金屬鋰電解槽熱平衡計算

陳悅娣

（新疆昊鑫鋰開發有限公司 烏魯木齊 830006）

金屬鋰電解槽熱平衡計算

陳悅娣

（新疆昊鑫鋰開發有限公司 烏魯木齊 830006）

通過細致的計算，對金屬鋰電解過程中，電解槽獲得的電能和損失的熱量進行了詳細分析，并完成了金屬鋰電解槽熱平衡計算。通過電解槽熱損失及熱平衡計算，可以為金屬鋰生產企業分析電能消耗的原因、采取有效措施提高電流效率提供依據，也可為鋰冶煉廠的電解槽設計提供參考。

金屬鋰 電解槽 熱量 計算

1 前言

目前，工業生產金屬鋰最普遍的方法為氯化鋰-氯化鉀熔鹽電解法，以熔融的氯化鋰和氯化鉀作為原料，在420℃溫度下電解，陽極析出氯氣并進行吸收處理后達標排放，陰極析出的金屬鋰導出后鑄錠得到金屬鋰。生產金屬鋰的主要設備為電解槽，以石墨為陽極，鐵板為陰極。

用電成本是電解金屬鋰生產成本中除氯化鋰原料以外所占比例最大的部分，對電解過程電能的消耗進行系統分析，可以幫助我們對做無用功的電能消耗進行有效控制，減少能量損失、提高電流效率，從而降低電解金屬鋰的生產成本。

2 計算前的準備

⑴以18 000 A電解槽槽型為例（實際生產電流為15 000 A），時間按每小時計算。

⑵氯化鋰熔鹽電解生產金屬鋰的反應方程式：

金屬鋰的產能=0.259×15 000=3 885 g（或560 mol）

氯氣產能=280 mol

氯化鋰的消耗量=560 mol

⑶氯化鋰的熔點為605℃，氯化鉀的熔點為770℃，氯化鋰和氯化鉀的共熔點為420℃[1]（實際生產中，電解槽中電解質溫度控制在420℃～440℃）。

⑷陰陽極有效面積（陰陽極直對部分的面積）：

⑸電流密度：

①電極電流強度I=15 000/4=3 750 A

⑹電阻：

①陽極電阻：

陽極為石墨，電阻率ρ=0.0008（Ω·cm2/cm）

②陰極電阻：

陰極為鑄鐵結構（含碳量0.45%），導電率ρ0=0.143（Ω·mm2/m）

⑺計算過程中的Cp、△H、S等熱力學數據見[2]。

⑻耐火磚的導熱系數為0.6 kcal/m2·h·℃、鋼板的導熱系數為39 kcal/m2·h·℃、石棉瓦的導熱系數為0.1 kcal/m2·h·℃、石墨的導熱系數為4.21 kcal/m2·h·℃[3]。

3 電解槽獲得總熱量的計算

3.1 槽體電壓

包括分解電壓、陽極棒電壓降、陰極電壓降、陽極棒與陰極托盤間電壓降、電解質電壓降5個部分。

（1）分解電壓E分解=3.722(V)[4]，所做的功為有用功（為電解反應提供電能）：

產生的熱量:Q=U?I?t=3.722?15 000?3 600?0.24/1000=48237.1（kcal）

（2）做無用功的電壓包括：

①陽極棒電壓降：

②陰極電壓降：

③陽極棒與陰極托盤間電壓降：0.1(V)

④電解質電壓降：ρ=1/1.57=0.637 Ω-1cm-1

做無用功的總壓降U=E++E-+0.1+E電解質=0.548+0.124+0.1+1.789=2.561（V）

產生的熱量：Q=U?I?t=2.561?15 000?3 600?0.24/1000=33190.6（kcal）

4 電解槽損失熱量的計算

⑴電解產生的金屬鋰從電解槽移走，帶走的熱量由3個部分組成：

①液態金屬鋰從420℃降至181℃，損失的熱量：

②181℃(454 K)溫度下，液態金屬鋰變為固態金屬鋰，發生相變釋放的熱量：

③固態金屬鋰從181℃降至35℃（操作間的室內溫度），釋放的熱量:金屬鋰帶走的總熱量=Q1+Q2+Q3=950.3+397.6+528.0=1875.9 kcal

⑵熔融氯化鋰消耗的熱量由3個部分組成:

①固態氯化鋰從t=35℃（308K）升至t=352℃(625K),吸收的熱量:

②在352℃溫度下，固態氯化鋰變為液態氯化鋰，發生相變吸收的熱量：

③液態氯化鋰從352℃(625 K)升至420℃(693 K)，吸收的熱量：

熔融氯化鋰吸收的總熱量=Q1+Q2+Q3=2 219+2 654.4+611.2=5 484.6（kcal）

⑶氯氣帶走的熱量：電解過程產生的氯氣從煙道排出時帶走的熱量：

⑷電解反應補償束縛能吸收的熱量：

2 LiCl=2Li+Cl2（電解質溫度420℃，即T=693 K）電解反應的熵變計算：

補償束縛能消耗的熱量Q=m?T?S電解反應=0.28?693?29.44=5712.53(kcal)

⑸槽體熱損失[5]:

①上槽側殼:鋼板厚32 mm、耐火磚厚120 mm、石棉瓦厚5 mm。

A.熱傳導計算：

計算出上槽側殼導熱系數：3.9934(kcal/m2·h·℃)

B.熱對流和熱輻射：

對于絕對黑體C=4.96，磚與磚C=3.5-3.9[3]

繪制槽體導熱與槽殼溫度關系曲線，繪制對流輻射熱與槽殼溫度關系曲線，兩條直線的交點為：t側殼=122℃，對應 Q對流+Q輻射=Q導熱=7 291.368 kcal。即上槽殼熱損失：7 291.368 kcal。

（2）下槽側殼：鋼板厚32 mm、耐火磚厚356 mm、石棉瓦厚5 mm。

計算下槽殼導熱系數：1.5524(kcal/m2·h·℃)

繪制溫度與對槽體導熱、溫度與對流輻射熱的關系曲線，2條直線的交點為t側殼=81℃，此時，Q對流+Q輻射=Q導熱=526 kcal/m2

下槽殼熱損失：

（3）下槽底：鋼板厚16 mm、耐火磚厚335 mm、石棉瓦厚5 mm。

求得槽底導熱系數：1.6428(kcal/m2·h·℃)

繪制溫度與槽體導熱、溫度與對流輻射熱的關系曲線，兩條直線的交點為：t底殼=79 ℃，此時，Q對流+Q輻射=Q導熱=563 kcal/m2

下槽底熱損失Q=526?S底殼=563?3.59=2 021.17 kcal（4）石墨托底：鋼板厚16 mm、石墨厚475 mm

計算托底的導熱系數λ=8.835(Kcal/m2·h·℃)

繪制溫度與槽體導熱、溫度與對流輻射熱的關系曲線，兩條直線的交點為：t=171℃，對應槽底殼熱損失Q對流+Q輻射=Q導熱=2 230 kcal

（5）槽體上部散熱：計算方法同(1)

實際測量槽體上部溫度t=160℃，則槽體上部散熱損失

5 電解槽熱平衡計算

（1）電解槽獲得的總熱量中，發熱電能33190.6kcal。

（2）電解槽損失的總熱量：①金屬鋰帶走的總熱量1875.9 kcal；②熔融氯化鋰吸收的總熱量5 484.6 kcal；③氯氣帶走的熱量919.5 kcal；④補償束縛能5 712.5 kcal；⑤槽體散熱17 686.9 kcal；熱量損失合計31679.4 kcal。

（3）熱量收支差：1 511.2 kcal（收支偏差為4.6%）。

6 結束語

根據電解槽熱平衡計算，可以判斷電解槽電能收支基本平衡。

參照以上計算，金屬鋰生產企業可以對造成電解槽熱量損失的原因進行分析和計算，采取控制氯化鋰與氯化鉀的加入比例、降低電解質溫度、選擇合適的電解槽材質、加強電解槽保溫、選擇適當的添加劑降低電解質粘度等措施，最終實現提高電流效率，降低金屬鋰生產成本的目的。

文中列出的計算方法和計算數據可為鋰冶煉廠的電解槽設計提供參考，通過計算，確定陰陽極尺寸、極間距以及電解槽規格，實現電解槽的低電耗生產。

[1]楊綺琴,劉冠昆.低價鈦離子在氯化鈉-氯化鉀和氯化鋰-氯化鉀熔體中的電化學行為[J].高等學校化學學報.1984,02.

[2]葉大倫.實用無機物熱力學數據手冊.冶金工業出版社，1982,2.

[3]中國石化上海線工程有限公司.化工工藝手冊(第3版).化學工業出版社，2003,8,1.

[4]陸原爾.鋰電解理論分解電壓計算點滴.新疆有色金屬,1992,01.

[5]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊(第4版).化學工業出版社；2009,9.

收稿：2013-07-25