多场耦合作用下铝电解氧化铝颗粒多尺度溶解特性及机理研究

The dissolvability of the alumina particles has been the bottleneck of limiting the development of the modern aluminium electrolysis technology. But currently most relevant studies are still short of deep theoretical recognition and scientific quantitative description, which can not satisfy the real need of the design, optimization, and regulation of aluminum electrolysis process. The mesoscopic mechanisms of the formation of alumina agglomeration and the dissolution characteristics of alumina particles will be systematically studied and relevant quantitative mathematical description will be established for the multi-scale, multi-phase and multi-field coupling characteristics in the dissolution process of alumina particles. Population Balance Model (PBM) is developed to govern the variation of alumina particle number, size, distribution and its evolution. The coupling strategy between the PBM and the macroscopic multi-phase, multi-physical computational fluid dynamics (CFD) model will be built. A multi-scale coupled numerical prediction model (CFD-PBM coupling model ) for a complete description of the dissolution behaviors of alumina particles under multi-field coupling will be established and verified by the high temperature transparent experiment and field test. Based on the above model, the multi-scale dissolution characteristics of alumina particles and the influence mechanism are focused to be discussed and the control laws of some key factors will be obtained. Some measures will be found to improve the dissolvability of the alumina particles and the uniformity alumina concentration distribution. A quantitative prediction model of the dissolution process of alumina particles will be established that can be used in any other industrial aluminium electrolysis cell. This study will be conducted to provide theoretical and technological supports for further clarity the dissolution characteristic of alumina particles and the high-efficiency and stable operation of the cell. The present research can also offer reference for the multi-scale theory and quantitative research of multi-phase reaction in similar systems.

氧化铝颗粒溶解问题已日益成为制约现代铝电解技术发展的瓶颈，而目前有关研究大多缺乏深层次的理论认识和科学定量描述，无法较好地满足铝电解槽优化设计及其调控的需求。本项目针对铝电解氧化铝颗粒溶解过程呈现的多尺度及多相多场耦合特性，系统研究介观氧化铝结块形成及氧化铝颗粒溶解机理并建立相关定量数学描述；构建氧化铝颗粒数量、尺寸及分布演化的群体平衡模型，探讨其与宏观多相多场CFD模型的耦合策略，建立多场耦合作用下完整描述槽内氧化铝颗粒溶解行为的多尺度CFD模型，并采用高温实验和现场测试进行验证；深入探讨氧化铝颗粒的多尺度溶解特性及其影响因素，获取关键因素的控制规律，寻求改善氧化铝颗粒溶解性能和提高氧化铝浓度分布均匀性的措施，构建通用于实际槽况的氧化铝颗粒溶解定量预测模型。本研究为深入阐明氧化铝颗粒溶解机理及特性、实现铝电解槽高效稳定运行提供理论与技术支撑，并为类似体系的多尺度理论与量化研究提供借鉴。

随着现代大型、新型铝电解槽及低温、低电压等节能型铝电解新技术的发展，铝电解槽内氧化铝颗粒溶解行为与过程逐渐趋于复杂化，伴随着较为突出的非均匀、多尺度及多物理场耦合作用等特征，氧化铝颗粒溶解问题已日益成为困扰现代铝电解工业的难题与制约铝电解技术发展的瓶颈。本项目综合应用多学科理论对铝电解氧化铝结块形成和氧化铝颗粒溶解机理及规律进行系统研究，探讨并建立了相关介尺度行为过程（氧化铝颗粒形成多孔结构结块、氧化铝细颗粒与氧化铝结块溶解、阳极气泡聚并与破碎等）的定量数学描述。获得了上述介观尺度模型与宏观尺度多相、多物理场模型之间的参数关联与耦合策略，构建了氧化铝颗粒多尺度溶解全过程的高效耦合模拟计算方法。研究表明：采用Grace曳力系数模型、Somonin湍流扩散力模型、Sato粘度修正模型及分散相标准k-ε模型能够合理预测铝电解多尺度气液两相流动过程，这是后续科学定量研究工业尺度铝电解槽内氧化铝颗粒多尺度溶解和输运行为的前提和关键。随着氧化铝结块直径增大，不同氧化铝颗粒下料量下的氧化铝结块数量百分减小，而对应的氧化铝结块质量百分比增大。形成氧化铝结块总质量随着氧化铝浓度增大而增大。随着过热度提高，氧化铝结块总质量和参与形成氧化铝结块的部分氧化铝颗粒质量比例均减小。在单个氧化铝颗粒溶解周期内，氧化铝颗粒溶解速率呈现先增大、后缓慢减小的趋势。以单个下料点氧化铝颗粒下料量1.6kg为例，实际氧化铝颗粒溶解过程主要分为快速溶解阶段（平均溶解速率为17.24kg/min）和缓慢溶解阶段（平均溶解速率为1.53kg/min），快速溶解阶段大概在10s左右结束。高过热度或低氧化铝浓度能够增大平均氧化铝颗粒溶解速率和累计质量百分数，从而有利于促进氧化铝颗粒溶解过程。全槽内氧化铝浓度分布演变与宏观流场分布特性密切相关。确定下料点位置要结合洛仑兹力主导的大漩涡流动特性，不同下料点按需的氧化铝颗粒下料量要根据实际下料点周围氧化铝浓度动态分布特性进行分析和确定。