T/CIECCPA 072-2025 氟化体系稀土熔盐电解槽能量平衡测试与计算方法

氟化体系稀土熔盐电解槽能量平衡测试与计算方法总结

本文档（标准号：T/CIECCPA 072-2025）规定了氟化物体系稀土熔盐电解槽的能量平衡测试与计算方法，适用于6kA规模以上的上插阴阳极敞开式电解槽。文档内容系统全面，涵盖了物料平衡、电压平衡、温度测量、能量平衡计算与分析等方面。以下为详细总结，结构分为多个部分，以确保丰富性和完整性。

1. ​范围与适用性​

• 本文件适用于6kA及以上规模的上插阴阳极敞开式电解槽，规范了其物料、电压及能量平衡的测试与计算方法。
• 测试对象为氟化体系（如氟化物熔盐）中的稀土熔盐电解槽，具体针对稀土金属（如镧、铈等）的电解生产过程。
• 核心目标是为电解槽的能量效率优化提供标准化的测试框架和计算依据。

2. ​规范性引用文件​

• 文档引用多项国家标准和行业标准，确保测试方法的兼容性和准确性：
  • ​GB/T 8170​：数值修约规则与极限数值的标识和判定，用于数据处理。
  • ​GB/T 15676​：稀土术语，提供基础定义。
  • ​YS/T 481-2005​：铝电解槽能量平衡测试方法，作为参考基础（五点/六点进电预焙槽）。
• 这些引用文件为电解槽的物料、电压和能量平衡计算提供了统一基准。

3. ​关键术语与定义​

文档定义了专用术语以明确概念：

• ​惰性阴极​：仅起导电作用，不参与电化学反应（如钨电极）。
• ​活性阴极​：参与电化学还原反应。
• ​阳极/阴极母线​：连接电源与电极的导电铜或铝排。
• ​稀土总收率​：实际产出金属量与消耗原料（氧化物+氟化物）中稀土总量之比，计算公式为：
  稀土总收率=稀土金属产出量氧化物量折算稀土金属量+氟化物量折算稀土金属量×100%\text{稀土总收率} = \frac{\text{稀土金属产出量}}{\text{氧化物量折算稀土金属量} + \text{氟化物量折算稀土金属量}} \times 100\%稀土总收率=氧化物量折算稀土金属量+氟化物量折算稀土金属量稀土金属产出量​×100%
• ​电单耗​：单位金属产量的耗电量（kWh/t-RE）。
• ​电流效率​：实际金属产出量与理论产出量之比（基于电化当量）。
• ​电能效率​：理论电解能耗与实际能耗之比，用于评价能量利用水平。
  这些术语为后续计算和分析奠定基础。

4. ​物料平衡计算方法​

物料平衡用于量化电解过程的输入输出关系，基于稀土电解总反应式：
RE2O3+31+NC=2RE+3N1+NCO2+3(1−N)1+NCORE_2O_3 + \frac{3}{1+N} C = 2RE + \frac{3N}{1+N} CO_2 + \frac{3(1-N)}{1+N} CORE2​O3​+1+N3​C=2RE+1+N3N​CO2​+1+N3(1−N)​CO
其中，NNN 为阳极气体中 CO2CO_2CO2​ 的体积百分比。

• ​电解槽金属产出量​：
  • 惰性阴极：M=CIηM = CI\etaM=CIη（单位：g/h），其中 CCC 为电化当量，III 为电流强度（A），η\etaη 为电流效率。
  • 活性阴极：M=CIηWREM = \frac{CI\eta}{W_{RE}}M=WRE​CIη​，WREW_{RE}WRE​ 为合金中稀土含量（%）。
• ​稀土氧化物消耗量​：PREO=CREOIηP_{REO} = C_{REO} I\etaPREO​=CREO​Iη（单位：g/h）。
• ​碳消耗量​：
  • 理论最小值：Pc=3×MC4MREP_c = \frac{3 \times M_C}{4 M_{RE}}Pc​=4MRE​3×MC​​（单位：g/t-RE），其中 MCM_CMC​ 和 MREM_{RE}MRE​ 为摩尔质量。
  • 实际 CO2CO_2CO2​ 和 COCOCO 生成量基于气体分析：
    • CO2CO_2CO2​ 生成量：PCO2=3N1+N×4454MP_{CO_2} = \frac{3N}{1+N} \times \frac{44}{54} MPCO2​​=1+N3N​×5444​M 或 PCO2=34(2−1η)×4427MP_{CO_2} = \frac{3}{4}\left(2-\frac{1}{\eta}\right) \times \frac{44}{27} MPCO2​​=43​(2−η1​)×2744​M
    • COCOCO 生成量：PCO=3(1−N)1+N×2854MP_{CO} = \frac{3(1-N)}{1+N} \times \frac{28}{54} MPCO​=1+N3(1−N)​×5428​M 或 PCO=32(1η−1)×2827MP_{CO} = \frac{3}{2}\left(\frac{1}{\eta}-1\right) \times \frac{28}{27} MPCO​=23​(η1​−1)×2728​M
• ​烟气分析​：使用奥氏气体分析仪在集气罩采样点测定 COCOCO 和 CO2CO_2CO2​ 的体积百分比，确保数据准确。
  物料平衡结果需填入标准化表格（如表1），并依据GB/T 8170修约数据。

5. ​电压平衡计算方法​

电压平衡分析电解槽各部分的电压降，总体系压降为：
V体系内=V阳极+V阴极+V分解+V电解质+V结构V_{\text{体系内}} = V_{\text{阳极}} + V_{\text{阴极}} + V_{\text{分解}} + V_{\text{电解质}} + V_{\text{结构}}V体系内​=V阳极​+V阴极​+V分解​+V电解质​+V结构​

• ​阳极压降​：石墨阳极压降与温度相关：
  V阳极=ρtIL2S阳=ρtL2D阳V_{\text{阳极}} = \frac{\rho_t I L}{2 S_{\text{阳}}} = \frac{\rho_t L}{2} D_{\text{阳}}V阳极​=2S阳​ρt​IL​=2ρt​L​D阳​
  其中 ρt\rho_tρt​ 为温度相关电阻率，D阳D_{\text{阳}}D阳​ 为阳极电流密度。
• ​阴极压降​：钨阴极压降计算类似：
  V阴极=ρwL2D阴V_{\text{阴极}} = \frac{\rho_w L}{2} D_{\text{阴}}V阴极​=2ρw​L​D阴​
  钨电阻率随温度变化（见表2）。
• ​电解质压降​：
  V电解质=ρ电解质I2πLln⁡(Rr)=1kDkrln⁡(DkDA)V_{\text{电解质}} = \frac{\rho_{\text{电解质}} I}{2\pi L} \ln\left(\frac{R}{r}\right) = \frac{1}{k} D_k r \ln\left(\frac{D_k}{D_A}\right)V电解质​=2πLρ电解质​I​ln(rR​)=k1​Dk​rln(DA​Dk​​)
  其中 kkk 为电解质电导率，rrr 和 RRR 为阴极和阳极半径。
• ​分解电压​：ET0=−ΔGT0/nFE_T^0 = -\Delta G_T^0 / nFET0​=−ΔGT0​/nF，基于反应吉布斯自由能。
• ​结构压降​：包括母线接点压降，测量点如图1所示（a-b为阳极母线，c-d为阴极母线等），使用压降测试仪实测。
  

电压平衡结果汇总于表4，用于评估电能损失点。

6. ​温度测量方法​

温度测量是能量平衡测试的核心，使用点温计、热电偶、热流计等器具：

• ​槽壳底部​：测温点分布按槽形（圆形或方形）标准化布置。

  ​槽壳侧部​：沿高度每200mm设测温带，共5组。

• ​阴极钨棒​：在铜-钨焊接点测温。
• ​电解质内部​：从液面到内部每200mm设检测平面，每平面3点取平均。

  ​环境温度​：测量炉口、槽体上部、侧面、槽底及烟道端温度，作为散热计算基准。

• 测量精度要求≤5%，确保数据可靠性。

7. ​能量平衡计算方法​

能量平衡以298K（25℃）为基准，计算体系包括热收入与热支出：

• ​能量平衡方程​：
  Q电+Q化=Q熔+Q分+Q散+Q气Q_{\text{电}} + Q_{\text{化}} = Q_{\text{熔}} + Q_{\text{分}} + Q_{\text{散}} + Q_{\text{气}}Q电​+Q化​=Q熔​+Q分​+Q散​+Q气​
• ​热收入​：
  • ​电能产热​：Q电=3.6VIQ_{\text{电}} = 3.6 VIQ电​=3.6VI（单位：kJ/h），VVV 为槽电压。
  • ​化学反应热​：阳极气体与石墨反应放热，基于 COCOCO 和 CO2CO_2CO2​ 生成吉布斯自由能：
    Q化=12ΔG1+ΔG2其中ΔG1=−232.6−0.1678T kJ/mol,ΔG2=−395.39 kJ/molQ_{\text{化}} = \frac{1}{2} \Delta G_1 + \Delta G_2 \quad \text{其中} \quad \Delta G_1 = -232.6 - 0.1678T \, \text{kJ/mol}, \quad \Delta G_2 = -395.39 \, \text{kJ/mol}Q化​=21​ΔG1​+ΔG2​其中ΔG1​=−232.6−0.1678TkJ/mol,ΔG2​=−395.39kJ/mol
• ​热支出​：
  • ​稀土氧化物吸热​：Q熔=mREOMREOqREOQ_{\text{熔}} = \frac{m_{\text{REO}}}{M_{\text{REO}}} q_{\text{REO}}Q熔​=MREO​mREO​​qREO​，qREOq_{\text{REO}}qREO​ 为热容积分。
  • ​分解能耗​：Q分=3.6V分解IQ_{\text{分}} = 3.6 V_{\text{分解}} IQ分​=3.6V分解​I。
  • ​体系散热​：
    • 槽侧壁：Q壁=atF(tw−t)Q_{\text{壁}} = a_t F (t_w - t)Q壁​=at​F(tw​−t)，at=9.8+0.07(tw−t)a_t = 9.8 + 0.07(t_w - t)at​=9.8+0.07(tw​−t)。
    • 槽底：Q底=KF(t2−t1)Q_{\text{底}} = K F (t_2 - t_1)Q底​=KF(t2​−t1​)（传导散热）。
    • 槽上盖：类似侧壁计算。
    • 电解质直接散热：Q盐=CH[(T2100)4−(T1100)4]F+α(T2−T1)FQ_{\text{盐}} = C H \left[\left(\frac{T_2}{100}\right)^4 - \left(\frac{T_1}{100}\right)^4\right] F + \alpha (T_2 - T_1) FQ盐​=CH[(100T2​​)4−(100T1​​)4]F+α(T2​−T1​)F。
      总散热 Q散=Q壁+Q底+Q上+Q盐Q_{\text{散}} = Q_{\text{壁}} + Q_{\text{底}} + Q_{\text{上}} + Q_{\text{盐}}Q散​=Q壁​+Q底​+Q上​+Q盐​。
  • ​阳极气体带走热​：Q气=QCO+QCO2Q_{\text{气}} = Q_{CO} + Q_{CO_2}Q气​=QCO​+QCO2​​，基于气体热容积分。
    计算结果填入表5，用于平衡分析。

8. ​能量平衡分析与评价​

• ​能量利用率评价​：定义为电解有效能量（分解和加热）与输入电能之比，反映过程效率。
• ​平衡分析要求​：
  • 测试误差需控制≤5%（即 ∣ΔQ/∑Q∣×100%≤5%\left| \Delta Q / \sum Q \right| \times 100\% \leq 5\%∣ΔQ/∑Q∣×100%≤5%）。
  • 分析槽结构、工艺条件（如极距、电流密度）对散热分布的影响。
  • 采用类比法对比同类型槽，评价散热损失合理性。
• ​综合评价​：结合槽内形测试和操作制度，提出改进建议（如优化保温或调整电流）。
• ​槽壳温度分布​：根据测温数据，分析最高温度、平均温度及分布规律，评估内衬结构合理性。

9. ​结论​

本文件提供了一套完整的氟化体系稀土电解槽能量平衡测试与计算标准，涵盖物料、电压、温度及能量流量化分析。通过标准化方法，可提升电解槽的能量效率（目标电能效率>50%），减少散热损失。文档强调实测数据的重要性（如气体分析、温度测量），并引用多部国标确保严谨性。最终目标是为稀土冶炼行业的节能降耗提供技术支撑。

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