杨文杰-铝电解惰性电极的发展与研究-杨文杰（外部会议）.pdf

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1、郑州大学 杨文杰无碳铝电解惰性阳极的研究进展目录惰性阳极的研究背景惰性阳极的研发历程惰性阳极的材料研究存在的问题与解决思路1234 热还原法于19世纪末逐渐被淘汰，共产生约200吨铝电解槽型的发展1.惰性阳极的研究背景 电解法应用后，开始采用碳素材质作为阳极并逐步走向大型化。Charles Martin Hall(American，1863-1914)Paul Hroult(French，1863-1914)1.1 电解铝的起源与现状1.惰性阳极的研究背景800100012001400160018002000201120122013201420152016201720182019阳极需求量98

2、111161235137515101592178917871751阳极产量123513061474166216871704183819071875近10年碳素阳极产量趋势图（万吨）近十年来，原铝产量的增加也促进了炭素阳极的发展，而炭素阳极的消耗增大了环保减排的压力。a.消耗优质碳素材料吨铝理论炭阳极消耗量为333kg，而实际的吨铝炭阳极净耗量超过400kg。b.影响电解槽连续生产的稳定性频繁的阳极操作影响电解槽的电流分布，干扰电解槽热平衡。c.引起环境污染电解反应过程中，产生大量温室气体（CO2、少量CO及CF4、C2F6等）。1.惰性阳极的研究背景近两年，国家密集发布了一系列“双碳”政策与文

3、件，并针对铝电解行业做出了明确的要求，倒逼企业进行技术升级与改造。1.2 国家“双碳”相关政策1.惰性阳极的研究背景2022年7月7日，工信部、发改委、生态环境部联合发文工业领域碳达峰实施方案，提出要推进绿色低碳技术重大突破，构建以企业为主题，产学研协作、上下游协同的低碳零碳负碳创新体系。2022年8月18日，九部门发布科技支撑碳达峰碳中和实施方案（20222030年）通知，提出要实施低碳与零碳工业流程再造技术突破行动。到2030年形成一批支撑降低粗钢、水泥、化工、有色金属行业二氧化碳排放的科技成果，实现低碳流程再造技术的大规模工业化应用。其中明确提出要开发惰性阳极技术铝电解新技术。无碳铝电解

4、技术的先进性2020年，世界电解铝产量约6527万吨；我国电解铝产量居世界第一位，约3732万吨，二氧化碳总排放量约为4.26亿吨，占全国总排放量的5%，电解铝成为碳减排关键行业。当前的铝电解技术采用炭素阳极，吨铝电耗约1.3万度、炭耗0.4吨、CO2排放11.2吨（其中火电排放9.4吨，电解过程排放1.8吨）。用水电和其它新能源替代火电，可减少约84%排放量，而要彻底根除CO2排放，唯一的途径是用惰性阳极替代碳阳极。火电水电风光电“零碳”2019年我国电解铝能源结构中火电占比高达86%2019年全国电力装机构成，火电仅占59.2%1.惰性阳极的研究背景1.惰性阳极的研究背景 在“碳中和”与“

5、能源双控”政策叠加的战略趋势背景下，惰性阳极绿色铝冶金技术已成为中国电解铝行业实现碳中和目标的战略支撑性技术采用惰性阳极与炭素阳极时全流程吨铝等效CO2排放量数据表（数据来源：刘业翔，现代铝电解）（单位吨）2.惰性阳极的研发历程 惰性阳极的研究进展 1888年，电解法炼铝的先驱者 C.M.Hall 就尝试采用惰性阳极，最初选用 Cu 和其它金属材料，希望在金属表面形成金属氧化物层，从而用做惰性阳极材料；而后逐步发展为Cu-Al、Cu-Ni-Fe、Ni-Fe等合金体系。20世纪30年代，Belyaev 和 Studentsov 首先尝试采用 SnO2、NiO、Fe3O4、Co3O4等各种氧化物作

6、为惰性阳极材料；1969年瑞士铝业公司首先申请了SnO2基体的相关专利。20世纪60年代后期，铝电解惰性阳极技术开始受到广泛关注，并逐渐对高温导电陶瓷、金属陶瓷等进行广泛研究。1993年美铝公司首先合成了NiFe2O4尖晶石，并与Cu进行混合制备了金属陶瓷。此后各类尖晶石基金属陶瓷成为研究的主流方向之一。早期关于惰性阳极的专利配图自20世纪80以来，美国铝业公司、瑞士Moltech公司、美国西北铝技术公司、加拿大铝业公司、挪威科技大学、新西兰奥克兰大学、中南大学、东北大学等对惰性阳极、可润湿性阴极、低温电解质等关键材料和新型槽结构及电解新工艺等技术环节进行了研究，但均未能实现基于惰性电极的铝电