潘利生，楊 歡，李 博，魏小林，陳紅迪，史維秀

(1.中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

稀土金屬是元素周期表ШB族中鈧、釔、鑭系17種元素的總稱。稀土金屬具有明顯改善材料物理化學(xué)特性的作用，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。我國(guó)是世界上最大的稀土儲(chǔ)備國(guó)，稀土金屬的生產(chǎn)和出口在世界市場(chǎng)占比較大。2018年以來(lái)，我國(guó)稀土金屬及其合金產(chǎn)能超過(guò)10萬(wàn)t[1]，采用熔鹽電解法制備稀土合金具有成本低、易控制、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[2]，但也存在能耗大、產(chǎn)生腐蝕性氣體等問(wèn)題。

隨著電解技術(shù)的發(fā)展，熔鹽電解法制備合金由氯化物電解質(zhì)RECl3-KCl體系逐步轉(zhuǎn)化為氟化物-氧化物電解質(zhì)RE2O3-REF3-LiF體系[3]。氯化物電解體系由于電流效率低、產(chǎn)生大量污染環(huán)境的氯氣等原因逐漸被淘汰，而采用較多的氟化物體系熔鹽電解槽也普遍存在電流效率低、能耗高等問(wèn)題[4]，如氧化釹電解生產(chǎn)金屬釹的理論電耗為1.334 kWh/kg(以Nd計(jì))，但我國(guó)現(xiàn)行的綜合電耗卻在10 kWh/kg左右(以RE-M計(jì))，電能利用率僅為13.34%，遠(yuǎn)低于電解鋁工藝中的電能利用率[5]。研究表明，電解槽電能利用率不高的主要原因是工藝過(guò)程中向環(huán)境散失了大量輻射余熱和對(duì)流余熱。尹小東等[6]對(duì)3 kA金屬釹電解槽體的散熱量進(jìn)行研究，表明敞口散熱量占總熱量損失的56%。因此，進(jìn)一步研發(fā)新型電解槽及其工藝、高效回收輻射余熱對(duì)稀土電解冶煉工藝節(jié)能降耗具有重要意義。

在降低電解槽電耗方面，龔姚騰等[7]對(duì)10 kA稀土電解槽進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在最佳陰極直徑、陰極插入深度、縱向極間距和橫向極間距的共同作用下，電解槽的電解效率最高。張小聯(lián)等[8]對(duì)低電流密度條件下金屬釹熔鹽電解進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在電解電壓為4.8 V、陰極電流密度為1.39 A·cm時(shí)，平均電流效率可達(dá)85%以上，最高電流率可達(dá)90.6%。李澤全等[9]發(fā)現(xiàn)，采用熔鹽電解法制備金屬Ti時(shí)，在反應(yīng)器中通入氬氣有利于腐蝕性氣體的排除，并且提高了電解效果。彭光懷等[10]進(jìn)行了氟化物熔鹽共電沉積制備Gd-Mg中間合金的試驗(yàn)研究，該工藝技術(shù)制備的合金中稀土含量可達(dá)84%～88%，試驗(yàn)工況下，電流效率最高可達(dá)80%，具有良好的應(yīng)用前景。在冶金工藝余熱回收方面，眾多學(xué)者針對(duì)鋼鐵冶煉工藝的煙氣余熱[11-12]和高溫爐渣余熱[13-15]等開(kāi)展了大量研究，但對(duì)稀土冶煉工藝中電解槽余熱回收的研究還較少。

針對(duì)電解法制備稀土金屬時(shí)大量余能未被利用的問(wèn)題，搭建了模擬電解槽，采用冷卻水與模擬電解槽側(cè)壁進(jìn)行對(duì)流換熱、與模擬電解槽高溫輻射面進(jìn)行輻射換熱，獲得了冷卻水的吸收熱量。采用模擬電解槽進(jìn)行試驗(yàn)研究，較實(shí)際稀土冶煉電解槽更方便，可為研發(fā)稀土冶煉工藝的節(jié)能減排技術(shù)、實(shí)現(xiàn)能源的合理利用提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

稀土冶煉電解槽一般置于一個(gè)單獨(dú)簡(jiǎn)易房?jī)?nèi)，四周封閉，電解槽上部設(shè)有排煙罩，用于收集電解槽上部排出的腐蝕性氣體。圖1為一臺(tái)15 kA稀土冶煉電解槽實(shí)際布置示意，該電解槽實(shí)際運(yùn)行電壓9～10 V，實(shí)際運(yùn)行電流為12 000～13 500 A，采用原料為氧化鐠釹，產(chǎn)物為鐠釹金屬。依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，搭建與該電解槽尺寸相同的模擬槽，采用燃煤放熱獲得相似的槽內(nèi)溫度場(chǎng)，如圖2所示。試驗(yàn)系統(tǒng)還包括輻射熱受熱面、槽壁內(nèi)置換熱管、循環(huán)水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

圖1 15 kA稀土冶煉電解槽實(shí)際布置示意 Fig.1 Actual size of a 15 kA electrolyzer for smelting rare earth

圖2 稀土冶煉電解槽余熱換熱試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system for recovering waste heat from the rare earth smelting electrolyzer

環(huán)境溫度約10 ℃，模擬槽最高模擬溫度為720 ℃，模擬槽側(cè)面外壁溫度為29 ℃，受熱面距離模擬槽頂部高度在0.1～1.2 m。

采用冷卻水與模擬電解槽側(cè)壁進(jìn)行對(duì)流換熱、與模擬電解槽高溫輻射面進(jìn)行輻射換熱，槽壁內(nèi)置管徑為15 mm，換熱管20 m，槽頂受熱面如圖3所示，采用柔性保溫管連接槽壁內(nèi)置水管和受熱面水管。在模擬槽內(nèi)、槽壁進(jìn)水口、中間連接管路和輻射受熱面水管出口處分別設(shè)置K型熱電偶，以測(cè)得槽內(nèi)模擬溫度和不同換熱節(jié)點(diǎn)的水溫，各熱電偶的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀(安捷倫34972A)進(jìn)行采集并傳送到計(jì)算機(jī)。槽內(nèi)換熱管路與輻射受熱面管路間的連接水管用保溫隔熱材料包裹，以減少沿程熱量損失。水流量采用渦輪流量計(jì)測(cè)量。考慮到柔性連接管路為塑料管，水管出水口溫度保持在80 ℃以下。

圖3 受熱面示意Fig.3 Schematic diagram for the heating surface

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

在稀土冶煉模擬槽試驗(yàn)系統(tǒng)中，余熱換熱量由2部分組成：槽壁余熱和槽頂輻射余熱，其計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

由于采用燃煤模擬稀土冶煉電解槽內(nèi)溫度場(chǎng)，槽內(nèi)最高溫度僅能達(dá)到720 ℃，尚低于實(shí)際電解槽真實(shí)槽內(nèi)溫度1 050 ℃，模擬槽側(cè)壁溫度為29 ℃，亦低于實(shí)際電解槽真實(shí)側(cè)壁溫度295 ℃。針對(duì)該問(wèn)題，依據(jù)模擬槽系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算槽壁余熱換熱和槽頂輻射余熱換熱過(guò)程中的換熱系數(shù)，并根據(jù)得到的換熱吸收和實(shí)際電解槽真實(shí)數(shù)據(jù)估算實(shí)際電解槽工作過(guò)程中余熱換熱量。

根據(jù)對(duì)流換熱理論公式，槽壁余熱換熱量還可表示為

(4)

式中，Kwall為槽壁對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃4)；A為槽壁面積，m2；twall為槽壁溫度，℃。

依據(jù)式(4)可計(jì)算試驗(yàn)條件下模擬槽壁余熱換熱時(shí)總的換熱系數(shù)和換熱面積等，然后根據(jù)槽壁總換熱系數(shù)和實(shí)際電解槽真實(shí)溫差，可得到實(shí)際電解槽工作過(guò)程中槽壁余熱換熱量，即

(5)

根據(jù)輻射換熱理論公式，槽頂輻射余熱換熱量還可表示為

(6)

式中，ε為表面發(fā)射率；σb為黑體輻射常數(shù)，取5.67 kW/(m2·℃4)；ttop為電解槽頂面溫度，℃；R為輻射換熱熱阻，m-2。

依據(jù)式(6)可計(jì)算模擬輻射余熱換熱時(shí)的換熱性能，再根據(jù)實(shí)際電解槽頂面真實(shí)溫度，可得到實(shí)際電解槽工作過(guò)程中槽頂輻射余熱換熱量，即

(7)

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬槽余熱換熱量

模擬槽余熱換熱性能試驗(yàn)中，燃煤將模擬槽內(nèi)溫度升至720 ℃，模擬槽外側(cè)壁溫度為29 ℃。圖4為模擬槽槽壁余熱換熱量隨水流量的變化，輻射受熱面與模擬槽頂面距離保持不變時(shí)，槽壁余熱換熱量隨水流量的增大呈上升趨勢(shì)。其主要原因是，隨著水流量增大，槽壁內(nèi)置換熱管路中的水流速顯著升高，對(duì)換熱管內(nèi)壁對(duì)流換熱有增強(qiáng)作用，從而槽壁余熱換熱量顯著增加。冷卻水在管內(nèi)流動(dòng)水流量小于0.139 kg/s時(shí)的雷諾數(shù)小于2 000，屬于層流狀態(tài)；在0.139～0.278 kg/s時(shí)屬于過(guò)渡狀態(tài)；大于0.278 kg/s 時(shí)雷諾數(shù)大于4 000，屬于湍流狀態(tài)。槽壁余熱換熱量主要受對(duì)流換熱系數(shù)、換熱面積和換熱溫差的影響，輻射受熱面與模擬槽頂面距離的變化對(duì)槽壁余熱換熱量影響不大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，輻射受熱面與模擬槽頂面距離為0.2 m時(shí)，水流量為0.285 kg/s時(shí)，槽壁余熱換熱量最高，達(dá)2.256 kW。

圖4 模擬槽槽壁余熱換熱量隨水流量的變化Fig.4 Variation of the heat rate recovered from the wall with the water flow rate

圖5為模擬槽頂面輻射余熱換熱量隨水流量的變化，隨著水流量增大，由于換熱管路內(nèi)對(duì)流換熱增強(qiáng)，輻射余熱換熱量亦呈上升趨勢(shì)，但輻射受熱面與模擬槽頂面距離對(duì)輻射余熱換熱量的影響更大。隨著輻射受熱面趨近模擬槽頂面，輻射余熱換熱量迅速增大，其主要原因在于兩表面間的輻射換熱量?jī)H為角系數(shù)的函數(shù)，而角系數(shù)是一個(gè)僅取決于兩換熱面面積的大小和相對(duì)位置的純粹的幾何量[16]。本試驗(yàn)系統(tǒng)中模擬槽頂面與輻射受熱面平行，且面積固定不變，兩表面趨近，角系數(shù)增大，輻射換熱量也隨之增大。輻射受熱面距離模擬槽頂面0.1 m時(shí)，輻射受熱面獲得的余熱量最大，在水流量為0.292 kg/s 的工況中，輻射余熱換熱量最大可達(dá)19.541 kW；輻射受熱面距離模擬槽頂面1.2 m時(shí)，輻射余熱換熱量最小，在水流量為0.031 kg/s的工況中，輻射受熱面僅能獲得熱量0.41 kW。

圖5 模擬槽頂面輻射余熱換熱量隨水流量的變化Fig.5 Variation of the radiant heat rate recovered from the top of wall with the water flow rate

圖6為不同工況時(shí)模擬槽總余熱換熱量的變化規(guī)律，與模擬槽頂面輻射余熱換熱量的變化規(guī)律相似，這主要是由于輻射距離對(duì)槽壁余熱換熱量影響較小，對(duì)輻射余熱換熱量影響顯著，而輻射余熱換熱量在總余熱換熱量中占比較高，輻射余熱起主導(dǎo)作用。以輻射受熱面與模擬槽頂面距離0.8 m、水流量0.138 9 kg/s和距離0.2 m、水流量0.236 kg/s兩個(gè)工況為例，其輻射余熱換熱量分別為2.37 kW和14.39 kW，分別占總余熱換熱量的61.9%和88.0%。輻射受熱面距離模擬槽頂面0.1 m、水流量為0.292 kg/s時(shí)，總余熱換熱量最高可達(dá)21.114 kW；輻射受熱面距離模擬槽頂面1.2 m、水流量為0.031 kg/s時(shí)，總余熱換熱量最低為1.35 kW。

圖6 模擬槽總余熱換熱量隨水流量的變化Fig.6 Variation of the total heat rate recovered with the water flow rate

2.2 電解槽實(shí)際工況余熱換熱量的推算

實(shí)際電解槽與模擬槽的結(jié)構(gòu)尺寸相同，依據(jù)模擬槽余熱換熱性能和電解槽實(shí)際工況參數(shù)，結(jié)合對(duì)流換熱理論公式將相同水流量下的實(shí)際電解槽槽壁余熱換熱量按式(5)進(jìn)行推算，結(jié)果如圖7所示。推算得到的電解槽實(shí)際工況下槽壁余熱換熱量與模擬槽的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，但具體數(shù)值大幅上升，其原因在于模擬槽的外壁溫度與實(shí)際工況相差仍較大，在推算時(shí)需充分考慮實(shí)際工況與模擬工況的溫度差別。推算工況中，槽壁余熱換熱量最大可達(dá)38.87 kW。

圖7 電解槽實(shí)際工況下槽壁余熱換熱量隨水流量的變化Fig.7 Variation of the heat rate recovered from the wall with the water flow rate under actual condition

根據(jù)輻射換熱理論公式將相同水流量下的實(shí)際電解槽輻射余熱換熱量按式(7)進(jìn)行推算，結(jié)果如圖8所示，推算得到的電解槽實(shí)際工況下輻射余熱換熱量與模擬槽的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，具體數(shù)值亦大幅上升。推算得到的電解槽實(shí)際工況下輻射余熱換熱量最高可達(dá)52.796 kW，最小僅為1.299 kW。

圖8 電解槽實(shí)際工況下輻射余熱換熱量隨水流量的變化Fig.8 Variation of the radiant heat rate recovered with the water flow rate under actual condition

基于上述推算得到的電解槽實(shí)際工況下槽壁余熱換熱量和輻射余熱換熱量，得到的總余熱換熱量推算值如圖9所示。總余熱換熱量隨水流量的增加呈增大趨勢(shì)。在輻射距離為1.2 ～0.6 m時(shí)，總余熱換熱量沒(méi)有明顯變化，這是由于實(shí)際電解槽的側(cè)壁對(duì)流換熱溫差大，導(dǎo)致側(cè)壁余熱換熱量較大，而兩輻射面間距較大，輻射換熱量小。因此當(dāng)輻射距離較大時(shí)，輻射余熱換熱量在總余熱換熱量的占比較小，槽壁對(duì)流換熱起主要作用。繼續(xù)減小輻射距離，輻射余熱換熱量大幅增加，輻射距離對(duì)總余熱換熱量的影響逐漸顯著。在輻射距離為0.2 m、水流量為0.285 kg/s 時(shí)，總余熱換熱量最大可達(dá)83.237 kW，占電解槽總電耗的55.5%。

圖9 電解槽實(shí)際工況下總余熱換熱量隨水流量的變化Fig.9 Variation of the total heat rate recovered with the water flow rate under actual condition

3 結(jié) 論

1)槽壁余熱換熱量隨水流量的增大呈上升趨勢(shì)，水流量對(duì)槽壁余熱換熱量的影響強(qiáng)于輻射受熱面與模擬槽頂面距離對(duì)其的影響。在試驗(yàn)條件下，模擬槽輻射受熱面距離模擬槽頂面0.2 m、水流量為0.285 kg/s時(shí)，槽壁余熱換熱量最大可達(dá)2.256 kW。

2)輻射余熱換熱量隨輻射受熱面與電解槽頂面距離的減小迅速增大。對(duì)于輻射余熱換熱量，輻射受熱面與模擬槽頂面距離的影響顯著強(qiáng)于水流量的影響。其中輻射受熱面距離模擬槽頂面為0.1 m、水流量為0.292 kg/s時(shí)，輻射余熱換熱量與總余熱換熱量達(dá)到最大值，分別為19.541 kW和21.114 kW。

3)隨著輻射距離的減小，影響總余熱換熱量的主要因素由槽壁對(duì)流換熱轉(zhuǎn)變?yōu)閮奢椛涿骈g的換熱?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)得到的余熱換熱系統(tǒng)性能和電解槽實(shí)際工況參數(shù)，推算得到電解槽實(shí)際工況參數(shù)下，總余熱換熱量最大可達(dá)83.237 kW，占電解槽總電耗的55.5%。