節(jié)能減排與實現(xiàn)零碳排放，是鋁工業(yè)亟待解決的頭等大事之一。
1886年，美國大學(xué)生霍爾和法國大學(xué)生埃魯幾乎同時獨(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年或更長些時間內(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現(xiàn)氧化鋁的直接還原，不會排放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)，從而證實了采用惰性陽極這種方法是可行的。2019年，Elysis公司在美國圣安東尼奧舉行的TMS會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。
我國對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”項目新材料技術(shù)領(lǐng)域的重大專項之一——“新一代鋁電解金屬陶瓷復(fù)合材料電極的制備技術(shù)”項目，以及隨后的“973”項目都把惰性陽極的研發(fā)作為重點。我國鋁業(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陰極組合的4kA級新型結(jié)構(gòu)電解槽的生產(chǎn)試驗。
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，根據(jù)國際鋁業(yè)協(xié)會資料，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)隊負(fù)責(zé)商業(yè)化應(yīng)用的ElysisTM裝備的設(shè)計，美國鋁業(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為“ALLOW INERTA”。試驗電解槽的電流強(qiáng)度為140kA，每臺槽每天可生產(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?？死怪Z雅爾斯克鋁廠各個產(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商標(biāo)為ALLOW INERTA。惰性陽極電解槽及其生產(chǎn)工藝的長期持續(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，在新建原鋁項目和改擴(kuò)建現(xiàn)有原鋁生產(chǎn)時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技術(shù)的實驗室規(guī)模開發(fā)，并制訂了在2030年前對該技術(shù)進(jìn)行工業(yè)規(guī)模試點的路線圖。
海德魯鋁業(yè)公司在實驗室研發(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，為了實現(xiàn)降碳目標(biāo)，HalZero項目僅是主要措施之一，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，并不會發(fā)生磁流體動力學(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。為了實現(xiàn)如此巨大的變化，可以將陽極夾具數(shù)從40個減少到20個，以縮短槽殼長度，但內(nèi)村不變。在這樣的改造后，360kA惰陽極槽的各項參數(shù)見表1。
我國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)。我國是鋁業(yè)大國，發(fā)展零碳排放鋁電解技術(shù)是我國鋁工業(yè)廣大科技工作者的職責(zé)。     
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