铝电解节能降耗的可行性分析

苏义鹏

（黄河鑫业有限公司，青海 湟中 811600）

1 前言

铝电解是高耗能行业，节能降耗不仅是国家的强制规定，更逐渐成为企业的自觉行为。我国电解铝工业的能源和资源并不乐观，节能减排的成果与“十四五”的要求相差较大；电解铝的产量在逐年上升，现已成为世界上最大的生产国；电解铝的总耗电量也逐年上升，节能降耗任重道远，应用前景可观。

通过电解铝技术的改进，降低直流电单耗，降低平均电压（降低槽工作电压，效应分摊电压，其它降电压措施），提高电流效率等，作为努力的方向，同时走上低碳发展之路以及加强再生铝业的发展，这样可有效做到节能降耗。

铝电解槽是电解炼铝的核心设备，因此铝电解节能降耗的重点要从铝电解槽着手：

（1）提高电流效率，（合理控制槽温，提高电流效率）。槽温每降低10度，电流效率可提高1-2百分点，只要我们分析清楚引起槽温升高或降低的原因并采取相应的措施，将槽温控制在合理的波动范围内就可更好的做到节能降耗。

（2）降低平均电压，作为高耗能产业，有效利用电能，降低能耗是电解铝企业降低成本、提升产品竞争力的关键，而电能质量技术则是帮助实现这一目标的重要途径。据统计我国铝电解企业槽电压在4.18v～4.25v之间，最好也在4.15v左右，与国外先进技术相比，我国还有一定差距，根据电解槽的实际情况，主要以降低非生产用电为主。

（3）降低电解槽的热损耗，在电解槽仅更换阴极碳素材料（含碳间糊、钢棒糊）的前提下，电解槽供给电流、阳极上部结构及立柱散热量、槽罩板散热量、氧化铝壳面散热量、烟气净化带走的热量、槽侧上部熔体及沿板散热量、槽况工艺制度及各项生产操作、各类电化学、化学反应热和物理相变热量的控制。

2 铝电解节能降耗在国内外的发展

铝电解属高能耗产业,电解铝成本中约40%属能耗，在能源价格不断上涨的情况下,必须加强对能源的投入量以及利用程度的控制。这种控制的意义，一方面是对社会节约了资源，另一方面是给企业提供了压价因素，提高企业竞争能力。因此降低铝电解能耗是铝电解行业的重要课题。

2.1 国内发展现状

新中国的电解铝工业经过60余年的发展，在方方面面都取得了巨大的成就，我国目前是全球第一大生产国，产量占全球一半以上，并且近年来一直保持高速增长态势，电解铝产能的过度大幅扩张，意味着大量火力发电的配套建设，将间接造成环境污染，带来雾霾等负面影响。

2.2 国外发展现状

当2020年疫情之后，强刺激政策、低廉的价格、率先恢复的供应链刺激刚需需求和投机需求大幅增长，2022年4月份开始超过去年同期水平，并开始创新高。海外因为欧洲能源价格维持高位，俄乌冲突担忧俄铝减产，欧洲地区累计减产90万吨左右，但是全球其他地区例如东南亚、中东、美洲地区开始了有序的复产，供应小幅增加。

2.3 发展趋势

①新式阴极钢棒结构技术；②大型铝电解槽“全息”控制及操作技术；③预焙铝电解槽电流强化与高效节能综合技术；④新型阴极结构高效节能铝电解槽技术；⑤新型结构电解槽。

3 铝电解节能降耗的途径

3.1 合理配置母线

合理配置母线在一定程度上能削弱磁场的影响。现代铝电解槽的电流强度以及几何尺寸都日益增大，随着电流强度的增大，电流产生的磁场对生产，特别是对电流效率的影响也原来越显著。

磁场对电流效率的影响主要是磁场和电厂相互作用的结果，或者说是磁电力作用的结果，在电解生产过程中，由于存在电磁力的作用，会出现滚铝等现象。因此合理配置母线，可对磁力效应及以上几种现象予以消除或减弱。如采用惰性双极性来改造现行槽的。它将阴极和阳极通过一个连接定位架组合成一个整体，构成双极性阴—阳极组合件，悬挂在电解质和熔融铝内。这样，现行槽体仅仅成了一个容器，金属的波动对其无关紧要，故电流效率可达93%，电能效率提高到70%。但也存在着有待解决的问题，就是阳极阴极表面均为惰性材料，中间夹有双极板。

3.2 降低停槽母线压降

通过设计跨接联络导电装置，在停槽进电端侧槽周母线与上游槽槽周母线间安装停槽跨接联络导电装置，部分电流不再通过停槽短路口而改从上游电解槽槽周母线与停槽槽周母线直接联通，通过增加电流流向通道，实现并联短距导电母线增加分流和降低停槽短路口电流密度，起到降低停槽槽周母线压降的节电效果，降低吨铝电耗。

3.3 降低平均电压

电耗在吨铝成本上占很大比率，一般占成本的30%～40%。吨铝直流电耗决定于两个因素，一是平均电压，二是电流效率，平均电压的降低和电流效率的提高，皆能使吨铝电耗降低。故可以通过降低平均电压来降低吨铝直流电耗。

3.4 降低效应系数

阳极效应是发生在铝电解槽上的一种特殊现象。一般来说，阳极效应可概括为浓度效应和温度效应两种。温度效应主要是指低温造成的效应，它主要受电解质成份（分子比）、停限电、工艺技术条件等因素的影响；浓度效应主要是指氧化铝浓度偏低造成的效应，造成浓度效应的主要因素有槽控制系统、供（下）料系统、工艺技术条件等。

阳极效应对铝电解节能降耗的不利影响，一般来说，系列电流与系列电压是成比例的。当效应来临时，系列电压肯定要增大，相应地系列电流会降低，所以效应越多、时间越长，都会使系列电流降低。至于效应使电耗的增加是显而易见的。

阳极效应对铝电解生产过程稳定性破坏极大，是破坏电解槽热平衡的主要因素。降低效应系数主要是从升级优化模糊控制系统、改进供（下）料系统、优化工艺技术条件等方面着手。

3.5 改善电能质量

生产采用整流电源系统，包含多组整流变压器和整流机组等，设备在运行过程中需要吸收较大的无功功率，并产生大量高次谐波，导致功率因数降低和电压波动，并影响供电的电能质量。而电解铝对供电可靠性要求很高，劣质电能不仅危害整流系统、降低设备寿命，还会干扰连接在同一供电系统中的其他用户。电解铝企业可通过技改等手段将高压滤波电容器安装在项目专用的220千伏变电站内，用以补偿无功功率，抑制谐波污染。有效解决提高工厂运营效率并降低生产成本。

4 铝电解槽的热量损失

为了使电解槽平稳生产和增产节电，我们必须了解电解槽的热平衡，研究电解槽的热量收入和支出情况及其之间的关系。

维持电解槽热平衡的目的主要有两方面，一是使电解槽在稳定的热平衡状态下生产，热收入等于热支出；二是尽量减少热损失，同时减少热收入，达到降低平均电压、节省电能的目的。

电解槽热平衡具有一定的自我调节能力，当热收入大于热支出时，槽温升高，炉帮变薄，槽壳温度升高，散热增加，热支出增大；反之，当热收入小于热支出时，槽温降低，炉帮增厚，槽壳温度降低，散热减少，热支出减少。影响热平衡的主要因素有设定电压、极上料、铝水平、操作、烟气负压、环境温度、分子比、氧化铝浓度等。

电解槽的热平衡及热损失分布主要与电解槽的热设计有关。除此之外，电解槽的工艺技术操作对电解槽热损失的分布也有影响。热平衡是综合技术条件的反映，如控制得当，则槽子炉底比较干净；炉膛规整；槽子运行平稳，经济指标就会较好，物料消耗也会降低，物料平衡和技术条件平稳控制也能得到有力的保障。维持电解槽热平衡的目的。其一是使电解槽在稳定的热平衡状态下生产，热收入等于热支出；其二是尽量减少热损失，同时减少热收入，达到降低平均电压、节省电能的目的。

总之，电解槽热平衡的保持，必须要有合理的生产技术条件做为基础，结合现实槽子的运行状况、炉帮情况、两个水平搭配情况合理地保持分子比、调整极上保温料以最大限度的保持电解槽热平衡的稳定性。电解槽热平衡与技术条件的合理保持以及操作质量的优劣相辅相成，相互作用，相互影响，必须保持高度的统一性，以求得更好的经济价值。

5 电解铝工业的节能减排方向及途径

5.1 节能方向及途径

（1）强化电解槽管控，打牢节能降耗工作基础。电解槽分类管理、破损槽在线修补、新型试验槽按电解槽运行状况量身定制管控策略，着重开展槽壳、炉底、方钢温度监控，通过日汇总周汇报周分析，摸清电解槽槽况，便于优化工艺、稳定槽况、提高槽寿命，持续优化管控方式，保证效率优先的同时还要尊重客观规律，要从换极、收边等基础工作抓起，用精细管理推动精细化操作，更换阳极、捞渣及出铝时调整排烟阀门关小，降低负压即降低冷空气进入量；降低电流减少阳极掉渣即减少捞渣的频次，提高阳极质量减少掉渣量。降低出铝频次，调整单台的槽压力方式即烟气排放负压减少热量损失。

（2）抓关键，严把辅助用电节能关。运用结果导向法，每月抽查多功能天车、行车等设备运行情况，结合电解生产线使用效果反馈，严格开展考核，设备故障大幅减少。就多功能天车、排烟风机等高耗能设备建立起一套系统完备的管理台账，通过一手数据分析，科学做出正常维保、故障处置、大修决策。进一步盘清备品备件库存，机物料消耗精细计算到作业组，完成智能打壳气缸改造，延长气缸使用寿命，降低气耗。根据负载分布及供料净化工艺情况，动态调节支烟管阀门，平衡净化系统负压、保持车间环境，调整电解槽排烟风机运行台数及风机转速，优化厂房照明，减少照明灯开启数量及时间降低电耗。定期对槽盖板端部绝缘挡条修复，通过“旧挡条修旧安装、钢格板绝缘衬垫”等多种方法恢复槽间绝缘，提高槽间绝缘性能，定期对槽盖板端头挡条固定螺栓紧固，从源头上做好槽盖板绝缘完好率保持，设置杂物收集箱回收现场导电金属杂物等方式减少系列接地和金属搭接造成的直流电空耗。

（3）强化对标，开展车间、工区对标劳动竞赛，一月一考核，奖励先进、鞭策落后，激发一线生产和管理人员钻研技术、搞好生产的热情。对外，对标同行业先进，寻找差距，分析原因，采取有力措施，努力使各项单耗指标达到同行业先进水平。例如通过粉碎积存的壳面块，降低氧化铝单耗，采用优化辅助大功率设备运行方式、加强日常维护保养、提高运行效率等措施，降低电耗；在成功引进新型阳极专利技术基础上，对阳极进行增高、开槽工艺再优化降低阳极单耗。清理回收槽上部、地沟积存氧化铝，使用停启槽高位残极，延长换极周期，有序推进降物耗工作。

（4）引进比较先进的节能降耗技术。电解槽是铝电解的必要设备，电解槽的工作效率也影响着铝电解的能源损耗量。所以，要想实现电解铝节能降耗，还要重视新技术的引进和应用。异型阴极节能技术，当前已有错位凸台、圆弧形凸台、矩开凸台以及二级凸台等技术。这些技术的配套技术主要有异型阴极加工制作技术、焙烧启动技术、异型技术电解槽的大修筑炉技术等,异型阴极节能技术已经在350kA系列工业应用,节耗效果显著。阻流块技术，阻流块技术适用于线槽，因此可以在单槽多次放置阻流块，这样能够在线槽的龄期限内将技术优势充分发挥出来。导流槽技术，既可以降低试验槽的热支出，又可以减少热收入，最终达到降低能耗的目的。异型阴极钢棒技术，将铝电解槽阴极燕尾槽内的一整根通长钢棒分为不相连的两段，同时将每段进行“双钢棒”处理。槽周磁场平衡得到进一步优化，槽内铝液流态得到优化，与异型阴极技术相同，因槽工作电压有效降低，电解生产原铝直流电解单耗得到明显降低。

5.2 降耗方向及途径

电解铝是高耗能、高碳排放行业。每吨电解铝生产的碳排放超过每吨钢铁的6倍。2019年我国电解铝行业二氧化碳总排放量约为4.12亿吨，约占当年全国二氧化碳净排放量的5%,也是有色行业排放量最高的品种。烟气余热回收为电解铝企业节能降碳拓新路。在电解铝生产过程中，电解槽会持续产生高温气体，到达净化除尘系统时温度仍高达120℃左右，除尘系统中的布袋长期处在这样的温度下，使用寿命将明显缩短，高温烟气排入大气也产生能源浪费。随着绿色发展理念的不断深入，最大限度回收利用电解烟气余热，成为电解铝企业节能、降碳的一个重要方向。通过烟气余热回收利用节能项目的实施，对主体设备生产、烟气净化系统不产生影响，不产生二次水、气污染，减少了电解铝余热排放造成的热污染，提高了环境质量，实现了余热的再利用，并且节能环保，符合清洁、绿色生产及发展要求，对电解铝企业节能、减碳、降耗起到有力助推，是铝行业节能降碳的一个生动缩影。

降低电解铝行业能耗总量，一是通过技术工艺的改进使得电解铝单吨电耗下降，二是限制高能耗的新产能投放及淘汰落后产能。三是未雨绸缪，加大资金投入实施升级改造，提前谋划重点关注耗能设备改造和产能，依靠科技进步提高设备运行效率，降低设备能耗，积极实施危废综合回收利用项目，实现碳渣、铝灰循环复用，节约危废处置费用，确保能耗双控工作有序推进。四是综合应用电解烟气脱硫除尘降氟技术实现“超低排放”。电解烟气量大、含硫浓度较低、且含有氟化物的特点，采用成熟可靠的技术，实现电解烟气的脱硫除尘降氟、满足达标排放已刻不容缓。在干法净化工艺基础上，采用湿法脱硫除尘降氟协同处理技术去除烟气中的污染物，能够满足电解烟气污染物的“超低排放”的要求，提高企业污染物减排能力，改善大气环境质量。

从根本上进行能源消费结构的转型，一是发展水电等清洁能源代替火电的使用，用火电生产一吨电解铝的碳排放总量约为13吨，其中发电环节碳排放11.2吨，电解环节碳排放1.8吨。而用水电生产电解铝时，单吨排放量仅为1.8吨，其中发电环节无碳排放，仅有电解环节产生1.8吨的CO2。二是循环利用再生铝资源,生产一吨原铝的碳排放量约为11.2吨，而生产一吨再生铝的碳排放量仅为0.2吨。

6 节能降耗的展望

节能降碳、资源节约集约循环利用是大力推进经济高质量发展的关键。在过去数十年内，一直在进行研制惰性阳极、惰性阴极和惰性侧壁。如果能够实现，则冰晶石－氧化铝电解法的面貌将焕然一新。

研制惰性电极是为了减少铝电解中的电能消耗量，并改善其操作条件。适用的阳极材料是FeO、NiO、SnO2、Y2O3、CeO和尖晶石之类氧化物的复合材料，还有合金材料。缩短极距的有效办法是采用惰性阴极，TiB2阴极是一种很有希望的化合物，用于电解槽内很合适，因为它是惰性的，既是良导体，又能被铝湿润。如果用它做阴极，则槽内不必要有一厚层铝液。在此种情况下，铝液的波动问题可以基本上得到解决，从而可使极距较大幅度地缩短，例如缩短到2cm左右，同时槽平均电压明显降低。

7 结语

在当前“双碳双控”背景下，行业受政策影响较大。其实，电解铝虽然单位能耗较高，但是具有循环利用频次多、再利用能耗低以及延伸产品的节能性特点，因此，电解铝企业应加大与高等院校、科研院所及市场服务机构等技术创新力量的深入融合力度，着力于解决制约电解铝行业发展的节能环保、绿色低碳、固废物无害处置等一批基础性、关键性、共性技术难题，并将先进技术转化应用，填补生产应用衔接空缺，为行业的健康绿色低碳发展提供技术支撑。