铝电解零碳排放技术进展

节能减排与最终实现零碳排放，是铝工业亟待解决的头等大事之一。

1886年，美国大学生霍尔和法国大学生埃鲁几乎同时独立发明了铝的电解熔盐提取工艺，并分别取得了专利。1888年，霍尔建设的铝厂投产，并生产出了原铝。自此以后，人们把这种冰晶石–氧化铝熔盐电解法称为霍尔–埃鲁法。

2019年，美国铝业和力拓成立的合资企业Elysis公司生产出世界上首批零碳排放的原铝。大约在前后相差1年或更长些时间内，俄罗斯联合铝业公司和海德鲁铝业公司也分别生产出零碳排放铝。1888年-2019年的131年间，商业生产铝的原理和工艺没有变化，但电解槽结构却在不断地变化着。

自上世纪铝冶炼电解技术大规模应用后，人们就一直希望着霍尔–埃鲁电解法只产生O2。理论上，采用惰性阳极可以实现氧化铝的直接还原，不会排放CO2。大约在2006年，25kA惰性阳极电解槽采用金属惰性阳极进行生产，从而证实了采用惰性阳极这种方法是可行的。2019年，Elysis公司在美国圣安东尼奥举行的TMS会议上宣布了惰性阳极和稳定阴极的可用性。

截至目前，世界铝工业已研发成功3种零碳排放的惰性阳极铝电解技术：Elysis公司的ElysisTM技术、俄罗斯联合铝业公司的惰性阳极工艺、海德鲁铝业公司的近零铝排放的Halzero工艺。

我国对惰性阳极铝电解技术的研发也很重视。东北大学、中南大学等单位自2008年以来针对惰性阳极材料及其特性进行了10多年的研发。科技部批准设立国家“863”项目新材料技术领域的重大专项之一——“新一代铝电解金属陶瓷复合材料电极的制备技术”项目，以及随后的“973”项目都把惰性阳极的研发作为重点。我国铝业集团郑州研究院联合中南大学等单位，于2005-2006年成功地进行了惰性阳极和可湿润阴极组合的4kA级新型结构电解槽的生产试验。

开发惰性阳极技术的关键在于寻找到合适的阳极材料。阳极工作环境极其严酷——高温、高腐蚀性熔盐、高电流密度。阳极必须同时具有高电导率、高强度、耐高温、高抗腐蚀性、难溶于电解质等特性。因此，研究惰性电解技术及制造惰性阳极电解槽是一件极为繁重的复杂工作。同时，根据国际铝业协会资料，15%的区域碳排放是直接从铝冶炼和电解过程产生的，而惰性阳极铝电解槽技术使用非燃烧陶瓷材料或合金，不产生CO2，对于减少碳排放具有重要意义。

ElysisTM技术

2018年，力拓公司与美国铝业公司共同宣布研发出了一款革命性的制铝工艺，名为ElysisTM技术，并成立Elysis公司。其中，力拓公司技术团队负责商业化应用的ElysisTM装备的设计，美国铝业公司技术中心负责ElysisTM阳极和阴极材料的研发和阳极、阴极的制备。据估算，如果加拿大原铝工业全部采用ElysisTM技术，每年可少排放温室气体约7000kt，相当于180万辆家用汽车1年的温室气体排放量。2019年末，Elysis公司生产出了世界上首批使用惰性阳极的商业铝锭，这批铝锭的铝含量≥99.7%，完全符合标准要求，与标准中的P1020原铝锭的成分相当，全部被苹果公司抢购。

力拓铝业公司表示，魁北克省将成为商业化惰性阳极电解槽技术的策源地、阳极和阴极材料供应基地、新型电解槽设计和制造中心，魁北克省的铝厂将采用水电与ElysisTM技术生产世上碳足迹最低的ElysisTM铝锭，使铝生产上升到一个更高的水平，从而大大降低从汽车到智能手机、建筑/结构和食品以及饮料包装等各个部门所用铝的碳足迹。苹果公司用ElysisTM铝制造手机已于早些时候上市，奥迪汽车公司用ElysisTM铝压铸的e-Tron GT汽车车轮也已于2021年上路。

Elysis公司下一步的目标是：尽快完善惰性阳极450kA电解槽的商业化生产与工程项目的建设；建设生产惰性材料与完整惰性阳极的工厂，以及生产阴极材料和阴极块的工厂，一旦450kA惰性阳极槽生产进入稳定化与商业化，就着手设计更大容量的以ElysisTM技术为基础的惰性阳极电解槽。

俄罗斯联合铝业公司试用惰性阳极生产

俄罗斯联合铝业公司2021年10月份对外宣称，该公司已在克拉斯诺雅尔斯克铝厂采用新一代惰性阳极电解槽试产出99.7%Al的原铝，他们把这种低碳原铝锭注册为“ALLOW INERTA”。试验电解槽的电流强度为140kA，每台槽每天可生产约1t原铝。俄罗斯有丰富的水电，以水电与惰性阳极电解槽提取原铝，可以生产出碳足迹最低的原铝，排放的CO2 eq还不到当前传统电解法排放量的1/10。

俄罗斯联合铝业公司在发展惰性阳极电解槽及其原铝提取技术方面居引领地位，是全球最先使用惰性阳极工艺批量生产原铝的公司。大约自2012年开始，该公司就着手研发惰性阳极材料，并试制出几种不同型式的电解槽。2015年，该公司用试制的惰性阳极电解槽在克拉斯诺雅尔斯克铝厂的试验槽上率先生产出低碳铝。目前，该厂的140kA惰性阳极中试槽可生产1t/d铝。克拉斯诺雅尔斯克铝厂各个产铝环节用的能源都是清洁的绿色水电，从而使140kA惰性电解槽产出的原铝的碳足迹低至0.01 CO2 eq t/t Al，仅相当于传统工艺生产的原铝排放量12t/t Al的约1/1000。

俄罗斯联合铝业公司生产的这种超低碳足迹铝锭的注册商标为ALLOW INERTA。惰性阳极电解槽及其生产工艺的长期持续稳定是其旺盛生命力的关键。目前，该公司的科技工作者正在这方面加大工作力度。今后，俄罗斯联合铝业公司在这方面的工作重点一是推销与扩大ALLOW INERTA铝的应用，例如与波尔公司合作，用这种铝配制的铝合金罐料生产饮料罐，与布德威塞公司、坎帕克公司、埃尔瓦尔公司采用ALLOW INERTA低碳铝配制的铝合金带材冲制种种包装罐，同时，在新建原铝项目和改扩建现有原铝生产时采用惰性阳极电解槽。

海德鲁铝业公司的近零原铝生产技术

挪威海德鲁铝业公司是铝业界有名的低碳铝生产者，承诺于2030年前降低碳排放20%，于2050年前实现净零排放。

1990-2020年间，挪威海德鲁铝业公司在挪威的原铝厂已削减碳排放70%。尽管此期间原铝产量由600kt/a上升到1000kt/a，碳排放仍降低了55%。当前，海德鲁铝业公司已进入降碳的第二阶段，即研发和试用专利的HalZero工艺。在电解铝将氧化铝转化为氯化铝的过程中，让氯和碳保持在闭合回路内，从而使原铝完全脱碳。近年来，海德鲁一直致力于这项技术的实验室规模开发，并制订了在2030年前对该技术进行工业规模试点的路线图。

海德鲁铝业公司在实验室研发HalZero工艺已有多年，先是在挪威的波什格伦市创建了模拟生产槽，后来又建设了工业规模HalZero装置。目前，海德鲁铝业公司已经进行HalZero工艺中试阶段。

海德鲁铝业公司表示，为了实现降碳目标，HalZero项目仅是主要措施之一，其他的措施还不少，诸如：加大废铝利用，特别是旧废料的循环利用；尽量多地利用可再生的新能源；发展上游产品的新型高效脱碳工艺，加强铝土矿开采和氧化铝生产的脱碳技术；大力加强碳捕获技术研发等等。

惰性阳极电解槽和传统电解槽参数比较

根据姚世焕先生的材料，惰性阳极是消耗的，而阴极固定不变，但阳极到阴极间距（ACD）在生产过程中不变，并不会发生磁流体动力学不稳定现象，因此，可在较小的ACD条件下运行。但是，ACD必须产生足够的热量以满足电解过程和热量的产生，保护衬里的槽帮是电解热平衡的一部分，阳极的60角将氧引导到上表面，避免了铝珠的再氧化。360kA惰性阳极槽内部热损失从碳阳极电解槽的647 kW降低到314kW。为了实现如此巨大的变化，可以将阳极夹具数从40个减少到20个，以缩短槽壳长度，但内村不变。在这样的改造后，360kA惰阳极槽的各项参数见表1。

表1 霍尔-埃鲁电解槽和惰性阳极电解槽的工艺参数

我国铝电解近零温室气体排放技术研发工作还有待加强。我国是铝业大国，发展零碳排放铝电解技术是我国铝工业广大科技工作者的职责。（作者：王祝堂）