高硫炭素阳极中硫元素在铝电解过程中的多尺度行为机理

With the large number applications of petroleum coke, there is increasing content of sulfur in carbon anode, which makes it very important to study the behavior of sulfur in carbon anodes for low-carbon and low power consumption of aluminum reduction. Since the behavior mechanism of sulfur in high-sulfur prebaked carbon anode is still not known during aluminum electrolysis, multi-scale modeling and experiment will be carried out to study the morphology–reaction-diffusion of sulfur in this project. Firstly, a carbon-sulfur molecular model will be created to calculate the morphology of sulfur in anode, which will be validated by the Raman spectroscopy and other modern technology. Based on this model, the actual electrolysis condition will be loaded to study the micro-macro reaction-diffusion mechanism, which will be validated by the laboratory experiment. Finally, by considering the effect of other impurity elements (such as Ca, Na, V, Si and Fe), the synergistic reaction and transfer mechanism will be studied and quantified. This project can provide reliable theoretical basis for the regulation of sulfur during carbon anode production and capture of sulfur element during electrolysis.

随着高硫石油焦的大量应用，铝电解用炭素阳极中硫含量越来越高，研究并掌握硫元素的行为对铝电解的低炭耗、低电耗运行具有重要意义。本项目针对阳极中硫元素在电解反应中行为机理不明的现状,拟开展阳极中硫元素形态-反应-扩散的多尺度建模与试验研究。项目首先建立碳-杂质硫元素的分子动力学模型，计算硫元素的赋存形态，并应用拉曼光谱等技术进行验证与修正；在此基础上，加载实际电解反应条件（如电磁力），建立表征硫元素动态反应-扩散行为的复杂分子动力学模型，研究硫元素在电解过程中的微观反应-传递机理行为，结合试验结果揭示硫元素在电化学反应中的相变与宏观传递方式；最后，通过考虑其他杂质元素（Ca、Na、V、Si、Fe等）的影响，量化杂质与硫元素的反应过程与控制因素，并得到硫与其他杂质元素在电解过程中的共同作用的机理。本项目研究成果可为阳极中杂质元素含量的调控、电解过程中硫元素的捕集提供理论依据。

本项目针对阳极中硫元素在电解反应中行为机理不明的现状，开展了阳极中硫元素形态-反应-扩散的煅烧-电解实验研究与多尺度机理反应、传递过程计算。. 主要研究内容：典型高硫碳素阳极内部硫元素赋存形态一般性规律及高硫阳极的介观尺度结构特征，建立典型高硫阳极微观、介观分子模型；结合硫元素赋存形态规律及碳素阳极结构特征，硫从阳极内部-电解质界面-阳极气体-烟气的微观、宏观传递全过程研究；硫与其他杂质在电解过程相互影响规律，建立基于硫与其他杂质元素协同作用的高硫碳素阳极配方与工艺优化方法。. 主要成果:. （1）基于现代检测技术与量子化学理论计算方法，探明了硫在石油-碳素阳极制备过程中的变化规律，揭示了典型高硫碳素阳极内部硫元素赋存形态的一般性规律，进一步研究了高硫阳极的微、介观尺度结构特征，建立了典型阳极的微、介观尺度分子模型，在微观、介观的层面揭示了高硫碳素阳极的硫赋存形态及结构的一般性规律。. （2）通过电解实验研究及分子动力学、量子化学理论及过渡态理论等理论计算方法，对碳素阳极中硫从阳极内部-电解质界面-阳极气体-烟气的微观传递全过程进行了详细研究，揭示了硫在微观反应过程、电化学微观传递过程。. （3）通过含硫烟气的CFD宏观计算可知，由于电解过程的相关操作，导致漏入90%大量空气，大幅降低SO2浓度，导致SO2在末端的净化处理成本高、难度大。. （4）通过实验室制备或定制的不同杂质种类和含量高硫碳素阳极并开展实验室电解试验，探明硫及其他主要杂质对电解过程的影响。硫对阳极在电解过程中的非电解消耗具有明显催化作用，导致碳素阳极额外的消耗，造成电流效率降低与成本上升。Ca、Na等对硫的催化有一定程度的抑制作用，V的作用不明显。. （5）综合上述基础研究成果，总结高硫阳极中硫元素多尺度行为机理，从节能、低炭耗、低污染的的角度出发，提出原料中硫及其他杂质元素的成分优化方法，建立阳极制备过程中杂质元素调控准则。. 本项目研究成果可为阳极中杂质元素含量的调控、电解过程中硫元素的捕集提供理论依据。