В Санкт-Петербургском горном университете императрицы Екатерины II продолжается серия лабораторных экспериментов, нацеленных на создание принципиально новой технологии изготовления алюминия. Сейчас его получают за счёт электролиза раствора глинозёма в расплавленном криолите, причём происходит этот процесс в аппаратах с горизонтально расположенными анодом и катодом.
Такое размещение электродов позволяет обеспечить стабильное распределение тока по всей их поверхности, что является фундаментальным условием процесса производства металла. Однако оборудование, созданное по такому принципу, обладает и рядом существенных недостатков. Самый главный из них – высокое энергопотребление. Следствием такого положения дел становится большая зависимость алюминиевой промышленности от цен на электроэнергию. Если они растут слишком быстро, себестоимость продукции резко повышается, и заводы начинают работать себе в убыток, как это случилось в прошлом году во многих странах Европы, где фиксировались массовые случаи банкротств или временной консервации профильных предприятий.
Каким образом можно разрубить этот гордиев узел, учёным прекрасно известно, причём довольно давно. Следует попросту использовать вертикально расположенные электроды. Это не только позволит снизить энергопотребление, но также резко повысит удельную производительность. Ведь за счёт уменьшения размера электролизеров можно увеличить их число и получать на тех же самых площадях в 5-6 раз больше металла. То есть вместо 50-55 килограммов на метр площади в сутки производить порядка 320-ти. Однако это в теории, воплотить её на практике пока не получается - мешает потеря стабильности распределения тока по поверхности катода.
«Руководство вуза поставило перед нами задачу разработать технологию выравнивания макро- и микрораспределения плотности тока в алюминиевых электролизерах по всей поверхности вертикально расположенных электродов. Для того, чтобы этого добиться, нам было необходимо, прежде всего, создать принципиально новый композитный материал и придать ему форму, позволяющую исключить неравномерное распространение электрического заряда», - рассказал заместитель директора Научного центра «Проблем переработки минеральных и техногенных ресурсов» Санкт-Петербургского горного университета Евгений Горланов.
Учёным уже удалось достичь значительных успехов на пути к цели, которая долгие десятилетия казалась недостижимой. Они, например, получили композитный электрод на основе титана и его соединений, наилучшим образом подходящий для нового поколения электролизеров, а также выявили в ходе экспериментов, что его наилучшей формой станет овал. Это позволит исключить любые проявления концентраторов тока, затрудняющих его равномерное распределение по катоду, таких, как острые края, углы или выступы. Кроме того, был разработан инновационный способ выравнивания поверхности изделия за счёт формирования специального покрытия, позволяющего избегать появления шероховатостей.
Технология уже прошла этап лабораторных исследований. Они подтвердили эффективность применения эллиптических композитных электродов, а также показали, что скорость растворения анода в случае их использования уменьшается по сравнению с прямоугольными аналогами втрое. То есть, помимо прочего, их применение позволяет значительно экономить на расходном материале.
Следующей стадией экспериментов станет электролиз с применением вертикально расположенных электродов на сравнительно небольшой установке силой тока 100 ампер. В случае успеха проект планируется масштабировать за счёт проведения полупромышленных испытаний. Именно они дадут окончательный ответ на вопрос: действительно ли человечеству уже в обозримой перспективе удастся создать гораздо более рентабельную технологию изготовления металла и в разы сократить его себестоимость.
«Проведённые нами лабораторные исследования действительно позволяют на это рассчитывать. Мы, в частности, ожидаем, что энергопотребление производства в случае вертикального расположения электродов в электролизерах сократится с нынешних 13,5 КВт-ч на килограмм алюминия до 11,5, то есть уменьшится примерно на 15%. Кроме того, в 5-6 раз снизятся удельные капитальные затраты на строительство. Не менее важно и резкое снижение выбросов углекислого газа, их уровень может упасть вплоть до 90%», - подчеркнул Евгений Горланов.
Он уточнил, что эффект снижения объёма эмиссии СО2 достигается за счёт применения при изготовлении катодов композитных материалов. В случае же использования вместо классических углеродных анодов так называемых инертных, то есть малорасходуемых аналогов, этот показатель и вовсе устремится к нулю.
Учёные во всём мире сегодня пытаются создать такую инновацию из керамики или различных сплавов, ведь её появление резко сократило бы антропогенное воздействие на окружающую среду. Однако пока все изыскания на этом направлении приводят к снижению рентабельности процесса, прежде всего, за счёт ещё более высокого энергопотребления. Так что появление углеродно-нейтральных алюминиевых заводов, вероятно, гораздо более далёкая перспектива, чем ввод в эксплуатацию передовых предприятий, где процесс электролиза проходит в аппаратах с вертикально расположенными электродами.
