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加速推进我国原铝提取技术革新
时间:2018-07-17 16:43    来源:    点击:

 

原铝提取工业的技术革新与研发工作都是围绕着节能减排进行,或者说其目标都是为了节能减排、改善工作环境与提高安全保障,以及延长槽寿命等等。2017年中国原铝的平均直流电耗13577kWh/吨,全世界的为14100kWh/吨,中国每提取1吨原铝少用电523kWh,2017年中国生产原铝比国外的少用电约1657MWh,温室气体排放量也相应地减少。中国原铝工业在用电方面已居世界先进行列,但是中国铝电解槽的寿命却比国外的短不少。

据相关资料显示,发达国家预焙槽目前的平均寿命为2435d,而中国的仅为1957d,约比国外的短478d,这个差距还是不小的。当下,国外最长槽寿命约为4000d,而中铝贵州分公司160kA槽的寿命已达4893d,比国外的长22.3%。

我国已是世界原铝生产大国,也成为了一个原铝初级强国,更应是世界原铝节能减排的领跑者,因此,宜集中人力、财力、物力对如何大幅度降低原铝的能源消耗与非炭惰性阳极展开大规模研究,力争在2025年将全国原铝提取平均能耗降到12500kWh/tAl,即比2017年的13577kWh/tAl降低1077kWh/tAl,也就是说减少8%,如果不能达到8%,那么降低5%也是非常了不起的。

为此,笔者建议能在某个大型铝厂的技术中心建一个研发非炭惰性阳极研究所,国家为大股东,其他铝厂与有关单位可入股,集中全国的精兵强将,与技术世界领先的铝业公司进行一次“万米赛”。

以下介绍原铝工业近期在技术方面两项有里程碑意义的工作:一是海德鲁铝业公司(Hydro)的HAL 4e及HAL 4e ULTRA技术;二是伊利希斯公司(Elysis)正在研发的非炭阳极铝电解技术。

HAL 4e及HAL 4e ULTRA型槽。HAL 4e及HAL 4e ULTRA技术是海德鲁铝业公司研发的,前者已进行了中试生产,后者正在研发中。中试生产线建在公司的挪威卡莫铝厂,2017年1月生产出了首批厚铝,是目前世界上最环保和能源效率最高的,它的能耗与CO2排放量均比目前世界平均值低15%,只有11985kWh/吨铝,这是很了不起的,2017年全世界的平均能耗为14100kWh/吨铝。目前中试生产线的原铝生产能力75kt/a,海德鲁铝业公司计划HAL 4e槽2020年产量增加到200kt/a。这是全世界空前的纪录水平,恐怕2025年以前很难有其他铝业公司在工业化提取原铝能达到此水平。

HAL 4e技术的发展。长期以来,海德鲁铝业公司就把原铝提取工艺的技术创新置于一个非常重要的地位,早在上世纪70年代就与加拿大铝业公司开发成功ASV170技术。自此以后,海德鲁铝业公司从未停止创新步伐,不但拥有一支阵容强大的技术革新团队,而且与挪威科技大学密切合作,1981年在挪威霍扬格铝厂投产了HAL220槽;1988年在委内瑞纳铝厂研制成功HAL230型槽,此槽型1995年又在斯洛伐克铝业公司有效地运转;2009年卡塔尔铝业公司也采用该公司的HAL300型槽。

2004年,海德鲁铝业公司决定发展HAL 4e及HAL 4e ULTRA型槽技术,从阿达尔铝厂、卡莫铝厂、波什格伦铝厂与位于德国的诺伊斯铝厂抽调了一批技术骨干,充分调动了各研究中心的积极性,发挥各自的专长,有的从事槽型设计,有的从事工艺过程控制,有的从事材料学与工程研究,有的专注模型建立与分析。

经过几年这种分工明确又集中一切技术力量的联合攻关,终于在2008年取得了近二三十年来原铝工业技术进步最显赫的成就,在阿达尔铝厂选建成了第一批HAL 4e试验槽,并为技术更先进、效率更高、能耗更低与更环保的HAL 4e ULTRA型槽的开发奠定了基础,此种槽的定型持续到2016年。由于对磁场的精准控制、电解液电阻的降低与先进控制系统的采用,使阳极间距有所减小,从而取得了良好的综合效益。

现在研究人员在继续进行创新工作,使模型更加合理,工艺过程控制更加完善,工艺参数调控更加有效与快捷,并采用新的阳极,尽快进入大规模的工业化生产,创造世界能效最高的铝电解企业。

卡莫铝厂HAL 4e中试电解槽系列的建设。HAL 4e型槽生产厂建在卡莫铝厂电解车间旁,至2017年卡莫铝厂已有50年的历史,卡莫铝厂原铝生产能力125kt/a,中试厂原铝生产能力75kt/a,用的电全为绿色的水电。

中试电解槽系列建在已废弃的老自焙槽旧址上,因环保原因自焙槽电解线于2009年停产。新中试线由60台新槽组成,其中48台为可工业化试生产的HAL 4e型,电流强度450kA,电流效率95%,能耗12.3kWh/kgAl,比世界平均能耗14.1kWh/kgAl与海德鲁铝业公司平均能耗13.8kWh/kgAl低得多。与海德鲁铝业公司林塔尔铝厂(Sunndal)Su4型槽和卡塔尔铝业公司的HAL 300槽相比,卡莫铝厂中试线每台槽的原铝产量可多50%。

其余的12台槽用于试验HAL 4e ULTRA技术,它们的电流强度略低一些,为415kA~450kA,海德鲁铝业希望此项技术的能耗能达到11.5kWh/kgAl~11.8kWh/kgAl,世界上其他任何厂都不可能在近期内达到。

HAL 4e槽的直接CO2排放量比世界平均排放量低0.8kg/kgAl,同时直接CO2当量排放量可减至1.40kg/kgAl~1.45kg/kgAl,卡莫铝厂可在一年内少排放60ktCO2。海德鲁铝业公司规划将卡莫铝厂电解槽全部升级为HAL 4e型与HAL 4e ULTRA型,使它成为最节能最减排与效率最高的原铝生产企业,成为世界铝电解工业的一面旗帜。

伊利希斯公司的无炭原铝提取技术。自1888年铝的工业化生产以来,每1kg原铝都是用霍尔-埃罗法(Hall-Heroalt)电解法提取的。电解法生产1吨原铝可释放15.4吨CO2,所以全世界铝电解工业每年释放的CO2非常惊人,为了保护环境,科学家都在苦苦追求不用炭阳电解提取原铝的阳极材料,可是非常遗憾的是,至今尚未找到一种极具实用价格的非炭质阳极材料,伊利希斯公司就是为了研发这种非炭阳极材料组建的专业公司。

伊利希斯公司。伊利希斯公司(Elysis)组建于今年早些时候,位于加拿大魁北克省蒙特利尔市,是美国铝业公司(Alcoa)、力拓-加铝集团(Rio Tinto-Alcan)的合资企业,专门致力于无炭电解铝工艺的研发。该公司是在苹果公司的牵线搭桥力促下成立的,两公司计划在今后3年投资5500万加元;苹果也将投资1300万加元,并提供技术支持;魁北克省和蒙特利尔市政府将各投资6000万加元。

美国铝业公司已研发成功一种新的不受电解液侵蚀的金属阳极材料,自2009年以来,已在公司的匹兹堡技术中心进行了试验,取得了可靠的成果。如果加拿大铝电解工业全部采用非炭阳极,则可减少温室气体直接排放量6500kt/a,大致相当于180万辆小型乘用车1年的排放量,可为加拿大创造数千个工作岗位,并进一步繁荣魁北克省的铝制造工业;对铝产业来说,这是一个有历史性意义的时候。

金属惰性阳极。惰性阳极就是我们说的非炭阳极,可分为陶瓷型与金属型,美国铝业公司研发前者,瑞士麦尔特奇(Meltech)公司着重研发后者,经过近30年的创新研究,取得了不少成就,积累了不少经验,但尚未取得有历史意义的突破成就。中国一些科研院所和大专院校也进行了一些研究,但由于种种原因,主要是经费问题,进展不大。无论哪种非炭阳极,都必须在其表面涂一层氧化物,一是为了导电,二是为了降低金属在冰晶石电解质中的溶解速度。麦尔特奇公司也对金属惰性阳极作了不少研究。

研发非炭惰性阳极大多集中在Ni-Fe合金和Ni-Fe-Co合金,其中有代表性的是得·诺拉(De Nora)博士的Fe-Ni-Cu合金,此种阳极又称维罗尼卡(Veronica)合金金属阳极,其表面涂有一层氧化钴活性结壳。

惰性金属阳极必须具有几个条件才有实用价值:它的寿命成本应与同期炭阳极的相当或即使高一些,但有其他措施可以得到补偿;金属惰性阳极在电解质中溶解的元素应对原铝的品质无影响;电耗必须少于炭阳极的或至少与其相当;电解槽能够直接更换金属惰性阳极而不必对现有电解槽进行较大规模的改造。大家对陶瓷都有较多了解,因此对陶瓷型惰性阳极不再警言。

(王祝堂)

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