无碳铝冶炼会成为铝的又一次工业革命吗？

　　前几天一篇名为《俄铝开始测试新一代140KA惰性阳极铝电解槽》的新闻在铝业圈内又引起了广大铝友的关注和讨论。

　　新闻中提到俄铝已开始对一种新型惰性阳极工业铝电解槽进行测试，该实验槽具有改进的设计和创纪录的低碳足迹，将取代俄铝已经在测试的惰性阳极槽。

　　据报道，试验中的惰性阳极槽电流强度为140KA，每天铝产量1吨左右，因此我们可以推算出该惰性阳极实验槽电流效率在88.71%左右。

　　据2020年4月30日的英国《金融时报》报道，俄铝已经计划在2021年推出其无碳铝(惰性阳极技术)。

　　由此看来俄铝已经在无碳铝冶炼技术方便取得了突破性进展，该技术已经离大规模应用越来越近了。

　　那么，如果无碳铝冶炼技术大规模应用，会不会又是一次铝的工业革命?

　　1什么是无碳铝冶炼（惰性阳极）技术？

　　铝是1807年被发现的，最早采用化学法生产，前后约30年的时间，总共生产了约不到二百吨铝。

　　直到1886年美国的霍尔和法国的埃鲁特同时发明冰晶石-氧化铝熔盐电解法以后，铝才直正开始大规模的工业化生产。

　　130多年来虽然该工艺方法原理一直没有改变，但在规模、工艺性能和能源消耗方面已经取得了众多改进。

　　冰晶石-氧化铝熔盐电解法，采用碳作为阳极，碳阳极主要是由石油焦和煤沥青制成，在实际生产中碳阳极不仅用于承载电流，而且还参与电化学反应：

　　这意味着随着生产的进行，阳极将被消耗掉，生产过程中除了会生产大量的二氧化碳外(每生产1吨铝约生产1.5吨的二氧化碳，据计算统计，每生产一吨铝直接及间接二氧化碳排放总量约在12.6吨以上。)，还需要定期进行更换(平均需要28至32天)。

　　阳极更换操作是铝冶炼厂每天都要执行的最关键的操作之一，更换过程不但会对电解槽的稳定运行造成干扰，而且换极过程工作量大、环境差，在铝冶炼厂是公认的苦差事。

　　为解决述问题，铝工业已经广泛研究了用于阳极制造的不同材料，特别是在电解过程中不消耗的阳极，称为“惰性阳极”。

　　在使用惰性阳极的情况下，生成铝的化学反应方程式可写为：

　　从上述反应方程式可以看出，使用惰性阳极的电解槽，生产过程阳极不再有二氧化碳产生，取而代之的是氧气。

　　配备惰性阳极的电解槽比现有的铝电解槽具有多个潜在优势，例如：无需频繁更换阳极，电解槽操作更稳定(实际上，更换阳极对电解过程来说是一个非常麻烦的过程)；

　　可以大大缩减工艺流程，不再需要碳素厂，生产过程中的阳极组装工序、清理残极和磷生铁工序、添加保温料工序等等许多原有的工序都会取消;

　　而且可以用惰性阳极改造现有的铝电解槽，改造成本会大大降低；不会再产生温室气体二氧化碳。

　　但是与此同时，惰性阳极技术也带来一些缺点。

　　碳阳极参与电化学反应，从而在槽内直接产生热量。如果使用惰性阳极，则不会参与化学反应，也不会在电解质中产生热量。为了保持电解槽的热平衡，则必须通过外部电压来补充热量。

　　根据经验，就阳极而言，由阳极电化学反应产生的热量等于1伏，这意味着使用惰性阳极时，我们需要将电解槽的槽电压增加1伏，才能保持与现有碳阳极电解槽相同的热平衡。电位差的增加被阳极过电压的事实部分抵消：

　　此外，使用可湿润性阴极技术也可以进一步降低电压，从而减少ACD(极距)。

　　据有关资料显示，目前用于制造惰性阳极的材料主要有以下几类：

　　陶瓷：NiFe2O4基阳极、SnO2基阳极、NiO-Li2O基阳极

　　金属制品：铝青铜、Cu-Ni-Fe基阳极

　　金属陶瓷：Fe-(NiFe2O4+NiO)基阳极、Cu-Ni-NiFe2O4-NiO基阳极、NiFe2O4-Cu基阳极、Cu2O-Cu基阳极、Ni(NiFe2O4-10NiO)基阳极

　　2有哪些机构在搞无碳铝冶炼技术研究

　　关于惰性阳极技术的研究，目前在我国还没有听说有哪些科研机构或铝冶炼厂在做。

　　实际上在我国20世纪80年代，东北大学的邱竹贤院士就曾经进行了惰性阳极方面的研究。

　　邱竹贤院士在100A的实验室电解槽中对SnO2基惰性阳极和TiB2基惰性阴极进行了为期40天的实验测试。经测试，惰性阳极腐蚀速率为0.0001cm/h。

　　晚年，邱竹贤院士和石忠宁教授对一种新型金属陶瓷材料惰性阳极Fe-Ni-Al2O3进行了测试。

　　之后，邱院士和王兆文在实验室中，将测试金属陶瓷材料惰性阳极的电流扩大到了1000A，使用了NiFe2O4基惰性阳极和NiAl2O4基惰性阳极。

　　通过这些测试，邱院士得出结论，惰性阳极在工业铝电解槽中的应用仍有很长的路要走。

　　（一）技术公司Elysis

　　通过有关报道了解到，目前国际上除俄铝外，还有力拓和美铝成立的合资公司Elysis也在进行无碳铝冶炼方面的研究。

　　2018年5月10日，力拓和美铝宣布了一项革命性的铝生产工艺——无碳铝冶炼工艺，并成立了一家合资技术公司Elysis，目标是彻底改变铝在全球生产的方式。

　　这家新成立的合资公司还将出售专有的阳极和阴极材料，这种材料的使用寿命将是传统组件的30倍以上。

　　美铝、力拓以及加拿大政府和魁北克政府为该项目提供了1.88亿美元的综合投资，据悉该技术预计在2024年投入商业应用。

　　全球科技巨头苹果(8264,-18.00,-0.22%)公司为帮助和促进美铝与力拓之间的合作，除了投资1300万美元外，还同意为Elysis提供技术支持。

　　2019年5月17日在伦敦举办的全球金属奖颁奖典礼上，Elysis的无碳铝冶炼技术被选为国际“年度突破性解决方案”。

　　2019年8月16日，Elysis位于Saguenay的研发中心开始建设，来自魁北克和加拿大政府的代表以及Elysis、美铝和力拓的高级领导人出席了活动。

　　项目建设预计投入5000万美元，将在2020年下半年全面投入使用，雇佣25名技术专家。

　　除了无碳铝冶炼工艺的环境效益外，Elysis技术的使用还可提高职业健康和安全性，降低资本密集度和运营成本，同时提高生产率并消除潜在的碳定价机制。它旨在改变全球铝工业，既可用于改造现有冶炼厂，也可用于新装置。

　　2019年12月5日报道，苹果公司收购了首批由Elysis生产的无碳铝。

　　这批无碳铝从美铝位于匹兹堡的一家研究机构运出，并用于苹果产品。但苹果公司和Elysis不愿透露首次收购的规模或成本。他们将其描述为“商业批次”，Elysis表示，该工艺的运营成本预计将低于传统的铝冶炼。

　　尽管新冠肺炎蔓延，但Elysis的无碳铝冶炼项仍没有停止。力拓和美国铝业成立的合资企业继续在完善无碳铝电解工艺，以完全消除二氧化碳排放。它的研究中心预计将在2020年下半年开放。

　　（二）俄罗斯铝业

　　俄铝对惰性阳极技术的研究已经持续进行了多年，据小编查询相关资料，早在2013年俄铝已经在克拉斯诺亚尔斯克铝冶炼厂进行惰性阳极技术的工业实验，具体实验情况还没有查询到相关资料。

　　下边这个视频讲述的是主人公Kirill Bakin正在俄铝努力创造一种独特的惰性阳极技术的记录片。Kirill Bakin和他的同事正在开发一种每年只消耗1-2厘米的惰性阳极。

　　从最近关于俄罗斯惰性阳极技术的报道来看，如果俄罗斯铝业能在2021年把该项技术投入商业应用推出无碳铝，那么就会比Elysis公司早3年投入应用。

　　全球目前电解铝产能约6400万吨，如根据Elysis的报道说无碳铝冶炼技术的运营成本将低于传统铝冶炼，那么如果采用该工艺技术生产铝，不但会带来大大的环境效益，也会彻底改变目前铝的生产方式，甚至改变某些传统铝行业生态链上的企业。

　　虽然目前大家认为惰性阳极技术离我们还很遥远，但它现在的的确确离我们越来越近了，至于以后会不会对传统电解铝行业带来冲击，目前还不敢妄下结论。