鋁電解零碳排放技術進展

節能減排與實現零碳排放，是鋁工業亟待解決的頭等大事之一。
1886年，美國大學生霍爾和法國大學生埃魯幾乎同時獨立發明了鋁的電解熔鹽提取工藝，并分別取得了專利。1888年，霍爾建設的鋁廠投產，并生產出了原鋁。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，美國鋁業和力拓成立的合資企業Elysis公司生產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，俄羅斯聯合鋁業公司和海德魯鋁業公司也分別生產出零碳排放鋁。1888年—2019年的131年間，商業生產鋁的原理和工藝沒有變化，但電解槽結構卻在不斷地變化著。
自上世紀鋁冶煉電解技術大規模應用后，人們就一直希望著霍爾–埃魯電解法只產生O2。理論上，采用惰性陽極可以實現氧化鋁的直接還原，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行生產，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定陰極的可用性。
截至目前，世界鋁工業已研發成功3種零碳排放的惰性陽極鋁電解技術：Elysis公司的ElysisTM技術、俄羅斯聯合鋁業公司的惰性陽極工藝、海德魯鋁業公司的近零鋁排放的Halzero工藝。
我國對惰性陽極鋁電解技術的研發也很重視。東北大學、中南大學等單位自2008年以來針對惰性陽極材料及其特性進行了10多年的研發。科技部批準設立“863”項目新材料技術領域的重大專項之一——“新一代鋁電解金屬陶瓷復合材料電極的制備技術”項目，以及隨后的“973”項目都把惰性陽極的研發作為重點。我國鋁業集團鄭州研究院聯合中南大學等單位，于2005—2006年成功地進行了惰性陽極和可濕潤陰極組合的4kA級新型結構電解槽的生產試驗。
開發惰性陽極技術的關鍵在于尋找到合適的陽極材料。陽極工作環境極其嚴酷——高溫、高腐蝕性熔鹽、高電流密度。陽極必須同時具有高電導率、高強度、耐高溫、高抗腐蝕性、難溶于電解質等特性。因此，研究惰性電解技術及制造惰性陽極電解槽是一件極為繁重的復雜工作。同時，根據國際鋁業協會資料，15%的區域碳排放是直接從鋁冶煉和電解過程產生的，而惰性陽極鋁電解槽技術使用非燃燒陶瓷材料或合金，不產生CO2，對于減少碳排放具有重要意義。
ElysisTM 技術
2018年，力拓公司與美國鋁業公司共同宣布研發出了一款革命性的制鋁工藝，名為ElysisTM技術，并成立Elysis公司。其中，力拓公司技術團隊負責商業化應用的ElysisTM裝備的設計，美國鋁業公司技術中心負責ElysisTM陽極和陰極材料的研發和陽極、陰極的制備。據估算，如果加拿大原鋁工業全部采用ElysisTM技術，每年可少排放溫室氣體約7000kt，相當于180萬輛家用汽車1年的溫室氣體排放量。2019年末，Elysis公司生產出了世界上首批使用惰性陽極的商業鋁錠，這批鋁錠的鋁含量≥99.7%，完全符合標準要求，與標準中的P1020原鋁錠的成分相當，全部被蘋果公司搶購。
力拓鋁業公司表示，魁北克省將成為商業化惰性陽極電解槽技術的策源地、陽極和陰極材料供應基地、新型電解槽設計和制造中心，魁北克省的鋁廠將采用水電與ElysisTM技術生產世上碳足跡很低的ElysisTM鋁錠，使鋁生產上升到一個更高的水平，從而大大降低從汽車到智能手機、建筑/結構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公司下一步的目標是：盡快完善惰性陽極450kA電解槽的商業化生產與工程項目的建設；建設生產惰性材料與完整惰性陽極的工廠，以及生產陰極材料和陰極塊的工廠，一旦450kA惰性陽極槽生產進入穩定化與商業化，就著手設計更大容量的以ElysisTM技術為基礎的惰性陽極電解槽。
俄羅斯聯合鋁業公司
試用惰性陽極生產
俄羅斯聯合鋁業公司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度為140kA，每臺槽每天可生產約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，可以生產出碳足跡很低的原鋁，排放的CO2 eq還不到當前傳統電解法排放量的1/10。
俄羅斯聯合鋁業公司在發展惰性陽極電解槽及其原鋁提取技術方面居地位，是全球較早使用惰性陽極工藝批量生產原鋁的公司。大約自2012年開始，該公司就著手研發惰性陽極材料，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出低碳鋁。目前，該廠的140kA惰性陽極中試槽可生產1t/d鋁。克拉斯諾雅爾斯克鋁廠各個產鋁環節用的能源都是清潔的綠色水電，從而使140kA惰性電解槽產出的原鋁的碳足跡低至0.01 CO2 eq t/t Al，僅相當于傳統工藝生產的原鋁排放量12t/t Al的約1/1000。
俄羅斯聯合鋁業公司生產的這種超低碳足跡鋁錠的注冊商標為ALLOW INERTA。惰性陽極電解槽及其生產工藝的長期持續穩定是其旺盛生命力的關鍵。目前，該公司的科技工作者正在這方面加大工作力度。今后，俄羅斯聯合鋁業公司在這方面的工作重點一是推銷與擴大ALLOW INERTA鋁的應用，例如與波爾公司合作，用這種鋁配制的鋁合金罐料生產飲料罐，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建現有原鋁生產時采用惰性陽極電解槽。
海德魯鋁業公司的
近零原鋁生產技術
挪威海德魯鋁業公司是鋁業界有名的低碳鋁生產者，承諾于2030年前降低碳排放20%，于2050年前實現凈零排放。
1990—2020年間，挪威海德魯鋁業公司在挪威的原鋁廠已削減碳排放70%。盡管此期間原鋁產量由600kt/a上升到1000kt/a，碳排放仍降低了55%。當前，海德魯鋁業公司已進入降碳的第二階段，即研發和試用專利的HalZero工藝。在電解鋁將氧化鋁轉化為氯化鋁的過程中，讓氯和碳保持在閉合回路內，從而使原鋁完全脫碳。近年來，海德魯一直致力于這項技術的實驗室規模開發，并制訂了在2030年前對該技術進行工業規模試點的路線圖。
海德魯鋁業公司在實驗室研發HalZero工藝已有多年，先是在挪威的波什格倫市創建了模擬生產槽，后來又建設了工業規模HalZero裝置。目前，海德魯鋁業公司已經進行HalZero工藝中試階段。
海德魯鋁業公司表示，為了實現降碳目標，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利用；盡量多地利用可再生的新能源；發展上游產品的新型高效脫碳工藝，加強鋁土礦開采和氧化鋁生產的脫碳技術；大力加強碳捕獲技術研發等等。
惰性陽極電解槽和
傳統電解槽參數比較
根據姚世煥先生的材料，惰性陽極是消耗的，而陰極固定不變，但陽極到陰極間距（ACD）在生產過程中不變，并不會發生磁流體動力學不穩定現象，因此，可在較小的ACD條件下運行。但是，ACD必須產生足夠的熱量以滿足電解過程和熱量的產生，保護襯里的槽幫是電解熱平衡的一部分，陽極的60角將氧引導到上表面，避免了鋁珠的再氧化。360kA惰性陽極槽內部熱損失從碳陽極電解槽的647kW降低到314kW。為了實現如此巨大的變化，可以將陽極夾具數從40個減少到20個，以縮短槽殼長度，但內村不變。在這樣的改造后，360kA惰陽極槽的各項參數見表1。
我國鋁電解近零溫室氣體排放技術研發工作還有待加強。我國是鋁業大國，發展零碳排放鋁電解技術是我國鋁工業廣大科技工作者的職責。     
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