RU2092618C1

RU2092618C1 - Intensified magnesium and chlorine producing electrolyzer

Info

Publication number: RU2092618C1
Application number: RU95119275A
Authority: RU
Inventors: Н.М. Зуев; Г.В. Мельникова; А.А. Щелконогов; Н.К. Жуланов; В.М. Агапов; Н.А. Белкин
Original assignee: Акционерное общество "Соликамский магниевый завод"
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 1997-10-10

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy. SUBSTANCE: electrolyzer having steel housing, refractory lining on walls and bottom, electrolytic compartments with cathode and anode in them equipped with power cables, compartments for separating and collecting magnesium, barriers between electrolytic and separation compartments, is provided with horizontal and/or vertical cooling channels located in lining and/or in heat insulation of vertical walls of electrolyzer. EFFECT: improved heat removal. 7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству магния электролитическим способом. The invention relates to non-ferrous metallurgy, and in particular to the production of magnesium by the electrolytic method.

В магниевом производстве широкое распространение получили электролизеры бездиафрагменного типа, достаточно подробно рассмотренные в монографиях О.А. Лебедева "Производство магния электролизером", М. Металлургия, 1988, с. 195-199 и А. И. Иванова, М.Б. Ляндреса, О.В. Прокофьева "Производство магния", М. Металлургия, 1979, с. 158-162. In magnesium production, electrolyzers of the diaphragm-free type, which are considered in sufficient detail in O.A.'s monographs, are widely used. Lebedeva "Production of magnesium by an electrolyzer", M. Metallurgy, 1988, p. 195-199 and A.I. Ivanova, M.B. Landres, O.V. Prokofiev "Production of magnesium", M. Metallurgy, 1979, p. 158-162.

Для бездиафрагменных электролизеров характерны низкие плотности тока, обычно равные 0,2-0,33 А/см². (В диафрагменных электролизерах плотности тока достигали 0,65-0,7 А/см²). Попытки работать при более высоких плотностях тока обычно сопровождаются перегревом электролита и снижением выхода магния и хлора по току. Общепризнанным является мнение, что интенсификация магниевых электролизеров требует дополнительного отвода тепла. Эта задача решается путем охлаждения отдельных элементов электролизеров, однако проблема интенсификации магниевых электролизеров до сего времени удовлетворительного решения не имела.Non-diaphragm electrolyzers are characterized by low current densities, usually equal to 0.2-0.33 A / cm ² . (In diaphragm electrolyzers, current densities reached 0.65-0.7 A / cm ² ). Attempts to operate at higher current densities are usually accompanied by overheating of the electrolyte and a decrease in the current output of magnesium and chlorine. It is generally accepted that the intensification of magnesium electrolysis cells requires additional heat removal. This problem is solved by cooling the individual elements of the electrolytic cells, however, the problem of the intensification of magnesium electrolytic cells has not yet had a satisfactory solution.

Известен магниевый электролизер (авт. св. N 377416, кл. C 22 D 3/02, 1973; Б. И. 1973, N 18, c. 58), в котором стенки электролизера охлаждаются разъемными водоохлаждающими рубашками. Такое решение противоречит требованиям техники безопасности для электролизных цехов магниевого производства (прорыв воды может привести к взрывам, потере электроизоляции, ускоренной коррозии металлических конструкций и оборудования). Его эффективность незначительна, так как между рубашкой и кожухом электролизера сохраняется воздушная прослойка, ограничивающая теплопередачу. Known magnesium electrolyzer (ed. St. N 377416, class C 22 D 3/02, 1973; B.I. 1973, N 18, p. 58), in which the walls of the cell are cooled by detachable water-cooling jackets. This solution contradicts the safety requirements for the electrolysis shops of magnesium production (water breakthrough can lead to explosions, loss of electrical insulation, accelerated corrosion of metal structures and equipment). Its effectiveness is insignificant, since an air gap is retained between the jacket and the casing of the cell, limiting heat transfer.

Известно авт. св. N 507669, кл. C 25 C 3/04, 1976, Б.И. 1976, N 11, c. 92, согласно которому в перекрытии электролизера выполняются каналы охлаждения, примыкающие к общему коллектору. Утверждается, что такое решение обеспечивает снижение температуры расплава. Для восстановления оптимального температурного режима требуется повышение силы тока, что способствует интенсификации процесса электролиза. It is known auth. St. N 507669, cl. C 25 C 3/04, 1976, B.I. 1976, N 11, c. 92, according to which in the overlap of the electrolyzer are cooling channels adjacent to the common collector. It is argued that such a solution provides a decrease in the temperature of the melt. To restore the optimal temperature regime requires an increase in current, which contributes to the intensification of the electrolysis process.

Известно решение, предусматривающее выполнение перекрытия электролизера с внутренними полостями для подачи охлаждающего воздуха (авт.св. N 513120, кл. C 25 C 3/04, 1976, Б.И. 1976, N 17, c. 100). A solution is known, providing for the overlapping of the cell with internal cavities for supplying cooling air (ed.St. N 513120, class C 25 C 3/04, 1976, B.I. 1976, N 17, p. 100).

Недостатком решения по авт. св. N 507669 и 513120 является их низкая эффективность, поскольку тепло отбирается от элементов перекрытия, отделенных от расплава газовой фазой. Охлаждаемая газовая фаза (анодный хлоргаз) непрерывно удаляется из электролизера, не оказывая существенного влияния на температуру электролита. The disadvantage of the decision by ed. St. N 507669 and 513120 is their low efficiency, since heat is taken from the overlap elements separated from the melt by the gas phase. The cooled gas phase (anode chlorine gas) is continuously removed from the electrolysis cell, without significantly affecting the temperature of the electrolyte.

Известен электролизер по авт. св. N 382748, кл. C 22 D 3/02, 1973, Б.И. N 23, 1973, c.82, у которого залитые чугуном головки анодов расположены в подине, а между головок размещены выведенные через кожух и открытые с торцов каналы. Known electrolyzer according to ed. St. N 382748, cl. C 22 D 3/02, 1973, B.I. N 23, 1973, p. 82, in which the cast iron heads of the anodes are located in the hearth, and between the heads placed channels removed through the casing and open from the ends.

Эксплуатация опытных образцов электролизеров с охлаждаемой подиной показала, что на подине интенсивно образуется настыль. Известно, что появление настыли возможно и без охлаждения подины. Охлаждение же усиливает этот процесс. Особенно быстро настыль развивается при накапливании на подине шлама, который уменьшает поступление к подине тепла: температурный перепад в слое шлама составляет 8-11^oC/см шлама. При расположении охлаждающих каналов в подине вероятна ее пропитка солями и выход каналов из строя. Следует учитывать, что подина является наиболее массивным элементом магниевого электролизера. Ее толщина достигает 700 800 мм, что ограничивает возможности отвода тепла от электролита.The operation of prototypes of electrolyzers with a cooled hearth showed that on the bottom intensively formed overlay. It is known that the appearance of accretion is possible without cooling the hearth. Cooling enhances this process. Particularly quickly, the deposit develops when sludge accumulates on the bottom of the sludge, which reduces the heat input to the bottom of the sludge: the temperature difference in the sludge layer is 8-11 ^o C / cm3 of sludge. When the cooling channels are located in the hearth, it is likely to be saturated with salts and the channels to fail. It should be borne in mind that the hearth is the most massive element of a magnesium electrolyzer. Its thickness reaches 700 800 mm, which limits the possibility of heat removal from the electrolyte.

Как видно из анализа вышеприведенных аналогов, все они решают частные задачи по охлаждению отдельных элементов электролизеров, поэтому проблема интенсификации магниевых электролизеров до сего времени удовлетворительного решения не имела. As can be seen from the analysis of the above analogues, all of them solve particular problems of cooling individual elements of electrolytic cells, therefore, the problem of intensification of magnesium electrolytic cells has not yet had a satisfactory solution.

В качестве прототипа принят электролизер, подробно рассмотренный в монографии О.А. Лебедева "Производство магния электролизером", М. Металлургия, 1988, с. 196 199. As a prototype adopted the electrolyzer, discussed in detail in the monograph O.A. Lebedeva "Production of magnesium by an electrolyzer", M. Metallurgy, 1988, p. 196 199.

Электролизер включает в себя кожух, аноды, катоды, сборную ячейку, электролизную ячейку, футеровку, перегородки, катодные штанги, отсос анодного хлоргаза и сантехнический отсос из сборной ячейки. The electrolyzer includes a casing, anodes, cathodes, a prefabricated cell, an electrolytic cell, a lining, partitions, cathode rods, an anode chlorine gas suction and a plumbing suction from a prefabricated cell.

Основными недостатками такого электролизера являются: трудность теплового регулирования; длительность пускового перевода, в течение которого электролизер работает с низкими технологическими показателями; разрушение футеровки в местах выхода катодных штанг; длительность и сложность ремонта. Вследствие разрушения футеровки в местах ввода катодных штанг происходит деформация катодов, приводящая к коротким замыканиям и к снижению выхода по току. The main disadvantages of such an electrolyzer are: the difficulty of thermal regulation; the duration of the start-up transfer, during which the cell operates with low technological parameters; destruction of the lining in the places where the cathode rods exit; the duration and complexity of the repair. Due to the destruction of the lining at the points of entry of the cathode rods, cathodes are deformed, leading to short circuits and to a decrease in current efficiency.

Техническим результатом изобретения является интенсифицированный электролизер с высокой надежностью его эксплуатации. The technical result of the invention is an intensified electrolyzer with high reliability of its operation.

Для достижения технического результата интенсифицированный электролизер для получения магния и хлора, включающий стальной кожух, огнеупорную футеровку стенок и подины, электролитические отделения с размещенными в них анодами и катодами, с токоподводами к ним, отделения для сепарации и накапливания магния, перегородки между электролитическими и сепарационными отделениями, снабжен горизонтальными и/или вертикальными охлаждающими каналами, расположенными в футеровке и/или теплоизоляции вертикальных стенок электролизера. To achieve a technical result, an intensified electrolyzer for producing magnesium and chlorine, including a steel casing, refractory lining of walls and hearths, electrolytic compartments with anodes and cathodes placed in them, with current leads to them, compartments for the separation and accumulation of magnesium, partitions between electrolytic and separation compartments is equipped with horizontal and / or vertical cooling channels located in the lining and / or thermal insulation of the vertical walls of the cell.

Дополнительными отличиями электролизера являются:
расположение горизонтальных охлаждающих каналов в футеровке стенок электролизера выше катодных токоподводов и объединение их общим подводом и отводом воздуха;
заливка горизонтальных охлаждающих каналов в общий бетонный блок, размещенный в футеровке, прилежащей к кожуху электролизера;
расположение вертикальных охлаждающих каналов между катодными токоподводами;
расположение охлаждающих каналов от контактирующей с расплавом поверхности стенки электролизера на 0,5-1,0 толщины футеровки;
выполнение верхнего пояса футеровки, расположенного выше катодных экранов, частично или полностью из материала с высокой теплопроводностью, например из фторфлогопита или графита;
присоединение охлаждающих каналов к источнику охлаждающего воздуха, например к линии приточной вентиляции.Additional features of the electrolyzer are:
the location of the horizontal cooling channels in the lining of the walls of the cell above the cathode current leads and combining them with a common supply and exhaust air;
pouring horizontal cooling channels into a common concrete block placed in a lining adjacent to the casing of the cell;
the location of the vertical cooling channels between the cathode current leads;
the location of the cooling channels from the surface of the electrolyser wall in contact with the melt by 0.5-1.0 lining thicknesses;
the implementation of the upper lining belt located above the cathode screens, partially or completely from a material with high thermal conductivity, for example, fluoroflogopite or graphite;
connecting the cooling channels to a source of cooling air, for example, to the supply ventilation line.

Совокупность всех отличительных признаков служит интенсификации процесса электролиза магния, так как предусмотренный отвод тепла позволяет повысить мощность электролизера при сохранении его габаритов и увеличить срок службы электролизера в результате меньшего разрушения охлаждаемого пояса футеровки. The combination of all the distinguishing features serves to intensify the process of magnesium electrolysis, since the provided heat removal allows to increase the capacity of the electrolyzer while maintaining its dimensions and to increase the service life of the electrolyzer as a result of less destruction of the cooled lining belt.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез предлагаемого электролизера с горизонтальными каналами; на фиг. 2 тот же электролизер, продольный разрез через каналы; на фиг. 3 поперечный разрез электролизера с вертикальными каналами. In FIG. 1 shows a cross section of the proposed cell with horizontal channels; in FIG. 2 the same electrolyzer, a longitudinal section through the channels; in FIG. 3 cross section of a cell with vertical channels.

На чертежах показаны стальной кожух 1, футерованный огнеупорным материалом шамотом 2, перегородка 3, разделяющая внутреннее пространство электролизера на отделение 4, предназначенное для размещения анодов 5 и катодов 6, и на отделение 7 для сепарации и накапливания магния. Аноды введены в рабочее пространство через перекрытие 8. Ток к катодам поступает по токоподводам 9, выведенным через стенки электролизера. The drawings show a steel casing 1, lined with refractory material with chamotte 2, a partition 3, dividing the inner space of the cell into a compartment 4 designed to accommodate anodes 5 and cathodes 6, and into a compartment 7 for the separation and accumulation of magnesium. The anodes are introduced into the working space through the overlap 8. The current to the cathodes enters through current leads 9 output through the walls of the cell.

Для съема тепла в верхней части стенок электролизера выполнены горизонтальные каналы 10, расположенные выше уровня катодных токоподводов 9. Каналы могут быть вынесены и за пределы футеровки в зону теплоизоляционной засыпки 11. Для упрощения монтажа электролизера и повышения теплосъема каналы залиты в общий бетонный блок 12. С целью интенсификации отвода тепла от расплава участки футеровки 13, расположенные напротив каналов 10 и обращенные внутрь электролизера, выполнены из материалов с повышенной теплопроводностью, например из фторфлогопита или графита. To remove heat in the upper part of the walls of the electrolytic cell, horizontal channels 10 are located located above the level of the cathode current leads 9. The channels can also be carried outside the lining into the heat-insulating filling zone 11. To simplify the installation of the electrolyzer and increase heat removal, the channels are filled into a common concrete block 12. С In order to intensify the heat removal from the melt, the sections of the lining 13, located opposite the channels 10 and facing the inside of the cell, are made of materials with increased thermal conductivity, for example, fluorophlogopi and or graphite.

Поступление охлаждающих агентов (воздуха, газовых смесей, масел и др.) в горизонтальные каналы принудительное. The intake of cooling agents (air, gas mixtures, oils, etc.) into the horizontal channels is forced.

Вертикальные охлаждающие каналы 14 располагаются в футеровке стенок или в теплоизоляционной засыпке. Они имеют открытые входы 15 и выходы 16 или могут быть объединены общими коллекторами (на фиг. 3 коллекторы не показаны). При открытых входах у вертикальных каналов их охлаждение обеспечивается аэрационными процессами и возможно без принудительной подачи охлаждающей среды в каналы. Vertical cooling channels 14 are located in the lining of the walls or in the heat-insulating backfill. They have open entrances 15 and exits 16 or can be combined by common collectors (collectors are not shown in FIG. 3). With open entrances at the vertical channels, their cooling is provided by aeration processes and is possible without forcing the cooling medium into the channels.

Преимуществом предложенных решений является, кроме интенсификации работы электролизера, понижение температуры тех участков футеровки, которые постоянно омываются потоками электролита. В результате охлаждению подвергается непосредственно электролит, а не газовая среда, как в известных решениях, что интенсифицирует теплообмен. Активная циркуляция расплава, омывающего зоны охлаждения, исключает образование настылей, которые активно развиваются при известных способах охлаждения подины электролизера, когда под слоем шлама обмен расплава отсутствует, а сам шлам ограничивает доступ тепла к подине. The advantage of the proposed solutions is, in addition to intensifying the operation of the electrolyzer, lowering the temperature of those sections of the lining, which are constantly washed by the electrolyte flows. As a result, the electrolyte is directly cooled, and not the gas medium, as in the known solutions, which intensifies the heat transfer. Active circulation of the melt washing the cooling zone eliminates the formation of crusts, which are actively developed by the known methods of cooling the bottom of the cell, when there is no melt exchange under the layer of sludge, and the sludge itself limits the heat access to the bottom.

Незначительная толщина футеровки боковых стенок (она в 2 3 раза меньше толщины подины) способствует теплосъему, а использование в зоне охлаждения элементов 13 с повышенной теплопроводностью (графит или фторфлогопит) позволяет существенно увеличивать количество отводимого тепла при незначительных габаритах охлаждающих устройств. The insignificant thickness of the lining of the side walls (it is 2 3 times less than the thickness of the bottom) contributes to heat removal, and the use of elements 13 with increased thermal conductivity (graphite or fluoroflogopite) in the cooling zone can significantly increase the amount of heat removed with small dimensions of the cooling devices.

Заливка охлаждающих каналов 10 в бетонные блоки 12 позволяет:
а) упростить монтаж электролизеров;
б) повысить теплосъем с единицы поверхности канала в 1,5 2 раза;
в) сохранить работоспособность каналов 10 даже при разрушении их металлических конструкций;
г) понизить температуру верхнего пояса электролизера и уменьшить разрушение футеровки, контактирующей с расплавом.Pouring cooling channels 10 into concrete blocks 12 allows:
a) to simplify the installation of electrolyzers;
b) increase heat removal from a unit surface of the channel by 1.5 2 times;
c) maintain the operability of the channels 10 even when their metal structures are destroyed;
g) lower the temperature of the upper zone of the electrolyzer and reduce the destruction of the lining in contact with the melt.

Таким образом, в соответствии с материалами изобретения при монтаже электролизера, выполняемом известными способами (см. книгу О. А. Лебедева "Производство магния электролизом", М. Металлургия, 1988, c. 202 203), в верхней части стенок электролизера выполняют горизонтальные каналы, например, из металлических труб диаметром не более 1/4 толщины футеровки. Верхний пояс электролизера с охлаждаемыми каналами может быть изготовлен отдельно на специальном стенде в виде готовых бетонных блоков и вставлен в электролизер при монтаже. Thus, in accordance with the materials of the invention, when installing the electrolyzer, performed by known methods (see O. A. Lebedev's book "Production of Magnesium by Electrolysis", M. Metallurgy, 1988, p. 202 203), horizontal channels are made in the upper part of the walls of the electrolyzer , for example, from metal pipes with a diameter of not more than 1/4 of the thickness of the lining. The upper zone of the electrolyzer with cooled channels can be made separately on a special stand in the form of ready-made concrete blocks and inserted into the electrolyzer during installation.

Заявленный электролизер работает следующим образом. The claimed cell operates as follows.

После сушки электролизер заполняют электролитом и включают постоянный ток. При достижении расплавом уровня каналов 10 в них начинают подавать охлаждающий агент, например воздух, количество которого регулируется шиберами. Нагретый воздух из каналов передается потребителям. Потери тепла с воздухом компенсируются повышением силы тока на электролизере. Кроме воздуха в качестве охлаждающего агента могут быть применены различные жидкости: вода, минеральные масла, парафин и другие. After drying, the cell is filled with electrolyte and a direct current is turned on. When the melt reaches the level of channels 10, they begin to supply a cooling agent, for example air, the amount of which is regulated by gates. Heated air from the channels is transmitted to consumers. Heat loss with air is compensated by an increase in the current strength on the cell. In addition to air, various liquids can be used as a cooling agent: water, mineral oils, paraffin and others.

Благодаря непрерывному омыванию охлаждаемых участков стенок восходящими газожидкостными потоками, образование настылей на стенках исключено. Не представляет опасности и неравномерность охлаждения каналов, так как непрерывная рециркуляция расплава обеспечивает выравнивание температуры расплава во всем объеме электролизера. Due to the continuous washing of the cooled sections of the walls with ascending gas-liquid flows, the formation of accretions on the walls is excluded. The non-uniformity of the cooling of the channels is also not dangerous, since continuous recirculation of the melt ensures equalization of the temperature of the melt throughout the entire cell volume.

Выполненные расчеты, показали, что предусмотренный отвод тепла позволяет повысить мощность электролизера на 25 40% сохранив его габариты. The performed calculations showed that the provided heat removal allows increasing the capacity of the electrolyzer by 25–40% while maintaining its dimensions.

Срок службы электролизера в результате меньшего разрушения охлаждаемого верхнего пояса футеровки увеличивается на 14 18 месяцев. The life of the electrolyzer as a result of less destruction of the cooled upper lining belt is increased by 14-18 months.

Реализация предложенного решения возможна как на электролизерах с верхним вводом анодов, так и на электролизерах с вводом анодов через подину. Implementation of the proposed solution is possible both on electrolyzers with a top input of anodes, and on electrolyzers with a input of anodes through a bottom.

Claims

1. An intensified electrolyzer for producing magnesium and chlorine, including a steel casing, refractory lining of walls and hearths, electrolytic compartments with anodes and cathodes placed in them with current leads to them, compartments for the separation and accumulation of magnesium, partitions between electrolytic and separation compartments, characterized in that the cell is made with horizontal and / or vertical cooling channels located in the lining and / or in the thermal insulation of the vertical walls of the cell.

2. The cell according to claim 1, characterized in that the horizontal cooling channels in the lining of the walls of the cell are located above the cathode current leads.

3. The cell according to claim 1, characterized in that the horizontal cooling channels are combined by a common concrete block and placed in a lining adjacent to the casing of the cell.

4. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the vertical cooling channels are located between the cathode current leads and have free access to air.

5. The cell according to paragraphs. 1 to 4, characterized in that the cooling channels are connected to a source of cooling agent, for example, to the supply ventilation line.

6. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the cooling channels are removed from the melt-contacting surface of the cell wall by 0.5 to 1.0 lining thickness.

7. The electrolyzer according to claims 1 to 6, characterized in that the lining located above the cathode screens is partially or completely made of materials with high thermal conductivity, for example, fluorophlogopite or graphite.