节能高效的镁电解生产方法及系统与流程

1.本发明涉及一种镁电解生产方法，特别是涉及一种节能高效的镁电解生产方法及系统。


背景技术：

2.采用kroll法全流程生产海绵钛过程，用熔融金属镁（液镁）与四氯化钛在反应器进行900℃左右的高温还原反应生产海绵钛，同时副产品为熔融氯化镁。副产品熔融氯化镁送往镁电解工序进行电解，镁电解工序生产的液镁返回还原蒸馏工序作还原剂循环使用，氯气返回氯化工序作生产四氯化钛的原料循环使用。
3.现有的镁电解槽，通常使用在电解室中设有平板状的阳极和阴极、或者在其之间设有双极电极的电解槽，设有平板状的电极的电解槽中，存在工作面小，电流效率低问题。现有电解槽生产普遍存在产能低、能耗高问题。
4.专利文献技术cn107849718a公开的是一种熔融盐电解槽，其是具有金属回收室和电解室，在所述电解室中具备2个以上电解池单元而成的熔融盐电解槽，其中，上述电解单元包括具有方筒形空间的阴极、方柱形的阳极以及至少1个方筒形的双极电极，上述双极电极配置于上述阴极的内侧空间内，上述双极电极中，与阴极最接近的双极电极的形成方筒外侧各平面至少一部分与阴极的形成方筒形空间的平面面对面，上述双极电极中，与阴极最接近的双极电极的形成方筒内侧的各平面分别至少一部分与阳极的形成方柱的平面面对面，上述阴极的至少一面作为其它电解单元的阴极的一面。它工作面大，能显著提高电流效率；但是，其方柱形电极容易受侵蚀，液镁流通环境不好。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种种工作面大，电流效率高，并且电极不容易受侵蚀，液镁流通环境好的节能高效的镁电解生产方法；本发明还提供用于实现所述方法的系统。
6.为实现上述目的，本发明节能高效的镁电解生产方法是主要由中间设中间隔墙的后横长型电解室和前横长型集镁室组成的横长型电解槽实现，通过横长型电解室内设置多个横向并列电解单元，和每个电解单元采用内周环状阴极与外周环状中心阳极之间设置多道间隔分布的环状双极提高电流效率；其特别之处在于内周多边形环状阴极与外周多边形中心阳极之间设置多道间隔分布的多边形环状双极，所述多边形为形状相同的多边形、并且相邻边之间的夹角都为弧形倒角，以在夹角处实现弧形倒角极面之间的电解；所述多边形至少包括纵向对称的前后平行边和横向对称的左右平行边，内周多边形环状阴极的前后平行边分别靠近中间隔墙和横长型电解室后边墙设置，能很好地适应环状阴极的热胀冷缩；多边形的左右平行边为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边，以在左右平行边之间实现左右平行多拐弧形弯曲极面之间的电解，或者为左右直线平行边。这样，在增加电解工作面的同时，能显著提高电流效率；特别是通过相邻电极弧形倒角工作面代替现有的尖角工
作面，使电极角处之间电解更平稳，在极间距小时，更能防止电极角间短路及侵蚀电极尖角处，不会在电极内外角之间形成妨碍液镁正常定向流通的非正常液镁流；在弧形倒角极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效，因弧长度小，又不会扰乱正常的电解及液镁流通，优化液镁流通环境的同时，更能使电极角端不容易受侵蚀。采用弧形弯曲左右平行边与采用左右直线平行边相比，能在增加电极工作面的同时，活化左右平行极边之间的电解气氛，有利于提高电解质效，因为弧形弯曲左右平行边为多拐弧形弯曲左右平行边或更具体由多段弧顺接成，弧的长度不会过长，在平行弧形极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效的同时，因弧长度不会太长，所以，也就不会因弧开极间游离电解反应，而扰乱正常的电解及液镁流通。多拐弧形弯曲左右平行边更具体为由多段弧顺接成的多拐弧形弯曲左右平行边。具有作面大，电流效率高，并且电极不容易受侵蚀，液镁流通环境好，保障生产质效的优点。
7.作为优化，每个电解单元的纵向长方形环状阴极与纵向长方形中心阳极之间设置多道间隔分布的纵向长方形环状双极，并且所述纵向长方形环状阴极的内周左右侧边、和所述纵向长方形中心阳极的外周左右侧边、以及所述纵向长方形环状双极内外周左右侧边都为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边。采用纵向长方形极时，能增加电极有效密度，平稳整体电解反应。多拐弧形弯曲左右平行边更具体为由多段弧顺接成的多拐弧形弯曲左右平行边。
8.作为优化，设置8个横向并列所述电解单元的横长型电解室生产液镁，与海绵钛生产的一套大型炉及反应器进行配套生产，进行高效能匹配生产。实现高质效生产的同时，实现高产能，显著节省能耗。
9.作为优化，在同一夹角线上的弧形倒角为在同心圆上的圆弧形倒角，以在夹角处实现同心圆弧极面之间的电解。这样弧极面间平行性好，有利于活化倒角处电解气氛，提高电解质效。在同一夹角线的同心圆上的圆弧形倒角的两侧端分别位于所述同心圆的两侧径向线上。这样弧极面平行性好放射状相对性更好，更有利于活化倒角处电解气氛，提高电解质效。
10.作为优化，横长型电解室与横长型集镁室之间通过底通氯化镁通道及中间隔墙上的横通液镁通道联通；电解单元的内周多边形环状阴极与多边形环状双极之间、和相邻多边形环状双极之间、以及多边形环状双极与外周多边形中心阳极之间的横长型电解室后边墙侧间距分别小于中间隔墙侧间距，便于自然形成定向液镁流。后横长型电解室与前横长型集镁室之间通过底通氯化镁通道及中间隔墙上的横通液镁通道联通，液镁与氯化镁上下分道流通，能优化电解工况，显著提高电解质效；电解单元的内周多边形环状阴极与多边形环状双极之间、和相邻多边形环状双极之间、以及多边形环状双极与外周多边形中心阳极之间的后横长型电解室后边墙侧间距分别小于中间隔墙侧间距，有利于形成定向液镁流，提高电解质效。
11.作为优化，所述横通液镁通道为位于正常工作液面以下的，联通电解室与集镁室的上部横向液镁通道；所述底通氯化镁通道是电解室在电解单元下方及上部中间隔墙下面设置极床，极床下面与电解室底壁之间设置横向间隔分布的纵向支撑墙，极床设置向下联通相邻纵向支撑墙之间墙间过道、向上联通相邻极间空间的竖向通道。非常有利于比重大的氯化镁与比重小的液镁上下分流，提高电解反应质效。
12.作为优化，所述外周多边形中心阳极从电解池的电解液中向上伸出，内周多边形环状阴极和多边形环状双极位于电解池的电解液内，并且各环状极的上端高度，自外环至内环依次增加，以提高氯气溢出能力。有利于氯及时向上溢出，提高电解反应质效。
13.用于实现本发明节能高效的镁电解生产方法的系统是横长型电解槽由中间设中间隔墙的后横长型电解室和前横长型集镁室组成，后横长型电解室内设置多个横向并列电解单元，每个电解单元采用内周环状阴极与外周环状中心阳极之间设置多道间隔分布的环状双极；其特别之处在于内周多边形环状阴极与外周多边形中心阳极之间设置多道间隔分布的多边形环状双极，所述多边形为形状相同的多边形、并且相邻边之间的夹角都为弧形倒角，以在夹角处实现弧形倒角极面之间的电解。所述多边形至少包括纵向对称的前后平行边和横向对称的左右平行边，内周多边形环状阴极的前后平行边分别靠近中间隔墙和后横长型电解室后边墙设置，能很好地适应环状阴极的热胀冷缩；多边形的左右平行边为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边，或者为左右直线平行边。所述多边形优选为左右对称的偶数边多边形。有利于平稳整体电解反应及液镁流通工况。这样，在增加电解工作面的同时，能显著提高电流效率；特别是通过相邻电极弧形倒角工作面代替现有的尖角工作面，使电极角处之间电解更平稳，在极间距小时，更能防止电极角间短路及侵蚀电极尖角处，不会在电极内外角之间形成妨碍液镁正常定向流通的非正常液镁流；在弧形倒角极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效，因弧长度小，又不会扰乱正常的电解及液镁流通，优化液镁流通环境的同时，更能使电极角端不容易受侵蚀。采用弧形弯曲左右平行边与采用左右直线平行边相比，能在增加电极工作面的同时，活化左右平行极边之间的电解气氛，有利于提高电解质效，因为弧形弯曲左右平行边为多拐弧形弯曲左右平行边或更具体由多段弧顺接成，弧的长度不会过长，在平行弧形极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效的同时，因弧长度不会太长，所以，也就不会因弧开极间游离电解反应，而扰乱正常的电解及液镁流通。多拐弧形弯曲左右平行边更具体为由多段弧顺接成的多拐弧形弯曲左右平行边。具有作面大，电流效率高，并且电极不容易受侵蚀，液镁流通环境好，保障生产质效的优点。
14.每个电解单元的纵向长方形环状阴极与纵向长方形中心阳极之间设置多道间隔分布的纵向长方形环状双极，并且所述纵向长方形环状阴极的内周左右侧边、和所述纵向长方形中心阳极的外周左右侧边、以及所述纵向长方形环状双极内外周左右侧边都为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边。采用纵向长方形极时，能增加电极有效密度，平稳整体电解反应。多拐弧形弯曲左右平行边更具体为由多段弧顺接成的多拐弧形弯曲左右平行边。设置8个横向并列所述电解单元的后横长型电解室生产液镁，与海绵钛生产的一套大型炉及反应器进行配套生产，进行高效能匹配生产。实现高质效生产的同时，实现高产能，显著节省能耗。
15.作为优化，在同一夹角线上的弧形倒角为在同心圆上的圆弧形倒角，在夹角处实现同心圆弧极面之间的电解。这样弧极面间平行性好，有利于活化倒角处电解气氛，提高电解质效。在同一夹角线的同心圆上的圆弧形倒角的两侧端分别位于所述同心圆的两侧径向线上。这样弧极面平行性好放射状相对性更好，更有利于活化倒角处电解气氛，提高电解质效。
16.作为优化，后横长型电解室与前横长型集镁室之间通过底通氯化镁通道及中间隔
墙上的横通液镁通道联通，液镁与氯化镁上下分道流通，能优化电解工况，显著提高电解质效；电解单元的内周多边形环状阴极与多边形环状双极之间、和相邻多边形环状双极之间、以及多边形环状双极与外周多边形中心阳极之间的后横长型电解室后边墙侧间距分别小于中间隔墙侧间距，有利于形成定向液镁流，提高电解质效。
17.所述横通液镁通道为位于正常工作液面以下的，联通电解室与集镁室的上部横向液镁通道,有利于液镁及时有效地从电解室流向集镁室；所述底通氯化镁通道是电解室在电解单元及上部中间隔墙下面设置极床，极床下面与电解室底壁之间设置横向间隔分布的支撑柱，极床设置向下联通相邻支撑柱之间柱间过道、向上联通相邻极间空间的竖向通道，非常有利于比重大的氯化镁与比重小的液镁上下分流，提高电解反应质效。
18.所述外周多边形中心阳极从电解池的电解液中向上伸出，内周多边形环状阴极和多边形环状双极位于电解池的电解液内，并且各环状极的上端高度，自外环至内环依次增加，有利于氯及时向上溢出，提高电解反应质效。
19.总之，本发明采用阳极与双极、双极与双极、双极与阴极之间等间距布置，夹角以下称拐角，拐角处由圆弧代替直角，增加电解面积的同时优化液镁流通环境，避免液镁聚集导致的二次反映、极间短路风险，有效保证电流效率和电极使用寿命。另外，拐角由圆弧代替直角有效提高电极强度，较少电解质对电极的冲刷，同时增大有效电解面积。也就是电解单元中阳极、双极四个角做圆弧倒角处理，有效避免在高温、大电流（设备的边、棱、角相对于平滑表面都容易产生尖端效应）下的尖端放电对设备本体带来的危害，减低电解效率。
20.阳极，双极、阴极纵向采用多边形设计（从电解室到集镁室方向）有效增加电解面积，在同等电流强度下有效降低电流密度，减少电极因发热带来的电能损失，提高电能效率，为进一步提高电流强度提供了可能性。
21.电解槽电流密度为0.3a/cm
２
到1.5a/cm
２
，极间距为4-25mm,远离中间隔墙（侧）电极对（组）之间的间距小于靠近中间隔墙（侧）电极对（组）间隔距离，由于远离中间隔墙的电极对间距较小，电解反映剧烈，形成的氯气量比另外三个面多，靠近中间隔墙电解对反映强度最低，这样有效形成一个液镁流通通道，保证介质的有效分离。同时，阴极内设置导流槽，mg和mgcl2混合介质中夹杂的少量cl
2，
因流速降低可解决镁与氯不能很好分离，镁和氯的电流效率都大为降低问题；而且cl2大量进入车间，既损失了氯，又恶化了劳动条件。
22.本发明与14吨、15吨、16吨、17吨、18吨19吨、20海绵钛坨产能，特别是17吨及以上海绵钛坨产能的还原蒸馏大型炉及反应器配用，突破了现有技术的镁电解槽产能低、能耗高和效益差的难题。
23.采用上述技术方案后，本实用发明节能高效的镁电解槽具有作面大，电流效率高，并且电极不容易受侵蚀，液镁流通环境好，保障生产质效，与还原蒸馏大型炉及反应器配用更能突显节能增效优势的优点。
附图说明
24.图1是用于实现本发明节能高效的镁电解生产方法的系统的镁电解槽电解室内8个横向并列电解单元的电极俯视结构示意图。图2是用于实现本发明节能高效的镁电解生产方法的系统的镁电解槽电解室1个电解单元区域的俯视结构示意图。图3－4分别图2的a-a向视图和b-b向视图。
具体实施方式
25.本发明节能高效的镁电解生产方法是主要由中间设中间隔墙的后横长型电解室和前横长型集镁室组成的横长型电解槽实现，通过横长型电解室内设置多个横向并列电解单元，和每个电解单元采用内周环状阴极与外周环状中心阳极之间设置多道间隔分布的环状双极提高电流效率；内周多边形环状阴极与外周多边形中心阳极之间设置多道间隔分布的多边形环状双极，所述多边形为形状相同的多边形、并且相邻边之间的夹角都为弧形倒角，以在夹角处实现弧形倒角极面之间的电解；所述多边形至少包括纵向对称的前后平行边和横向对称的左右平行边，内周多边形环状阴极的前后平行边分别靠近中间隔墙和横长型电解室后边墙设置，能很好地适应环状阴极的热胀冷缩；多边形的左右平行边为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边，以在左右平行边之间实现左右平行多拐弧形弯曲极面之间的电解，或者为左右直线平行边。这样，在增加电解工作面的同时，能显著提高电流效率；特别是通过相邻电极弧形倒角工作面代替现有的尖角工作面，使电极角处之间电解更平稳，在极间距小时，更能防止电极角间短路及侵蚀电极尖角处，不会在电极内外角之间形成妨碍液镁正常定向流通的非正常液镁流；在弧形倒角极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效，因弧长度小，又不会扰乱正常的电解及液镁流通，优化液镁流通环境的同时，更能使电极角端不容易受侵蚀。采用弧形弯曲左右平行边与采用左右直线平行边相比，能在增加电极工作面的同时，活化左右平行极边之间的电解气氛，有利于提高电解质效，因为弧形弯曲左右平行边为多拐弧形弯曲左右平行边或更具体由多段弧顺接成，弧的长度不会过长，在平行弧形极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效的同时，因弧长度不会太长，所以，也就不会因弧开极间游离电解反应，而扰乱正常的电解及液镁流通。多拐弧形弯曲左右平行边更具体为由多段弧顺接成的多拐弧形弯曲左右平行边。具有作面大，电流效率高，并且电极不容易受侵蚀，液镁流通环境好，保障生产质效的优点。
26.具体是：每个电解单元的纵向长方形环状阴极与纵向长方形中心阳极之间设置多道间隔分布的纵向长方形环状双极，并且所述纵向长方形环状阴极的内周左右侧边、和所述纵向长方形中心阳极的外周左右侧边、以及所述纵向长方形环状双极内外周左右侧边都为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边。采用纵向长方形极时，能增加电极有效密度，平稳整体电解反应。多拐弧形弯曲左右平行边更具体为由多段弧顺接成的多拐弧形弯曲左右平行边。更具体是：设置8个横向并列所述电解单元的横长型电解室生产液镁，与海绵钛生产的一套大型炉及反应器进行配套生产，进行高效能匹配生产。实现高质效生产的同时，实现高产能，显著节省能耗。
27.具体是：在同一夹角线上的弧形倒角为在同心圆上的圆弧形倒角，以在夹角处实现同心圆弧极面之间的电解。这样弧极面间平行性好，有利于活化倒角处电解气氛，提高电解质效。在同一夹角线的同心圆上的圆弧形倒角的两侧端分别位于所述同心圆的两侧径向线上。这样弧极面平行性好放射状相对性更好，更有利于活化倒角处电解气氛，提高电解质效。
28.具体是：横长型电解室与横长型集镁室之间通过底通氯化镁通道及中间隔墙上的横通液镁通道联通；电解单元的内周多边形环状阴极与多边形环状双极之间、和相邻多边形环状双极之间、以及多边形环状双极与外周多边形中心阳极之间的横长型电解室后边墙
侧间距分别小于中间隔墙侧间距，便于自然形成定向液镁流。后横长型电解室与前横长型集镁室之间通过底通氯化镁通道及中间隔墙上的横通液镁通道联通，液镁与氯化镁上下分道流通，能优化电解工况，显著提高电解质效；电解单元的内周多边形环状阴极与多边形环状双极之间、和相邻多边形环状双极之间、以及多边形环状双极与外周多边形中心阳极之间的后横长型电解室后边墙侧间距分别小于中间隔墙侧间距，有利于形成定向液镁流，提高电解质效。更具体是：所述横通液镁通道为位于正常工作液面以下的，联通电解室与集镁室的上部横向液镁通道；所述底通氯化镁通道是电解室在电解单元下方及上部中间隔墙下面设置极床，极床下面与电解室底壁之间设置横向间隔分布的纵向支撑墙，极床设置向下联通相邻纵向支撑墙之间墙间过道、向上联通相邻极间空间的竖向通道。非常有利于比重大的氯化镁与比重小的液镁上下分流，提高电解反应质效。
29.具体是：所述外周多边形中心阳极从电解池的电解液中向上伸出，内周多边形环状阴极和多边形环状双极位于电解池的电解液内，并且各环状极的上端高度，自外环至内环依次增加，以提高氯气溢出能力。有利于氯及时向上溢出，提高电解反应质效。
30.用于实现本发明节能高效的镁电解生产方法的系统是横长型镁电解槽由中间设中间隔墙4的后横长型电解室和前横长型集镁室组成，后横长型电解室内设置多个横向并列电解单元，和每个电解单元采用内周环状阴极与外周环状中心阳极之间设置多道间隔分布的环状双极；特点是：内周多边形环状阴极1与外周多边形中心阳极3之间设置两道间隔分布的多边形环状双极2，所述多边形为形状相同的多边形、并且相邻边之间的夹角都为弧形倒角，以在夹角处实现弧形倒角极面之间的电解。所述多边形为左右对称的偶数边多边形。所述多边形至少包括纵向对称的前后平行边和横向对称的左右平行边，内周多边形环状阴极的前后平行边分别靠近中间隔墙4和后横长型电解室后边墙40设置，能很好地适应环状阴极的热胀冷缩；多边形的左右平行边为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边，也可以为左右直线平行边。这样，在增加电解工作面的同时，能显著提高电流效率；特别是通过相邻电极弧形倒角工作面代替现有的尖角工作面，使电极角处之间电解更平稳，在极间距小时，更能防止电极角间短路及侵蚀电极尖角处，不会在电极内外角之间形成妨碍液镁正常定向流通的非正常液镁流；在弧形倒角极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效，因弧长度小，又不会扰乱正常的电解及液镁流通，优化液镁流通环境的同时，更能使电极角端不容易受侵蚀。采用弧形弯曲左右平行边与采用左右直线平行边相比，能在增加电极工作面的同时，活化左右平行极边之间的电解气氛，有利于提高电解质效，因为弧形弯曲左右平行边为多拐弧形弯曲左右平行边或更具体由多段弧顺接成，弧的长度不会过长，在平行弧形极面之间容易形成游离性极间电解反应，活跃电解气氛，提高电解质效的同时，因弧长度不会太长，所以，也就不会因弧开极间游离电解反应，而扰乱正常的电解及液镁流通。多拐弧形弯曲左右平行边更具体为由多段弧顺接成的多拐弧形弯曲左右平行边。具有作面大，电流效率高，并且电极不容易受侵蚀，液镁流通环境好，保障生产质效的优点。
31.具体是：每个电解单元的纵向长方形环状阴极与纵向长方形中心阳极3之间设置多道间隔分布的纵向长方形环状双极，并且所述纵向长方形环状阴极1的内周左右侧边、和所述纵向长方形中心阳极的外周左右侧边、以及所述纵向长方形环状双极2内外周左右侧边都为形状相同的多拐弧形弯曲左右平行边。更具体是：设置8个横向并列所述电解单元的
后横长型电解室生产液镁，与海绵钛生产的一套大型炉及反应器进行配套生产，进行高效能匹配生产。
32.具体是：在同一夹角线上的弧形倒角为在同心圆上的圆弧形倒角，在夹角处实现同心圆弧极面之间的电解。在同一夹角线的同心圆上的圆弧形倒角的两侧端分别位于所述同心圆的两侧径向线上。
33.具体是：后横长型电解室与前横长型集镁室之间通过底通氯化镁通道6及中间隔墙4上的横通液镁通道5联通；电解单元的内周多边形环状阴极与多边形环状双极之间、和相邻多边形环状双极之间、以及多边形环状双极与外周多边形中心阳极之间的后横长型电解室后边墙40侧间距分别小于中间隔墙4侧间距。所述横通液镁通道5为位于正常工作液面以下的，联通电解室与集镁室的上部横向液镁通道；所述底通氯化镁通道6是电解室在电解单元及上部中间隔墙4下面设置极床7，极床7下面与电解室底壁44之间设置横向间隔分布的支撑柱41，极床7设置向下联通相邻支撑柱41之间柱间过道、向上联通相邻极间空间的竖向通道。
34.具体是：所述外周多边形中心阳极3从电解室的电解液中向上伸出，内周多边形环状阴极1和多边形环状双极2位于电解室的电解液内，并且各环状极的上端高度，自外环至内环依次增加。
35.更具体：电解槽电流密度0.76a/cm2,电解质组分mgcl
2 16-20%,cacl
2 22-28% caf
2 1.7-2.0% nacl用于调节，进行熔融电解。通过增加电解面积和调整极距，该情况单个多边形阴极电解单元通电量为25ka，以8个电解单元运行，总电流可长期工作在200ka，因电解面积增加，解决了电流密度高带来的热槽、电极寿命短的问题。理论单个电解单元生产量为34.01 kg/h，实际生产量为29.74 kg/h，实际工作效率87.5%,单位体积的生产量为11.8kg/m3·
h。
36.本发明与14吨、15吨、16吨、17吨、18吨19吨、20海绵钛坨产能，特别是17吨及以上海绵钛坨产能的还原蒸馏大型炉及反应器配用，突破了现有技术的镁电解槽产能低、能耗高和效益差的难题。
37.总之，本发明节能高效的镁电解生产方法及系统具有作面大，电流效率高，并且电极不容易受侵蚀，液镁流通环境好，保障生产质效，与还原蒸馏大型炉及反应器配用更能突显节能增效优势的优点。