鋁電解零碳排放技術(shù)進(jìn)展

節(jié)能減排與實(shí)現(xiàn)零碳排放，是鋁工業(yè)亟待解決的頭等大事之一。
1886年，美國(guó)大學(xué)生霍爾和法國(guó)大學(xué)生埃魯幾乎同時(shí)獨(dú)立發(fā)明了鋁的電解熔鹽提取工藝，并分別取得了專利。1888年，霍爾建設(shè)的鋁廠投產(chǎn)，并生產(chǎn)出了原鋁。自此以后，人們把這種冰晶石–氧化鋁熔鹽電解法稱為霍爾–埃魯法。
2019年，美國(guó)鋁業(yè)和力拓成立的合資企業(yè)Elysis公司生產(chǎn)出世界上首批零碳排放的原鋁。大約在前后相差1年或更長(zhǎng)些時(shí)間內(nèi)，俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司和海德魯鋁業(yè)公司也分別生產(chǎn)出零碳排放鋁。1888年—2019年的131年間，商業(yè)生產(chǎn)鋁的原理和工藝沒有變化，但電解槽結(jié)構(gòu)卻在不斷地變化著。
自上世紀(jì)鋁冶煉電解技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后，人們就一直希望著霍爾–埃魯電解法只產(chǎn)生O2。理論上，采用惰性陽極可以實(shí)現(xiàn)氧化鋁的直接還原，不會(huì)排放CO2。大約在2006年，25kA惰性陽極電解槽采用金屬惰性陽極進(jìn)行生產(chǎn)，從而證實(shí)了采用惰性陽極這種方法是可行的。2019年，Elysis公司在美國(guó)圣安東尼奧舉行的TMS會(huì)議上宣布了惰性陽極和穩(wěn)定陰極的可用性。
截至目前，世界鋁工業(yè)已研發(fā)成功3種零碳排放的惰性陽極鋁電解技術(shù)：Elysis公司的ElysisTM技術(shù)、俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司的惰性陽極工藝、海德魯鋁業(yè)公司的近零鋁排放的Halzero工藝。
我國(guó)對(duì)惰性陽極鋁電解技術(shù)的研發(fā)也很重視。東北大學(xué)、中南大學(xué)等單位自2008年以來針對(duì)惰性陽極材料及其特性進(jìn)行了10多年的研發(fā)。科技部批準(zhǔn)設(shè)立“863”項(xiàng)目新材料技術(shù)領(lǐng)域的重大專項(xiàng)之一——“新一代鋁電解金屬陶瓷復(fù)合材料電極的制備技術(shù)”項(xiàng)目，以及隨后的“973”項(xiàng)目都把惰性陽極的研發(fā)作為重點(diǎn)。我國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)鄭州研究院聯(lián)合中南大學(xué)等單位，于2005—2006年成功地進(jìn)行了惰性陽極和可濕潤(rùn)陰極組合的4kA級(jí)新型結(jié)構(gòu)電解槽的生產(chǎn)試驗(yàn)。
開發(fā)惰性陽極技術(shù)的關(guān)鍵在于尋找到合適的陽極材料。陽極工作環(huán)境極其嚴(yán)酷——高溫、高腐蝕性熔鹽、高電流密度。陽極必須同時(shí)具有高電導(dǎo)率、高強(qiáng)度、耐高溫、高抗腐蝕性、難溶于電解質(zhì)等特性。因此，研究惰性電解技術(shù)及制造惰性陽極電解槽是一件極為繁重的復(fù)雜工作。同時(shí)，根據(jù)國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)資料，15%的區(qū)域碳排放是直接從鋁冶煉和電解過程產(chǎn)生的，而惰性陽極鋁電解槽技術(shù)使用非燃燒陶瓷材料或合金，不產(chǎn)生CO2，對(duì)于減少碳排放具有重要意義。
ElysisTM 技術(shù)
2018年，力拓公司與美國(guó)鋁業(yè)公司共同宣布研發(fā)出了一款革命性的制鋁工藝，名為ElysisTM技術(shù)，并成立Elysis公司。其中，力拓公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)商業(yè)化應(yīng)用的ElysisTM裝備的設(shè)計(jì)，美國(guó)鋁業(yè)公司技術(shù)中心負(fù)責(zé)ElysisTM陽極和陰極材料的研發(fā)和陽極、陰極的制備。據(jù)估算，如果加拿大原鋁工業(yè)全部采用ElysisTM技術(shù)，每年可少排放溫室氣體約7000kt，相當(dāng)于180萬輛家用汽車1年的溫室氣體排放量。2019年末，Elysis公司生產(chǎn)出了世界上首批使用惰性陽極的商業(yè)鋁錠，這批鋁錠的鋁含量≥99.7%，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，與標(biāo)準(zhǔn)中的P1020原鋁錠的成分相當(dāng)，全部被蘋果公司搶購。
力拓鋁業(yè)公司表示，魁北克省將成為商業(yè)化惰性陽極電解槽技術(shù)的策源地、陽極和陰極材料供應(yīng)基地、新型電解槽設(shè)計(jì)和制造中心，魁北克省的鋁廠將采用水電與ElysisTM技術(shù)生產(chǎn)世上碳足跡很低的ElysisTM鋁錠，使鋁生產(chǎn)上升到一個(gè)更高的水平，從而大大降低從汽車到智能手機(jī)、建筑/結(jié)構(gòu)和食品以及飲料包裝等各個(gè)部門所用鋁的碳足跡。蘋果公司用ElysisTM鋁制造手機(jī)已于早些時(shí)候上市，奧迪汽車公司用ElysisTM鋁壓鑄的e-Tron GT汽車車輪也已于2021年上路。
Elysis公司下一步的目標(biāo)是：盡快完善惰性陽極450kA電解槽的商業(yè)化生產(chǎn)與工程項(xiàng)目的建設(shè)；建設(shè)生產(chǎn)惰性材料與完整惰性陽極的工廠，以及生產(chǎn)陰極材料和陰極塊的工廠，一旦450kA惰性陽極槽生產(chǎn)進(jìn)入穩(wěn)定化與商業(yè)化，就著手設(shè)計(jì)更大容量的以ElysisTM技術(shù)為基礎(chǔ)的惰性陽極電解槽。
俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司
試用惰性陽極生產(chǎn)
俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司2021年10月份對(duì)外宣稱，該公司已在克拉斯諾雅爾斯克鋁廠采用新一代惰性陽極電解槽試產(chǎn)出99.7%Al的原鋁，他們把這種低碳原鋁錠注冊(cè)為“ALLOW INERTA”。試驗(yàn)電解槽的電流強(qiáng)度為140kA，每臺(tái)槽每天可生產(chǎn)約1t原鋁。俄羅斯有豐富的水電，以水電與惰性陽極電解槽提取原鋁，可以生產(chǎn)出碳足跡很低的原鋁，排放的CO2 eq還不到當(dāng)前傳統(tǒng)電解法排放量的1/10。
俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司在發(fā)展惰性陽極電解槽及其原鋁提取技術(shù)方面居地位，是全球較早使用惰性陽極工藝批量生產(chǎn)原鋁的公司。大約自2012年開始，該公司就著手研發(fā)惰性陽極材料，并試制出幾種不同型式的電解槽。2015年，該公司用試制的惰性陽極電解槽在克拉斯諾雅爾斯克鋁廠的試驗(yàn)槽上先生產(chǎn)出低碳鋁。目前，該廠的140kA惰性陽極中試槽可生產(chǎn)1t/d鋁。克拉斯諾雅爾斯克鋁廠各個(gè)產(chǎn)鋁環(huán)節(jié)用的能源都是清潔的綠色水電，從而使140kA惰性電解槽產(chǎn)出的原鋁的碳足跡低至0.01 CO2 eq t/t Al，僅相當(dāng)于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的原鋁排放量12t/t Al的約1/1000。
俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司生產(chǎn)的這種超低碳足跡鋁錠的注冊(cè)商標(biāo)為ALLOW INERTA。惰性陽極電解槽及其生產(chǎn)工藝的長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定是其旺盛生命力的關(guān)鍵。目前，該公司的科技工作者正在這方面加大工作力度。今后，俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司在這方面的工作重點(diǎn)一是推銷與擴(kuò)大ALLOW INERTA鋁的應(yīng)用，例如與波爾公司合作，用這種鋁配制的鋁合金罐料生產(chǎn)飲料罐，與布德威塞公司、坎帕克公司、埃爾瓦爾公司采用ALLOW INERTA低碳鋁配制的鋁合金帶材沖制種種包裝罐，同時(shí)，在新建原鋁項(xiàng)目和改擴(kuò)建現(xiàn)有原鋁生產(chǎn)時(shí)采用惰性陽極電解槽。
海德魯鋁業(yè)公司的
近零原鋁生產(chǎn)技術(shù)
挪威海德魯鋁業(yè)公司是鋁業(yè)界有名的低碳鋁生產(chǎn)者，承諾于2030年前降低碳排放20%，于2050年前實(shí)現(xiàn)凈零排放。
1990—2020年間，挪威海德魯鋁業(yè)公司在挪威的原鋁廠已削減碳排放70%。盡管此期間原鋁產(chǎn)量由600kt/a上升到1000kt/a，碳排放仍降低了55%。當(dāng)前，海德魯鋁業(yè)公司已進(jìn)入降碳的第二階段，即研發(fā)和試用專利的HalZero工藝。在電解鋁將氧化鋁轉(zhuǎn)化為氯化鋁的過程中，讓氯和碳保持在閉合回路內(nèi)，從而使原鋁完全脫碳。近年來，海德魯一直致力于這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模開發(fā)，并制訂了在2030年前對(duì)該技術(shù)進(jìn)行工業(yè)規(guī)模試點(diǎn)的路線圖。
海德魯鋁業(yè)公司在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)HalZero工藝已有多年，先是在挪威的波什格倫市創(chuàng)建了模擬生產(chǎn)槽，后來又建設(shè)了工業(yè)規(guī)模HalZero裝置。目前，海德魯鋁業(yè)公司已經(jīng)進(jìn)行HalZero工藝中試階段。
海德魯鋁業(yè)公司表示，為了實(shí)現(xiàn)降碳目標(biāo)，HalZero項(xiàng)目?jī)H是主要措施之一，其他的措施還不少，諸如：加大廢鋁利用，特別是舊廢料的循環(huán)利用；盡量多地利用可再生的新能源；發(fā)展上游產(chǎn)品的新型高效脫碳工藝，加強(qiáng)鋁土礦開采和氧化鋁生產(chǎn)的脫碳技術(shù)；大力加強(qiáng)碳捕獲技術(shù)研發(fā)等等。
惰性陽極電解槽和
傳統(tǒng)電解槽參數(shù)比較
根據(jù)姚世煥先生的材料，惰性陽極是消耗的，而陰極固定不變，但陽極到陰極間距（ACD）在生產(chǎn)過程中不變，并不會(huì)發(fā)生磁流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，可在較小的ACD條件下運(yùn)行。但是，ACD必須產(chǎn)生足夠的熱量以滿足電解過程和熱量的產(chǎn)生，保護(hù)襯里的槽幫是電解熱平衡的一部分，陽極的60角將氧引導(dǎo)到上表面，避免了鋁珠的再氧化。360kA惰性陽極槽內(nèi)部熱損失從碳陽極電解槽的647kW降低到314kW。為了實(shí)現(xiàn)如此巨大的變化，可以將陽極夾具數(shù)從40個(gè)減少到20個(gè)，以縮短槽殼長(zhǎng)度，但內(nèi)村不變。在這樣的改造后，360kA惰陽極槽的各項(xiàng)參數(shù)見表1。
我國(guó)鋁電解近零溫室氣體排放技術(shù)研發(fā)工作還有待加強(qiáng)。我國(guó)是鋁業(yè)大國(guó)，發(fā)展零碳排放鋁電解技術(shù)是我國(guó)鋁工業(yè)廣大科技工作者的職責(zé)。     
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