前幾天一篇名為《俄鋁開始測試新一代140KA惰性陽極鋁電解槽》的新聞在鋁業(yè)圈內(nèi)又引起了廣大鋁友的關(guān)注和討論。

　　新聞中提到俄鋁已開始對(duì)一種新型惰性陽極工業(yè)鋁電解槽進(jìn)行測試，該實(shí)驗(yàn)槽具有改進(jìn)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)紀(jì)錄的低碳足跡，將取代俄鋁已經(jīng)在測試的惰性陽極槽。

　　據(jù)報(bào)道，試驗(yàn)中的惰性陽極槽電流強(qiáng)度為140KA，每天鋁產(chǎn)量1噸左右，因此我們可以推算出該惰性陽極實(shí)驗(yàn)槽電流效率在88.71%左右。

　　據(jù)2020年4月30日的英國《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，俄鋁已經(jīng)計(jì)劃在2021年推出其無碳鋁(惰性陽極技術(shù))。

　　由此看來俄鋁已經(jīng)在無碳鋁冶煉技術(shù)方便取得了突破性進(jìn)展，該技術(shù)已經(jīng)離大規(guī)模應(yīng)用越來越近了。

　　那么，如果無碳鋁冶煉技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用，會(huì)不會(huì)又是一次鋁的工業(yè)革命?

　　1什么是無碳鋁冶煉（惰性陽極）技術(shù)？

　　鋁是1807年被發(fā)現(xiàn)的，最早采用化學(xué)法生產(chǎn)，前后約30年的時(shí)間，總共生產(chǎn)了約不到二百噸鋁。

　　直到1886年美國的霍爾和法國的埃魯特同時(shí)發(fā)明冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法以后，鋁才直正開始大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

　　130多年來雖然該工藝方法原理一直沒有改變，但在規(guī)模、工藝性能和能源消耗方面已經(jīng)取得了眾多改進(jìn)。

　　冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，采用碳作為陽極，碳陽極主要是由石油焦和煤瀝青制成，在實(shí)際生產(chǎn)中碳陽極不僅用于承載電流，而且還參與電化學(xué)反應(yīng)：

　　這意味著隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，陽極將被消耗掉，生產(chǎn)過程中除了會(huì)生產(chǎn)大量的二氧化碳外(每生產(chǎn)1噸鋁約生產(chǎn)1.5噸的二氧化碳，據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)一噸鋁直接及間接二氧化碳排放總量約在12.6噸以上。)，還需要定期進(jìn)行更換(平均需要28至32天)。

　　陽極更換操作是鋁冶煉廠每天都要執(zhí)行的最關(guān)鍵的操作之一，更換過程不但會(huì)對(duì)電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行造成干擾，而且換極過程工作量大、環(huán)境差，在鋁冶煉廠是公認(rèn)的苦差事。

　　為解決述問題，鋁工業(yè)已經(jīng)廣泛研究了用于陽極制造的不同材料，特別是在電解過程中不消耗的陽極，稱為“惰性陽極”。

　　在使用惰性陽極的情況下，生成鋁的化學(xué)反應(yīng)方程式可寫為：

　　從上述反應(yīng)方程式可以看出，使用惰性陽極的電解槽，生產(chǎn)過程陽極不再有二氧化碳產(chǎn)生，取而代之的是氧氣。

　　配備惰性陽極的電解槽比現(xiàn)有的鋁電解槽具有多個(gè)潛在優(yōu)勢，例如：無需頻繁更換陽極，電解槽操作更穩(wěn)定(實(shí)際上，更換陽極對(duì)電解過程來說是一個(gè)非常麻煩的過程)；

　　可以大大縮減工藝流程，不再需要碳素廠，生產(chǎn)過程中的陽極組裝工序、清理殘極和磷生鐵工序、添加保溫料工序等等許多原有的工序都會(huì)取消;

　　而且可以用惰性陽極改造現(xiàn)有的鋁電解槽，改造成本會(huì)大大降低；不會(huì)再產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳。

　　但是與此同時(shí)，惰性陽極技術(shù)也帶來一些缺點(diǎn)。

　　碳陽極參與電化學(xué)反應(yīng)，從而在槽內(nèi)直接產(chǎn)生熱量。如果使用惰性陽極，則不會(huì)參與化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)在電解質(zhì)中產(chǎn)生熱量。為了保持電解槽的熱平衡，則必須通過外部電壓來補(bǔ)充熱量。

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，就陽極而言，由陽極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量等于1伏，這意味著使用惰性陽極時(shí)，我們需要將電解槽的槽電壓增加1伏，才能保持與現(xiàn)有碳陽極電解槽相同的熱平衡。電位差的增加被陽極過電壓的事實(shí)部分抵消：

　　此外，使用可濕潤性陰極技術(shù)也可以進(jìn)一步降低電壓，從而減少ACD(極距)。

　　據(jù)有關(guān)資料顯示，目前用于制造惰性陽極的材料主要有以下幾類：

　　陶瓷：NiFe2O4基陽極、SnO2基陽極、NiO-Li2O基陽極

　　金屬制品：鋁青銅、Cu-Ni-Fe基陽極

　　金屬陶瓷：Fe-(NiFe2O4+NiO)基陽極、Cu-Ni-NiFe2O4-NiO基陽極、NiFe2O4-Cu基陽極、Cu2O-Cu基陽極、Ni(NiFe2O4-10NiO)基陽極

　　2有哪些機(jī)構(gòu)在搞無碳鋁冶煉技術(shù)研究

　　關(guān)于惰性陽極技術(shù)的研究，目前在我國還沒有聽說有哪些科研機(jī)構(gòu)或鋁冶煉廠在做。

　　實(shí)際上在我國20世紀(jì)80年代，東北大學(xué)的邱竹賢院士就曾經(jīng)進(jìn)行了惰性陽極方面的研究。

　　邱竹賢院士在100A的實(shí)驗(yàn)室電解槽中對(duì)SnO2基惰性陽極和TiB2基惰性陰極進(jìn)行了為期40天的實(shí)驗(yàn)測試。經(jīng)測試，惰性陽極腐蝕速率為0.0001cm/h。

　　晚年，邱竹賢院士和石忠寧教授對(duì)一種新型金屬陶瓷材料惰性陽極Fe-Ni-Al2O3進(jìn)行了測試。

　　之后，邱院士和王兆文在實(shí)驗(yàn)室中，將測試金屬陶瓷材料惰性陽極的電流擴(kuò)大到了1000A，使用了NiFe2O4基惰性陽極和NiAl2O4基惰性陽極。

　　通過這些測試，邱院士得出結(jié)論，惰性陽極在工業(yè)鋁電解槽中的應(yīng)用仍有很長的路要走。

　?。ㄒ唬┘夹g(shù)公司Elysis

　　通過有關(guān)報(bào)道了解到，目前國際上除俄鋁外，還有力拓和美鋁成立的合資公司Elysis也在進(jìn)行無碳鋁冶煉方面的研究。

　　2018年5月10日，力拓和美鋁宣布了一項(xiàng)革命性的鋁生產(chǎn)工藝——無碳鋁冶煉工藝，并成立了一家合資技術(shù)公司Elysis，目標(biāo)是徹底改變鋁在全球生產(chǎn)的方式。

　　這家新成立的合資公司還將出售專有的陽極和陰極材料，這種材料的使用壽命將是傳統(tǒng)組件的30倍以上。

　　美鋁、力拓以及加拿大政府和魁北克政府為該項(xiàng)目提供了1.88億美元的綜合投資，據(jù)悉該技術(shù)預(yù)計(jì)在2024年投入商業(yè)應(yīng)用。

　　全球科技巨頭蘋果(8264,-18.00,-0.22%)公司為幫助和促進(jìn)美鋁與力拓之間的合作，除了投資1300萬美元外，還同意為Elysis提供技術(shù)支持。

　　2019年5月17日在倫敦舉辦的全球金屬獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上，Elysis的無碳鋁冶煉技術(shù)被選為國際“年度突破性解決方案”。

　　2019年8月16日，Elysis位于Saguenay的研發(fā)中心開始建設(shè)，來自魁北克和加拿大政府的代表以及Elysis、美鋁和力拓的高級(jí)領(lǐng)導(dǎo)人出席了活動(dòng)。

　　項(xiàng)目建設(shè)預(yù)計(jì)投入5000萬美元，將在2020年下半年全面投入使用，雇傭25名技術(shù)專家。

　　除了無碳鋁冶煉工藝的環(huán)境效益外，Elysis技術(shù)的使用還可提高職業(yè)健康和安全性，降低資本密集度和運(yùn)營成本，同時(shí)提高生產(chǎn)率并消除潛在的碳定價(jià)機(jī)制。它旨在改變?nèi)蜾X工業(yè)，既可用于改造現(xiàn)有冶煉廠，也可用于新裝置。

　　2019年12月5日?qǐng)?bào)道，蘋果公司收購了首批由Elysis生產(chǎn)的無碳鋁。

　　這批無碳鋁從美鋁位于匹茲堡的一家研究機(jī)構(gòu)運(yùn)出，并用于蘋果產(chǎn)品。但蘋果公司和Elysis不愿透露首次收購的規(guī)?；虺杀?。他們將其描述為“商業(yè)批次”，Elysis表示，該工藝的運(yùn)營成本預(yù)計(jì)將低于傳統(tǒng)的鋁冶煉。

　　盡管新冠肺炎蔓延，但Elysis的無碳鋁冶煉項(xiàng)仍沒有停止。力拓和美國鋁業(yè)成立的合資企業(yè)繼續(xù)在完善無碳鋁電解工藝，以完全消除二氧化碳排放。它的研究中心預(yù)計(jì)將在2020年下半年開放。

　?。ǘ┒砹_斯鋁業(yè)

　　俄鋁對(duì)惰性陽極技術(shù)的研究已經(jīng)持續(xù)進(jìn)行了多年，據(jù)小編查詢相關(guān)資料，早在2013年俄鋁已經(jīng)在克拉斯諾亞爾斯克鋁冶煉廠進(jìn)行惰性陽極技術(shù)的工業(yè)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)情況還沒有查詢到相關(guān)資料。

　　下邊這個(gè)視頻講述的是主人公Kirill Bakin正在俄鋁努力創(chuàng)造一種獨(dú)特的惰性陽極技術(shù)的記錄片。Kirill Bakin和他的同事正在開發(fā)一種每年只消耗1-2厘米的惰性陽極。

　　從最近關(guān)于俄羅斯惰性陽極技術(shù)的報(bào)道來看，如果俄羅斯鋁業(yè)能在2021年把該項(xiàng)技術(shù)投入商業(yè)應(yīng)用推出無碳鋁，那么就會(huì)比Elysis公司早3年投入應(yīng)用。

　　全球目前電解鋁產(chǎn)能約6400萬噸，如根據(jù)Elysis的報(bào)道說無碳鋁冶煉技術(shù)的運(yùn)營成本將低于傳統(tǒng)鋁冶煉，那么如果采用該工藝技術(shù)生產(chǎn)鋁，不但會(huì)帶來大大的環(huán)境效益，也會(huì)徹底改變目前鋁的生產(chǎn)方式，甚至改變某些傳統(tǒng)鋁行業(yè)生態(tài)鏈上的企業(yè)。

　　雖然目前大家認(rèn)為惰性陽極技術(shù)離我們還很遙遠(yuǎn)，但它現(xiàn)在的的確確離我們?cè)絹碓浇?，至于以后?huì)不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)電解鋁行業(yè)帶來沖擊，目前還不敢妄下結(jié)論。