2d3=3.0d4=3.8d5=4.6 普通阳极17.856.546.266.3163.04 110.822.091.881.8683.35 211.131.721.581.5784.00 靠近阳极底掌的中部位置。 主要原因是靠近底掌区域 为反应集中区域,故气泡多为小尺寸,而随着气泡运动 与合并,则逐渐在其下部增大。 由表 1 可以看出,随着倾角增大,中等尺寸气泡开 始增多,但大尺寸气泡反而有下降趋势,其主要原因为 气泡的逸出减少了大尺寸气泡的数量。 因此,可以说 阳极有倾角能够加速气泡的逸出,有利于减少气膜电 阻,但同时,阳极有倾角时会加速小气泡的聚并,并促 进中型气泡的累积。 2.2 倒角阳极结构的气泡行为 应用多尺寸两相流模型,计算了不同倒角长度的 气泡行为。 不同倒角长度阳极气泡平均直径分布如 图 8 所示,气泡直径统计结果如表 2 所示。 图 8 不同倒角阳极电解质层中气泡的平均直径分布 (a) 普通阳极; (b) a=3 cm; (c) a=4 cm 表 2 不同倒角阳极的气泡直径分布 倒角边长 / cm 气泡最大直径 / mm 气泡最小直径 / mm 气泡平均直径 / mm 普通阳极4.62.03.5 34.52.43.0 44.52.04.0 从图 8 和表 2 可以看出,普通阳极底掌处有一层 大尺寸气膜,但在倒角长度为 3 cm 的阳极底掌出现了 一层中等尺寸的气膜,但随着倾角长度增大,该层中等 尺寸的气泡平均直径却略有增大。 实验结果验证了阳 极倒角对气泡的排出有一定促进作用,因为倾角的出 现直接导致气泡在阳极底掌的水平距离缩短,气泡更 容易从阳极端部逸出。 但该倾角的作用有一个限度, 即存在一个最佳值,需要通过反复计算来确定。 3 结 论 1) 建立了一种可以刻画各种尺寸的气泡在阳极 底掌行为的多相流模型,完成了模型的理论推导,建立 了相应的网格及计算流程。 2) 在阳极气泡的尺寸分布上,普通阳极底掌为所 有尺寸的气泡覆盖,而倾角与倒角阳极底掌则是小尺 寸为主,且随着倾角或倒角增大,大尺寸气泡在异型阳 极底掌覆盖范围大幅减小;在气泡逸出效果上,由于倒 角阳极的气泡逸出路径要比普通或倾角阳极短,不易 形成局部的大尺寸气泡群,因而倒角阳极的排气效果 要比倾角阳极更好,但倒角长度存在一个最佳值,需要 通过计算优化得到。 参考文献 [1] 国家能源局. 2015 年上半年全国风电并网运行情况[EB/ OL]. 2015-7-27. http∥www.nea.gov.cn/2015-07/27/ c 134451678.htm. (下转第 83 页) 87矿 冶 工 程第 36 卷 万方数据 2) 粗硫酸镍的生产不仅可以降低电解液中镍含 量,还可以脱除其他杂质,对电解液的净化有一定的 益处。 参考文献 [1] 柯 浪,彭映林,郑雅杰. 铜电解液电积脱铜制备高纯阴极铜[J]. 矿冶工程, 2013,33(1)74-78. [2] Weizhi Zeng, Shijie Wang, Michael L Free. Experimental and Simu⁃ lation Studies of Electrolyte Flow and Slime Particle Transport in a Pilot Scale Copper Electrorefining Cell[J]. Journal of the Electro⁃ chemical Society, 2016,163(5)E111-E122. [3] Ana Sofia Varela, Matthias Kroschel, Tobias Reier, et al. Controlling the selectivity of CO2electroreduction on copper The effect of the electrolyte concentration and the importance of the local pH [ J]. Catalysis Today, 2016,2608-13. [4] 翟秀静. 中国金属冶金学[M]. 北京冶金工业出版社, 2014. [5] 朱祖泽,贺家齐. 现代铜冶金学[M]. 北京科学出版社, 2003. [6] 吴 展,李 伟,陈志华,等. 高效萃取剂 AD100 从粗硫酸镍溶液 中回收铜的研究[J]. 矿冶工程, 2013,33(2)105-107. [7] Forsen O, Hettula E, Lillius K. Behaviour of Arsenic, Antimony and Bismuth in the Solidification and Electrolysis of Nickel⁃Oxygen⁃Bear⁃ ing Copper Anodes[C]∥Physical Chemistry of Extractive Metallurgy. Proceedings of an International Symposium Held at the AIME Annual Meeting, 1985353-377. [8] 李志坚. 通电解废液中提取硫酸镍[J]. 江西有色金属, 2007,21 (4)24-26. [9] 金美珊. 膜法电解硫酸镍溶液的实验研究[D]. 兰州兰州交通大 学环境与市政工程学院, 2014. [10] 郭学益,石文堂,李 栋,等. 采用旋流电积技术从电镀污泥中回 收铜和镍[J]. 中国有色金属学报, 2012,20(12)2425-2430. [11] 李大平. 电解法制备硫酸镍工艺研究[J]. 河南化工, 1999(8) 10-12. [12] 欧阳红英. 浓缩冷冻结晶法处理废酸液的应用[J]. 环境与开 发, 2000,15(3)41-42. [13] 姚素平. 电热浓缩法生产粗硫酸镍的工艺与实践[J]. 有色冶金 设计与研究, 1995,16(4)21-27. [14] 余智艳. 蒸汽间接加热浓缩生产粗硫酸镍工艺应用[J]. 有色冶 金设计与研究, 1999,20(1)18-22. [15] 杨立新,黄 凯,郭学益. 蒸发氧化法制备高品质氧化镉粉末 [J]. 矿冶工程, 2003,23(5)63-65. [16] 张均杰,葛晓明. 铜电解脱铜后液提取粗硫酸镍的生产实践[J]. 中国有色冶金, 2011(5)15-18. [17] 苏 峰,李敬忠,李俊标,等. 粗硫酸镍提取工艺及生产实践[J]. 铜业工程, 2014(2)20-22. [18] 唐谟堂,曹 刿. 湿法冶金设备[M]. 长沙 中南大学出版社, 2009. [19] 王 润. 硫酸镍结晶过程的生产控制[J]. 中国有色冶金, 2011 (4)25-27. [20] 李洪贵. 冶金原理[M]. 北京 科学出版社, 2008. [21] 郑平友,余劲松,张淑萍,等. 蒸发结晶系统传热传质规律的研究 [J]. 科学技术与工程, 2006,6(8)1002-1006. [22] 崔忠圻,刘北兴. 金属学与热处理原料[M]. 哈尔滨 哈尔滨工 业大学出版社, 2008. (上接第 78 页) [2] 生意社. 2015 年全球原铝 12 月产量统计[EB/ OL]. 2016-02-14. http∥www.100ppi.com. [3] 国家能源局. 国家能源局发布 2015 年全社会用电量[EB/ OL]. 2016-1-19. http∥www.hzgd.com.cn/ zx/ xw/20160119/2686.html. [4] 杨少华,谢宝如,杨凤丽,等. 铝电解槽阳极气泡行为研究[J]. 有 色金属科学与工程, 2013(3)20-24. [5] 王志刚,赖延清,刘 伟,等. 铝电解阳极气泡行为研究进展[J]. 轻金属, 2007(5)27-31. [6] 李 劼,丁凤其,李民军,等. 预焙铝电解槽阳极效应的智能预报 方法[J]. 中南工业大学学报(自然科学版), 2001,32(1)29- 22. [7] Perron A, Kiss L I, Poncsk S. An experimental investigation of the motion of single bubbles under a slightly inclined surface[J]. Interna⁃ tional Journal of Multiphase Flow, 2006,32(5)606-622. [8] 铁 军,邹建成. 铝电解阳极气泡长大过程的计算机模拟[J]. 计 算机与应用化学, 2002,19(1)172-176. [9] 曾 健. 阳极炭块倒角降低阳极毛耗的实践[J]. 有色冶金节能, 2012,2(1)22-24. [10] 秦晓明,孙海生,崔瑞军. “船形”阳极炭块在预焙电解槽中的应 用[J]. 轻金属, 2009(9)45-46. [11] 刘 伟. 铝电解槽多物理场数学建模及应用研究[D]. 长沙中 南大学冶金科学与工程学院, 2008. [12] 江 南. 若干新型电极结构的铝电解槽物理场仿真研究[D]. 长 沙中南大学冶金与环境学院, 2015. 中国知网版权声明 本刊已许可中国学术期刊(光盘版)电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式 复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。 作者向本刊提交 文章发表的行为即视为同意本刊上述声明。 矿冶工程编辑部 2016 年 12 月 38第 6 期潘 霞等 铜电解脱铜后液除 Ni 并制取粗硫酸镍 万方数据