is Íslenska en English

Lokaverkefni (Meistara)

Háskólinn í Reykjavík > Tæknisvið / School of Technology > Med/MSc Tækni- og verkfræðideild (-2019) / School of Science and Engineering >

Vinsamlegast notið þetta auðkenni þegar þið vitnið til verksins eða tengið í það: http://hdl.handle.net/1946/33817

Titill: 
  • Titill er á ensku Improving current efficiency in low-temperature aluminum electrolysis with vertical inert electrodes
  • Aukin straumnýtni í álframleiðslu með lóðréttum óvirkum rafskautum í lághitaraflausn
Námsstig: 
  • Meistara
Útdráttur: 
  • Útdráttur er á ensku

    Primary aluminum production is an energy intensive process with an average electric power consumption between 13 – 14 MWh per tonne of aluminum from the electrolysis process alone. Additional energy consumed in the aluminum plant is derived from the carbon anodes used in the process, equating to 3.8 MWh/t Al and contributing to 1.5 tonnes of carbon dioxide emissions for every tonne of aluminum produced. Most aluminum produced today is derived from non-renewable resources, with the aluminum industry emitting approximately 500 million tonnes of carbon dioxide equivalent annually; this constitutes about 1 % of the world’s total CO2 emissions. Countries like Iceland, Norway and Canada use hydroelectric and geothermal power for aluminum production so the only way to achieve substantial reduction in carbon dioxide emissions are to change the anode material. By replacing the carbon-based material with an inert material, oxygen, rather than carbon dioxide, is evolved as the main by-product. Potential materials for inert electrodes have a limited lifetime in the corrosive cryolite electrolyte at 960 °C. This drawback has led to significant research in altering electrolyte composition and lowering bath/electrolyte temperature to improve inert anode stability. The objective of this thesis was to investigate the influence that different operating parameters have on current efficiency in low temperature electrolysis with vertical inert electrodes.
    Primary aluminum production is an energy intensive process with an average electric power consumption between 13 – 14 MWh per tonne of aluminum from the electrolysis process alone. Additional energy consumed in the aluminum plant is derived from the carbon anodes used in the process, equating to 3.8 MWh/t Al and contributing to 1.5 tonnes of carbon dioxide emissions for every tonne of aluminum produced. Most aluminum produced today is derived from non-renewable resources, with the aluminum industry emitting approximately 500 million tonnes of carbon dioxide equivalent annually; this constitutes about 1 % of the world’s total CO2 emissions. Countries like Iceland, Norway and Canada use hydroelectric and geothermal power for aluminum production so the only way to achieve substantial reduction in carbon dioxide emissions are to change the anode material. By replacing the carbon-based material with an inert material, oxygen, rather than carbon dioxide, is evolved as the main by-product. Potential materials for inert electrodes have a limited lifetime in the corrosive cryolite electrolyte at 960 °C. This drawback has led to significant research in altering electrolyte composition and lowering bath/electrolyte temperature to improve inert anode stability. The objective of this thesis was to investigate the influence that different operating parameters have on current efficiency in low temperature electrolysis with vertical inert electrodes.
    Further research is needed before implementing inert anode technology on an industrial level, therefore parameter optimization should continue to be the focus during experimentation for improving current efficiency. Future electrolysis experiments at Innovation Center Iceland should consider using the following parameters:
    • An extended cathode with an alumina sleeve to limit aluminum reoxidation
    • A reasonable superheat value
    • A sodium-rich electrolyte with potassium additives
    • Low copper content anodes of homogeneous microstructure which are pre-oxidized prior to experimentation
    Keywords: aluminum electrolysis, current efficiency, vertical inert electrodes, low-temperature electrolyte, operating parameters
    This thesis has restricted access and will remain closed to the public until June 2022.

  • Álframleiðsla er orkufrekur iðnaður sem notar um 13 – 14 MWst á hvert tonn áls sem framleitt er í rafgreiningarferlinu. Þessu til viðbótar má bæta við orkunni sem kemur frá notkun kolefnisforskauta, um 3.8 MWst á tonn áls, sem leiðir til losunar á um 1.5 tonnum af kolsdíoxíði á tonn áls. Mest af áli sem framleitt er nú er notar raforku frá orkuverum sem nota jarðefnaeldsneyti, sem leiðir til þessa að áliðnaðurinn losar nú um 500 milljón tonn af koldíoxíð ígildum árlega, eða um 1% af árlegri losun í heiminum. Í löndum eins og Íslandi, Noregi og Kanada, sem nota vatnsafl og jarðvarma til raforkuframleiðslu, er eini möguleikinn til að minnka koldíoxíðlosun umtalsvert er að skipta út kolaskautum fyrir óvirk forskaut sem leiðir til þessa að álverin sleppa út súrefni. Vænleg efni fyrir óvirk rafskaut hafa takmarkaðan líftíma í krýolít raflausn sem notuð er í álverum nú við um 960°C, sem hefur leitt til umtalsverða rannsókna á öðrum samsetningum raflausna sem hægt væri að nota við lægra hitastig sem ekki eru jafn tærandi. Í þessari ritgerð voru rannsökuð áhrif mismunandi breyta á straumnýtni í lághitaraflausn með lóðréttum óvirkum rafskautum.
    Áhrif eftirfarandi breyta athugaðar; hönnun rafgreiningakers, samsetning forskauta, fjarlægð milli skauta, samsetning raflausnar, straumþéttleiki, tími og hitastig raflausnar. Fjórtán tilraunir voru framkvæmdar í rannsóknastofu með forskaut úr Cu/Ni/Fe og bakskaut úr TiB2 í raflausn sem gerð var úr blöndu af NaF, KF og AlF3. Hönnun rafgreiningarkers reyndist vera mikilvægasta breytan, sem gaf meir en 80% straumnýtni þegar bakskautið náði niður í álið sem settist á botn rafgreiningarkersins þannig að spenna var á álinu á botninum. Breytingar í hitastig rafausnar og samsetningu hennar gátu leitt til þess að það myndaðist lag af frosinni raflausn á bakskautinu, sem bendir til þess að refgreiningarker með óvirkum rafskautum þurfi að keyr við hærri yfirhita en hefðbundin ker. Efnagreiningar á notuðum forskautum í rafeindasmásjá sýndu að í Cu/Ni/Fe forskautum af tveimur mismunandi samsetningum mynduðust járnflúoríð tæringargöng en þau voru einnig háð því hversu oft skautin voru notuð. Dýpt tæringar í málminum var svipuð hvort sem dreifingin á málmunum var jöfn, eða ójöfn eins og í sýnum eftir steypingu. Hærra kopar innihald í forskauti reyndist gefa þykkari oxíð húð. Lægra kopar innihald gæti verið hagstæðara fyrir myndun þunnrar oxíð húðar og aukins tæringarþols þegar dreifing málmanna er jöfnuð út. Áhrif annarra breyta á straumnýtni var ekki hægt að ákvarða. Ál með hreinleika upp að 99.7% fékkst. Lægstur hreinleiki fékkst þegar BN hlíf var notuð á bakskautið, en þá bárust bór óhreinindi í álið.
    Frekari rannsóknir eru nauðsynlegar áður en farið verður að nota óvirk forskaut í iðnaði, áfram þarf að skoða breytur sem geta bætt straumnýtni. Frekari rannsóknir á Nýsköpunarmiðstöð ættu að huga að eftirfarandi:
    • Nota hlíf úr áloxíði á baksskaut sem nær niður í botna á refgreiningarkeri
    • Gæta þess að yfirhiti sé nægilegur
    • Raflausn með hátt natríum innihald og lágt kalíum innihald
    • Forskaut með lægra koparinnihald og með jafna smásæja byggingu og sem eru foroxuð fyrir notkun

Tengd vefslóð: 
  • https://www.nmi.is/is/moya/extras/oll-verkefni/orku-og-umhverfisvaen-alframleidsla-2017-2020
  • https://www.nmi.is/en/moya/extras/oll-verkefni/orku-og-umhverfisvaen-alframleidsla-2017-2020
Samþykkt: 
  • 19.6.2019
URI: 
  • http://hdl.handle.net/1946/33817


Skrár
Skráarnafn Stærð AðgangurLýsingSkráartegund 
MSC-Medino-2019.pdf16.71 MBLokaður til...01.06.2022HeildartextiPDF
Medino_Lokaverkefni.pdf424.06 kBOpinnBeiðni um lokunPDFSkoða/Opna