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鎵生產(chǎn)線節(jié)電的有效途徑

文檔作者：王春菊文檔來源：北京吉亞半導(dǎo)體材料有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月06日
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·32· 有色冶金節(jié)能口工藝節(jié)能
鎵生產(chǎn)線節(jié)電的有效途徑
王春菊
(北京吉亞半導(dǎo)體材料有限公司，山西河津043300)
[摘要] 針對金屬鎵生產(chǎn)線實(shí)際情況，提出在新建以及改擴(kuò)建設(shè)計過程中，選用新技術(shù)節(jié)約離子交換工序電耗；
利用熱量交換降低冷凍結(jié)晶電能；控制電解溶液中雜質(zhì)行為提高電流效率及選用變頻器等節(jié)能設(shè)備方法，以達(dá)到
節(jié)能的目的。
[關(guān)鍵詞] 鎵生產(chǎn)線；功能高效離子交換器；變頻器
[中圖分類號]TF843．1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B [文章編號]1008—5122(2016)03—0032—03
Available Methods of Energy-saving in Gallium Production Line
WANG Chun-ju
Abstract：On view of the actual situation of the metal gallium production line，to achieve the purpose of
energy-saving in greenfield and brownfield projects，following methods are put forward in the paper，in—
cluding new technology selection to save ion exchange process energy consumption；heat exchange utilization
to reduce freezing crystallization energy；behavior control of impurities electrolytic solution to improve
current efficiency；frequency converter selection and other equipment energy·saving methods．
Key words：gallium production line；functional efficiency ion exchanger；frequency convefler
1鎵生產(chǎn)現(xiàn)狀
目前研究尚未在地殼中發(fā)現(xiàn)單一的鎵或以鎵為
主要成分的礦床，自然界中鎵以微量的形式伴生于
某些礦物中，其中80％的鎵伴生于氧化鋁礦中，因
此，目前90％的原生鎵是從拜爾法生產(chǎn)氧化鋁種分
母液中提取的。離子交換法提取鎵生產(chǎn)流程短，操
作方便，對氧化鋁生產(chǎn)線主流程不產(chǎn)生負(fù)面影響，是
現(xiàn)階段世界上公認(rèn)的從拜爾法工藝中回收鎵的最好
方法。因此，大多數(shù)鎵生產(chǎn)廠生產(chǎn)工藝均是采用離
子交換法，將氧化鋁流程母液中的鎵以化合物形式
提取出來，再通過后續(xù)工序處理，最終通過電解，提
取出一定純度的鎵。
金屬鎵規(guī)?；a(chǎn)是從本世紀(jì)初發(fā)展起來的，
近幾年在國內(nèi)迅猛發(fā)展，工藝、設(shè)備有較大的改進(jìn)潛
[收稿13期]2016—01—20
[作者簡介]王春菊(1967一)，女，山西芮城人，大學(xué)本
科，工程師，在金屬鎵行業(yè)從事生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研究。
力，對于如何從整體工藝、設(shè)備上節(jié)約電能，降低生
產(chǎn)成本，對行業(yè)實(shí)踐有實(shí)際意義。
2鎵生產(chǎn)線主要工藝及設(shè)備
采用離子交換法從氧化鋁流程母液中提取鎵工
藝屬于濕法冶金，生產(chǎn)工藝特點(diǎn)決定了一般采用24
h不間斷工作制。
2．1主要工藝
離子交換法生產(chǎn)工藝主要分以下幾個工序。
(1)離子交換工序。利用一種螯合樹脂將金屬
鎵從種分母液中提取出來并解吸到另一種溶液中，
目前該工序所用設(shè)備有移動床、固定床、移動和固定
相結(jié)合的混合床組，是電力消耗的主要工序之一，一
般占電力消耗的30％左右。
(2)蒸發(fā)工序。將離子交換工序所產(chǎn)生的含有
鎵的溶液進(jìn)一步濃縮，該工序主要是消耗熱能，電力
消耗較小，占電能消耗的5％左右。
(3)冷凍結(jié)晶過濾工序。該工序是將含鎵的濃
縮液進(jìn)行冷凍，其中的化合物X變成X·9H，O結(jié)
晶析出。該工序是消耗電能的主要工序之一，占電
萬方數(shù)據(jù)
2016年6月第3期鎵生產(chǎn)線節(jié)電的有效途徑——王春菊·33·
能消耗的25％左右。
(4)電解工序。該工序是將較高濃度的NaAl
(OH)。溶液電解得到金屬鎵，是電能消耗的主要工
序，占電能消耗的40％左右。
2．2 主要設(shè)備
生產(chǎn)流程中采用的設(shè)備及電耗如下：
(1)槽罐類儲存容器。其本身不耗電能，對用
電負(fù)載的均衡性有影響。
(2)蒸發(fā)濃縮設(shè)備。成套設(shè)備帶有的電機(jī)負(fù)載
消耗，占比較小。
(3)泵類設(shè)備。主要負(fù)責(zé)物料輸送，主要耗電
設(shè)備。
(4)制冷設(shè)備。給冷凍結(jié)晶工序提供冷能，主
要耗電設(shè)備。
(5)空氣壓縮機(jī)組。給離子交換工序移動床樹
脂的輸送提供風(fēng)能。
(6)照明及其它生活輔助設(shè)施，占比小。
3節(jié)電方向及方法
從上述分析可以看出，節(jié)電方向應(yīng)是改進(jìn)工藝
配置、選用新技術(shù)以及選用適合的節(jié)能設(shè)備。
3．1改進(jìn)工藝配置
(1)選用新技術(shù)、節(jié)約離子交換工序電耗。離
子交換工序包括吸附、洗滌、解吸和再生4個過程。
無論采用哪種離子交換床組，這4個過程都要在4
套設(shè)備中單獨(dú)進(jìn)行。由于種分母液粘度大，所以目
前工藝技術(shù)都利用大粒徑樹脂(0．6～1．5 mm)床組
來完成。
大粒樹脂種床組存在以下缺點(diǎn)：一是系統(tǒng)龐大，
樹脂需要靠風(fēng)能移動，電耗高；二是樹脂粒徑大，交
換容量低，交換速度慢；三是裝樹脂量大，樹脂利用
率低；四是設(shè)備投資大，占地面積大，操作復(fù)雜。
有一新型設(shè)備從設(shè)計上避開了上述不足，該設(shè)
備采用了專利技術(shù)——多功能高效離子交換器H。。
該離子交換器在一臺設(shè)備中裝入少量小粒徑(粒徑
0．3一一0．6 mm)樹脂，在同一設(shè)備中完成離子交換
的4個過程，克服了現(xiàn)有床組的弊端，實(shí)踐中與現(xiàn)有
床組相比，在滿足工藝性能的同時節(jié)約電能約40％
一50％。
(2)利用熱量交換，降低冷凍結(jié)晶電能。目前
生產(chǎn)工藝中解吸產(chǎn)生的溶液溫度在20℃左右，蒸發(fā)
時需首先預(yù)熱，消耗能量，蒸發(fā)后的溶液在90℃左
右，需要通過制冷設(shè)備提供冷能，冷卻到一4℃，消
耗大量電能。如將20℃的待蒸發(fā)溶液與90℃的蒸
后液進(jìn)行熱量交換，既節(jié)約蒸汽又能降低制冷機(jī)組
的電能消耗，根據(jù)物料平衡和能量平衡計算，生產(chǎn)每
千克金屬鎵節(jié)約蒸汽0．2 t，節(jié)約用電15 kW·h，約占
總電耗的7．5％。
(3)控制電解溶液中雜質(zhì)行為，提高電流效率。
金屬鎵的電解屬于溶液電解，電流效率比較低，目前
生產(chǎn)中大多在4％～5％，電解耗電量占總電耗近一
半。有資料報道，影響電解電流效率的雜質(zhì)主要是
釩，電解溶液中釩的濃度每增加10％，電流效率就
降低10％。除去釩的方法是向溶液中加入雙氧水，
將低價釩(+2，+3，+4價)氧化成高價釩(V5+
價)，從而減少釩在電解過程中對電流效率的影響。
據(jù)資料介紹，向電解溶液中加入7％～10％雙氧水，
電流效率提高36％左右。
3．2選用新技術(shù)的節(jié)能設(shè)備
在設(shè)備種類中，耗能設(shè)備集中在前述的(3)、
(4)、(5)類設(shè)備中，其負(fù)載實(shí)質(zhì)為交流電動機(jī)負(fù)載。
3．2．1 交流電動機(jī)負(fù)載類
各類成套設(shè)備如冷凍機(jī)、空氣壓縮機(jī)及各類風(fēng)
機(jī)及泵，均為交流異步電動機(jī)，節(jié)能焦點(diǎn)為交流異步
電動機(jī)的節(jié)能。
實(shí)踐中選取了兩臺負(fù)載為離心式清水泵的95
kW電機(jī)進(jìn)行了測試，一臺通過變頻器控制運(yùn)行，而
另一臺直接采用工頻控制運(yùn)行，在140 m3／h的流量
情況下，分別測量兩臺電機(jī)的輸入電流，得到變頻控
制(48 Hz)下電機(jī)輸入電流為152 A，而在工頻控制
(50 Hz)下則為179 A。
另一組測試為生產(chǎn)現(xiàn)場2臺55 kW水泵在同樣
運(yùn)行條件下，一臺變頻器控制，另一臺靠出口閥門控
制流量，用鉗形表測不同頻率下輸入端三相電流如
表1所示。
表1輸入端三相電流單位：A
2。泵(工頻)
通過上表看出，當(dāng)實(shí)際負(fù)載不需要滿負(fù)荷運(yùn)行時，
變頻控制的負(fù)載各相輸入電流比靠出口閥門控制的工
萬方數(shù)據(jù)
·34· 有色冶金節(jié)能口工藝節(jié)能
頻電機(jī)各相電流小。表1顯示，當(dāng)變頻控制頻率在35
Hz時，電流幾乎小一半，節(jié)電效果顯而易見。
3．2．2變頻器控制節(jié)電分析
(1)變頻降速節(jié)能。為了保證生產(chǎn)的可靠性，
各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定
的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動力
驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造
成電能的浪費(fèi)，變頻器可在力矩偏大時，降低電機(jī)的
運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。
(2)動態(tài)調(diào)整節(jié)能。變頻器能迅速適應(yīng)負(fù)載變
動，供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有
5 000次／s的測控輸出功能，始終保持電機(jī)的輸出
高效率運(yùn)行。
(3)通過變頻器自身的V／F功能節(jié)電。在保證
電機(jī)輸出力矩的情況下，可自動調(diào)節(jié)V／F曲線。減
少電機(jī)的輸出力矩，降低輸入電流，達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。
(4)變頻器自帶軟啟動節(jié)能。電機(jī)全壓啟動
時，由于啟動力矩的需要，電機(jī)額定電流可高達(dá)6～
7倍，引起電壓波動，對電網(wǎng)損害大，同時浪費(fèi)電力，
增加了線損和變損。采用軟啟動后，啟動電流范圍
基本在0～，之間，克服了上述弊端，還減少了啟動
慣性對設(shè)備大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，有利于延長設(shè)備的
使用壽命。
(5)提高功率因數(shù)節(jié)能。電動機(jī)由定子繞組和
轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用而產(chǎn)生力矩。由于繞組感抗
作用，對電網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，電機(jī)在運(yùn)行時吸
收大量的無功功率，造成功率因數(shù)很低。采用變頻節(jié)
能調(diào)速器后，其性能變?yōu)椋篈C—DC—AC，在整流濾波
后，負(fù)載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗
特性呈阻性，功率因數(shù)高，減少了無功損耗。
4 結(jié)束語
目前，鎵行業(yè)各生產(chǎn)廠電耗大多在
200 kW·h／kg—Ga左右，約占成本的15％～20％，在
濕法冶金行業(yè)中這一占比是比較高的。隨著金屬鎵
生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，市場競爭愈演愈烈，各生產(chǎn)廠
成本壓力也越來越大。提高生產(chǎn)技術(shù)水平、降低生
產(chǎn)成本將是每個生產(chǎn)廠首要考慮的問題，也是國家
倡導(dǎo)綠色環(huán)保創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的要求。本文從生產(chǎn)工藝、
設(shè)備方面對金屬鎵生產(chǎn)線節(jié)約電能途徑進(jìn)行了探
討，從技術(shù)角度對如何降低金屬鎵電能消耗做了分
析，筆者認(rèn)為在項(xiàng)目的設(shè)計建設(shè)階段及改擴(kuò)建中應(yīng)
充分論證，采用低耗、經(jīng)濟(jì)的工藝技術(shù)和設(shè)備，這對
行業(yè)實(shí)踐有實(shí)際意義。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 王紀(jì)．用離子交換法從拜爾法工藝溶液中提取鎵的工
業(yè)實(shí)踐[J]．濕法冶金，2001，20(2)：
[2] 仇振琢．淺談我國氧化鋁丁生產(chǎn)鎵的優(yōu)勢[J]．輕金
屬，1984(10)：11—13．
[3] 王金超．鎵生產(chǎn)工藝及用途[J]．四川有色金屬，2003
(4)：14—19．
鋁電解槽廢熱回收利用新技術(shù)
挪威Goodtech下屬的能源回收技術(shù)公司近期
開發(fā)了獨(dú)特的電解槽主動冷卻和熱回收技術(shù)，已經(jīng)
在鋁廠實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，并開始廣泛的技術(shù)設(shè)備推
廣，這將為電解鋁行業(yè)節(jié)能減排做出重大貢獻(xiàn)。
該技術(shù)以熱管技術(shù)為基礎(chǔ)，以油為導(dǎo)熱介質(zhì)，其
導(dǎo)熱性能是銅的1 000倍，而且不存在熱應(yīng)力。
電解鋁生產(chǎn)過程中，每噸鋁大約耗電13 000 kW·h，
其所產(chǎn)生的熱量中有大約50％用于反應(yīng)過程，另外
50％則以廢熱的形式散發(fā)。Goodteeh的工藝可以回收
大約50％的廢熱(也就是總熱量的大約25％)，所回收
的熱量相當(dāng)于每噸鋁節(jié)電3 000 kW·h。
此外，通過主動冷卻，可以控制電解槽槽幫厚
度，從而可以強(qiáng)化電流，將每臺電解槽的產(chǎn)量提高
20％。控制槽幫厚度，對電解鋁的生產(chǎn)有諸多好處：
確保生產(chǎn)穩(wěn)定，提高效率。該工藝通過兩級系統(tǒng)對
電解槽的廢熱進(jìn)行回收。第一級是對電解槽頂部的
廢氣進(jìn)行冷卻，對熱量進(jìn)行回收。這樣能降低廢氣
溫度，提高除塵袋壽命，降低風(fēng)機(jī)負(fù)載；第二級是對
電解槽側(cè)壁的冷卻和熱量回收。
所回收的熱量有很多用途。如果用于火電廠發(fā)
電，則可提高發(fā)電效率，減少二氧化碳排放，同時節(jié)
省燃煤約10％。
在安全性方面，Goodteeh也有充分的考慮。首先
電解槽側(cè)壁的熱交換器有保護(hù)裝置。此外，每塊熱交
換器都可以旁通，這樣一塊熱交換器出了問題時，不
會對其它熱交換器和整體運(yùn)行造成影響。

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