铝电解非阳极效应PFC析出的电极过程机制及调控研究

Aiming at energy saving and emission reduction in electrolytic aluminium industry, this project taking the generation, identification and regulation of non-anode effect PFC in industrial aluminium electrolysis as research ideas, will carry out research in three aspects focusing on the two key scientific issues of coupling mechanism of non-anode effect PFC generation and anode current distribution in industrial aluminum electrolysis and the influence mechanism of alumina concentration in non-anode effect PFC evolution process. Evolution behavior of non-anode effect PFC in multi-anode electrolysis process, electrode process mechanism of non-anodic PFC evolution and identification and regulation of non-anode PFC emission in aluminum electrolysis will be studied in the project, to achieve the goal of clarifying coupling relationship between the non-anode effect PFC and anode current distribution, revealing the mechanism of non-anode effect PFC in industrial aluminium electrolysis process, establishing non-anodic PFC emission identification model based on current characteristic signal analysis, perfecting the theoretical system of PFC generation mechanism in aluminium electrolysis and providing theoretical basis for identifying and regulating PFC emission of non-anodic effect in industrial aluminium electrolysis. Finally, the work will provide theoretical basis and scientific support for controlling PFC emission and anodic effect in aluminium electrolysis industry.

本课题针对电解铝工业节能减排问题，以工业铝电解过程非阳极效应PFC的产生、辨识及调控为研究思路，围绕铝电解过程非阳极效应PFC析出与阳极电流分布的耦合关系和非阳极效应PFC析出过程氧化铝浓度的影响机理两个关键科学问题，开展多阳极电解过程非阳极效应条件下的PFC析出行为、非阳极效应PFC析出的电极过程机制和铝电解过程中非阳极效应PFC排放的辨识及调控建模分析三方面的研究，达到阐明非阳极效应PFC析出与阳极电流分布的耦合关系，揭示工业铝电解过程非阳极效应PFC产生的机理，建立基于电流特征信号诊断的非阳极效应PFC排放辨识模型，完善铝电解PFC产生机理的理论体系，提供工业铝电解生产中辨识与调控非阳极效应PFC排放的理论依据的目标，为铝电解工业控制PFC排放及阳极效应提供理论依据和科学支撑。

铝电解过程排放的全氟化碳（PFC）气体CF4和C2F6是高潜势温室气体，对全球温室效应影响极大。PFC气体通常产生于阳极效应期间，近些年有研究报道工业铝电解槽未监测到阳极效应时也有PFC排放，业内称之为非阳极效应PFC（NAE-PFC）。我国部分企业发现非阳极效应PFC排放，占企业PFC排放总量的小到1%，大到80%。降低PFC排放是铝电解工业节能减排的重要目标，也是我国铝电解工业健康发展的前提与保障。然而，非阳极效应PFC产生的机理目前还不是很清楚。工业铝电解槽一个主要的特征就是电解质氧化铝浓度不均匀引起阳极电流分布不均，并且阳极电流分布和电解槽中氧化铝浓度分布具有非线性时变特征，各阳极的电化学反应将直接受阳极电流密度和氧化铝浓度影响。针对这个问题，本项目开展多阳极电解过程非阳极效应条件下的PFC析出行为研究、非阳极效应PFC析出的电极过程机制研究和铝电解过程中非阳极效应PFC排放的辨识及调控建模分析三个方面的研究。明确了非阳极效应PFC析出与阳极电流密度的内在联系，即阳极电流密度对PFC产生的影响依赖于电解质体系中氧化铝浓度。阐明了铝电解过程非阳极效应PFC产生的机理，即在恒电流极化条件下，电解质中氧浓度低，导致氧离子放电需要更高的阳极过电位；当阳极电位达到氟离子放电电位时，碳、氟之间发生电化学反应，产生表面碳氟化合物，该物质在电解体系中由于高温发生化学分解，生成PFC气体。利用小波分析方法分析不同氧化铝浓度条件下的槽电压特征，建立了BP神经网络模型预测氧化铝浓度，进而实现对非阳极效应PFC产生的调控。该模型对电解质中氧化铝浓度识别率在87.56%以上，能够很好地通过槽电压信号辨识氧化铝浓度范围。本项目的研究能够为铝电解工业深度开发智能专家控制系统提供一定的科学依据和方法支持。