简论电解铝降低阳极碳耗的策略

简论电解铝降低阳极碳耗的策略

陈冰强 ,张亚飞

万基控股集团有限公司

摘要：阳极作为铝电解的心脏，它的质量好坏，不但影响电解槽的平稳生产，还影响着电解的各项经济技术指标，如：阳极消耗、电能消耗、铝液质量；同时还对节能减排指标中的烟气排放有着直接的影响。基于此，本文简要说明了电解铝阳极碳耗原理，简述了铝电解过程中的阳极消耗方式与电解铝降低阳极碳耗的必要性，对电解铝降低阳极碳耗的策略进行了论述分析。

关键词：电解铝；阳极碳耗；原理；方式；必要性；策略

电解铝行业是典型的高耗能产业，也是高碳排放产业。虽然我国电解铝能耗指标处于国际先进水平，但作为全球电解铝第一大国，“碳达峰、碳中和”行动势必对我国电解铝行业产生深远影，因此必须加强对电解铝降低阳极碳耗的策略进行分析。

一、电解铝阳极碳耗原理的说明

铝电解过程中的主要反应是氧化铝在直流通电的情况下，碳阳极进行消耗的作用，从而经过电解生成铝，在整个电解过程中，阳极的碳耗与电流的效率，以及阳极的气体二氧化碳的含量有很大的关系根据一系列的反应，我们可以观察出阳极的消耗量，并且能够充分考虑到熔融电解质中金属铝与二氧化碳的反应，而造成铝的损失，导致电流效率下降等因素，理想的电化学碳耗在很大程度上是过量消耗的，这种消耗在实际的电解槽的阳极碳块与电解质接触处，以及阳极的碳块侧部和空气发生氧化，经过一系列的研究，在正常的铝电解的条件下，碳阳极的上表温度通常是比实际的温度要小的，由碳阳极发生空气氧化的产物主要是二氧化碳气体，同时在这个过程中，由于碳阳极含有一些杂质，也会对整个空气氧化起到催化作用。

二、铝电解过程中的阳极消耗方式

铝电解过程中，在强大直流电作用下，原料氧化铝在高温熔盐体系中分解成铝离子和氧离子，阴极附近因富集铝而汇聚形成铝液，阳极附近富集氧离子并与碳离子发生反应生成CO2或CO，并以气体形式排空，阳极炭块由此参与反应而不断消耗。尽管如此，但在实际生产中由于种种原因，阳极炭块在槽生产中往往存在其他消耗，成为阳极消耗指标增加的主要原因。

1、电化学反应。阳极炭块的消耗大部分是由电解过程中电化学反应直接消耗的。在铝电解过程中，氧离子在阳极表面放电，与碳反应生成CO2和CO并以气泡的形式排出槽外。

2、氧化。所谓阳极氧化，通常发生在阳极的顶部和暴露的侧面。一般是端部阳极在中缝处部位氧化较为严重。由于系无功消耗，属于不正常消耗方式。

3、掉渣。铝电解用炭阳极是由煅后焦按照不同粒度的配比、采用沥青粘结并振动成型、经高温焙烧后的组装块。在炭阳极生产与应用过程中的任一工序，工序工艺技术或生产状况的变化都会对阳极质量产生影响，导致阳极生产过程中发挥不出最佳效果，且容易在槽生产过程中掉渣，增加消耗;同时对槽状况形成影响，恶化电解质体系，应当杜绝。

三、电解铝降低阳极碳耗的必要性

在铝电解的过程中，最主要的原料是碳阳极，其凭借自身的条件，先可以将电流直接导入电解槽，同时可以和阳极进行反应，通常每生产一吨铝要消耗大约500千克的碳阳极。碳阳极作为最主要的电解材料，其指标也是能够直接影响到整个电解过程，在各项指标都十分正常的情况下，电解槽的生产产量和电耗情况都能够符合各经济的标准。同时在这些阳极消耗的过程中，影响的因素有很多，包括阳极的形状和结构，以及各种电解的尺寸和电流密度等等，由于这些因素的影响，会导致碳阳极过量的消耗，这样就难免会导致铝的生产成本整体增加，严重的还会影响到整个电解槽的正常工作状态，甚至造成无法使用的后果。质量比较好的阳极，可以使整个电解的过程十分稳定，并且能够在整个电解的过程中取得很好的成效，有助于电解槽的整体效率的提升，而且能够延长电解槽的槽寿命，另外在很大程度上还能够降低一些污染气体的排放，对于整体的环境改善以及保护都有很大的积极作用。

四、电解铝降低阳极碳耗的策略

1、提高阳极的电流密度。目前我国铝电解工业在阳极电解铝槽中一直应用较低的电流密度，但是和国外的电流密度之间就相差较大，这就导致我国的铝厂阳极净消耗远远大于国外的某些城市，低阳极电流密度对阳极的消耗影响，主要是空气氧化而产生的，当阳极的电流密度较小时，就会产生较大的空气氧化和不良反应等等，而引起的阳极消耗就会高出正常值，国内的一些研究表明在电解铝的生产过程中，高阳极电流密度的电解槽，比低阳极电流密度的电解槽阳极碳耗要低很多，因此这就需要提高一定的电流密度，进而来降低碳阳极的一些消耗，另外要知道的是碳阳极的消耗和电流的效率也有一定的比例关系，它们是成反比的，提高电流的效率，可以在一定程度上降低阳极的净耗，这就表明，电流的效率提高可以使电解铝的效率增加，阳极的气体中二氧化碳产生的也较多，在熔融电解质中金属铝与二氧化碳气体的反应率也有所降低，导致阳极的碳消耗成功的下降。

2、降低u，v值。由于在铝电解过程中，二氧化碳是在阳极的表面产生的，所以二氧化碳和炙热的碳阳极发生反应会直接在阳极的表面上面的小孔进行的，而在空气的渗透过程中对阳极的二氧化碳反应影响用很大，在国外，对碳阳极的空气渗透性有十分严格的要求和标准，通常情况下，这个质量指标的规定空气渗透性大约在0.5左右，但是在国内这方面的要求就不是很高一些铝厂的空气渗透性比国外高出好多倍，大多数的铝厂对碳阳极的空气渗透性没有明确的标准，通过大量的实验，可以表明空气渗透性对阳极的消耗有很大的影响，空气渗透性和二氧化碳残留也有很明显的比例关系。除此之外，碳阳极中存在的一些杂质也会是碳阳极和二氧化碳之间的反应有明显的差别，当碳阳极中含有一定的杂质的时候，这些主要的杂质来源于原料，那么在整个过程中，就会进加速碳阳极和二氧化碳的反应，从而使空气中的氧化反应增强，增大了阳极的消耗，特别是由于一些微量元素的影响，对碳阳极的反应更大。通常这些杂质主要来自于石油焦，而钠等杂质主要来自于沥青的回收使用，根据以上的综合论述，碳阳极的空气渗透性和杂质的含量也会导致碳阳极和空气中的二氧化碳产生较大的反应，从而增加碳阳极的消耗，提高碳阳极的质量，可以有效的降低uv值，也就是可以有效的降低碳阳极和空气中二氧化碳的反应效率，进而使阳极的碳耗大大降低。

3、优化阳极的设计。在阳极碳块进行烘焙的过程中，它的形状和高度的优化设计目的是为了确保阳极电压降不变的情况下来降低阳极的净耗，当阳极的电流密度一样的情况下，两个不同的生产厂商所采用的阳极碳块，形状和高度不同，就会使两个厂子的整体阳极碳耗有较大的差别，目前在铝电解槽中已经转向较大型的方向，其中一个量级的横截面积也在不断的增大，但是底面积较大的碳阳极又不利于底部阳极反应而产生二氧化碳气体，这样就会降低整体的电流速率，从而降低电流的效率，加大二氧化碳和碳阳极的反应速率，从而会使熔融电解质中的铝物的反应速率降低，因此在设计的过程中，可以充分考虑到碳阳极的开沟槽这种方式，这样可以使二氧化碳等气体很好的排出。

结束语

综上所述，铝电解过程中，有效降低阳极碳耗对于实现“碳达峰、碳中和”非常关键，因此为了做好降低阳极碳耗工作。本文从电解铝阳极碳耗原理出发，对提高阳极的电流密度、降低u，v值以及优化阳极的设计等策略进行了探讨分析，旨在提升降低阳极碳耗水平。

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