Strategies for reduction of low voltage PFC emissions based on pot voltage and anode current distribution signals.

Abstract

I de senere årene har klimagassutslipp fått økt oppmerksomhet. Fra aluminiumindustrien har en av de største bidragene til disse utslippene vært fra perfluorokarbon (PFK). Tidligere har det vært antatt at utslipp av PFK-gasser kun skjedde under konvensjonelle anodeeffekter, hvor konsentrasjonen av oppløst aluminiumoksid i elektrolytten er mellom 0.5-2 wt \%. Senere studier har vist at denne antagelsen er feil. I dag er det flere rapporter som kan dokumentere generering av PFK under tilsynelatende normale driftsforhold. Imidlertid er de underliggende forholdene i en elektrolysecelle som bidrar til disse utslippene ikke studert mye.

I denne oppgaven har dannelsen av PFK blitt målt kontinuerlig ved bruk av en Quantum Cascade Laser (QCL) direkte montert på eksoskanalen til en enkelt elektrolysecelle. I tillegg til måling av PFK, så har individuelle anodestrømmer blitt overvåket. Ved å bruke disse målingene kombinert med data fra prosesskontrollen kan man få innsikt i hendelser som bidrar til økte utslipp av PFK.

Hovedformålet med denne oppgaven er å få innsikt i produksjonen av PFK gasser fra en elektrolysecelle. Dette har blitt gjort ved å overvåke alle operasjoner som forekommer på en enkelt elektrolysecelle som ligger i produksjonsanlegget til Alcoa Mosjøen. Denne studien har vist at dannelsen av PFK er svært følsom for en ikke-jevn anodestrømfordeling, men også for variasjoner i konsentrasjonen av aluminiumsoksid i elektrolytten. Spesielt hvis konsentrasjonen av oppløst aluminiumoksid i elektrolytten ligger i det nedre området, som i slutten av en undermatningsperiode, så er produksjonen av PFK svært følsom selv for små ubalanser i anodestrømmer.

In the recent years, greenhouse gas emissions have received increased attention. From the aluminium industry one of the major contributions to these emissions have been from perfluorocarbon (PFC). Previously the assumption have been that emission of PFC gases only occurred during conventional anode effects, where the concentration of dissolved alumina in the electrolyte are between 0.5 - 2 wt \%. Later studies have proven this assumption to be wrong. Today there are several reports which can document generation of PFC under apparently normal operating conditions. However, the underlying conditions in an electrolysis cell which contributes to these emissions are not much studied.

In this thesis the evolution of PFCs have been continuously measured by use of a Quantum cascade laser (QCL) directly mounted on the exhaust duct of a single electrolysis cell. In addition to measuring the PFCs, individual anode currents have been monitored. By using these measurements combined by the data from the process control system, insights to events contributing to increased emissions of PFC can be gained.

The main objective of this thesis is to gain insight to the production of PFCs from an electrolysis cell. This have been done by monitoring all operations that occur on a single electrolysis cell located in the production plant of Alcoa Mosjøen. This study have shown that the formation of PFCs are highly sensitive to a non-uniform anode current distribution, but also to variations in the alumina concentration in the electrolyte. Especially if the concentration of dissolved alumina in the electrolyte is in the lower range, as in the end of an underfeeding period, the production of PFC is highly sensitive to even small imbalances in anode currents.