淺談鋁電解過(guò)程中的節(jié)能降耗措施

王興云 任靜云 劉昆鵬 韓健文

（河南神火鋁業(yè)電力公司永城鋁廠，河南 永城 476600）

2011年中國(guó)電解鋁以1806萬(wàn)噸的產(chǎn)量連續(xù)11年居世界第一!與此相對(duì)應(yīng)的是：高能耗、高污染是電解鋁行業(yè)的典型特征，已被列為國(guó)家產(chǎn)能過(guò)剩行業(yè)。如何在行業(yè)殘酷競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整的環(huán)境中更好地存活和發(fā)展，挖掘內(nèi)潛、節(jié)能降耗、減少污染排放成為企業(yè)最為關(guān)注的課題。

一、 制約我國(guó)鋁電解業(yè)能耗、污染水平降低的因素

1 企業(yè)規(guī)模。我國(guó)共有130余家鋁電解企業(yè)，2011年廠均年產(chǎn)13.89萬(wàn)噸原鋁，可以看出規(guī)模小且生產(chǎn)率低。

2 電解鋁工藝參數(shù)一低三高。國(guó)內(nèi)鋁電解工藝參數(shù)是一低三高： 低電流密（0.15A/cm2）、高氧化鋁濃度0.5～1.0%）、過(guò)程溫度高（ 10～20℃） 和高電解質(zhì)分子比（0.1～0.2）。

3 電耗高且電流效率低。國(guó)內(nèi)預(yù)焙槽平均電流效率同國(guó)際先進(jìn)水平相比低1～4%，直流電單耗高300～500kW/t-Al。

4 陰、陽(yáng)極質(zhì)量差。國(guó)內(nèi)較低的炭陽(yáng)極質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致陽(yáng)極質(zhì)量差，噸鋁陽(yáng)極消耗量比國(guó)際先進(jìn)水平高40～60kg/t-Al。碳陽(yáng)極是鋁電解生產(chǎn)中的消耗性導(dǎo)電介質(zhì)，在電解生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生了碳渣，碳渣漂浮在電解質(zhì)表面或溶解在電解質(zhì)中，惡化電解質(zhì)體系，使電解質(zhì)電阻升高，導(dǎo)致電耗上升。陰極碳素壽命短。

5 電解槽壽命短。我國(guó)當(dāng)前采用的預(yù)焙槽平均壽命大約在1500天，而國(guó)外先進(jìn)技術(shù)則可以保證壽命至2500～3000天。

二、主要的節(jié)能技術(shù)

通過(guò)分析找出導(dǎo)致我國(guó)鋁電解業(yè)高能耗高污染的因素，結(jié)合我國(guó)鋁電解業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況，不斷探索發(fā)現(xiàn)新的生產(chǎn)鋁的節(jié)能方法，則可以大力提升鋁電解業(yè)清潔高效生產(chǎn)水平。槽控系統(tǒng)改進(jìn)、惰性陰極、惰性陽(yáng)極、室溫離子液體鋁電解、低溫熔鹽鋁電解等技術(shù)的研究均受到研究人員的廣泛關(guān)注。

1 槽控系統(tǒng)的改進(jìn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的成果，已滲透到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于大型預(yù)焙槽生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中。計(jì)算機(jī)利用模擬技術(shù)、智能控制程序，在線采集鋁電解槽的相關(guān)運(yùn)行信息，并離線錄入數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行信息處理后，發(fā)出控制和操作指令。對(duì)于已屬技術(shù)集合的電解槽技術(shù)體系，每項(xiàng)技術(shù)都會(huì)影響生產(chǎn)體系的故障診斷效率和平穩(wěn)運(yùn)行態(tài)勢(shì)。生產(chǎn)槽體系平穩(wěn)運(yùn)行就意味著高效生產(chǎn)，高效生產(chǎn)就是節(jié)能。

2 惰性陰極技術(shù)?？蓾?rùn)濕性陰極可以有效提升陰極和鋁水之間的潤(rùn)濕性能，延長(zhǎng)槽壽命，節(jié)能降耗，同時(shí)配合惰性陽(yáng)極，可以開(kāi)發(fā)出新的電解槽和電解工藝。TiB2能被金屬鋁液良好潤(rùn)濕，是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的可潤(rùn)濕性陰極中最理想的鋁電解材料。以無(wú)機(jī)物溶膠或樹(shù)脂作為粘結(jié)劑，利用TiB2與鋁液的良好潤(rùn)濕性以及良好的導(dǎo)電性，利用電化學(xué)技術(shù)在鋁電解槽炭陰極表面涂覆TiB2，降低爐底壓降，改善陰極工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效、延長(zhǎng)電解槽壽命。此外，由于TiB2能夠增強(qiáng)鋁液和陰極表面的濕潤(rùn)性，降低陰極炭塊的化學(xué)、電化學(xué)腐蝕，這些均有利于電解槽的運(yùn)行穩(wěn)定性，也能有效延長(zhǎng)槽壽命，這些都能直接達(dá)到節(jié)能增效。惰性陰極材料的主要優(yōu)點(diǎn)：有優(yōu)良的導(dǎo)電性使鋁離子直接在惰性陰極材料上放電而生成鋁。此時(shí)將不再需要保證槽內(nèi)一定的鋁液液位水平，由于鋁液涌動(dòng)減弱了波峰，陽(yáng)極和陰極之間距離可以明顯縮小到 2～3cm，從而降低了在電解質(zhì)中的電壓損耗，最終節(jié)省電能。抵抗熔融電解質(zhì)滲透能力強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)小，同時(shí)結(jié)合實(shí)用惰性陽(yáng)極和惰性陰極，可以重新設(shè)計(jì)電解槽，惰性陰極的使用可以提高電流效率和電能效率，進(jìn)而大幅度降低了鋁電解生產(chǎn)對(duì)電能的消耗。

3 惰性陽(yáng)極技術(shù)。惰性陽(yáng)極是指在目前通用的冰晶石-氧化鋁熔鹽電解中不被消耗或微量被消耗的陽(yáng)極材料。針對(duì)惰性陽(yáng)極材料的研究報(bào)道很多，目的都是為了取代現(xiàn)在通用的碳陽(yáng)極。惰性陽(yáng)極電極材料不參與電解反應(yīng)過(guò)程，陽(yáng)極氣體O2為非有害氣體，能做到無(wú)公害排放，不僅節(jié)省至少20%電能，生產(chǎn)工藝得到穩(wěn)定。由此可以看出，將惰性電極材料參與電解鋁生產(chǎn)，將在有效降低能耗的同時(shí)減少污染。

4 室溫離子液體鋁電解研究。離子液體作為金屬電沉積的電解質(zhì)，有許多優(yōu)良的理化性質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)為：（1）離子液體有著可到達(dá)4V的很寬的電化學(xué)窗口；（2）離子液體熔點(diǎn)低，所以其操作溫度可以在室溫左右，比高溫熔鹽更節(jié)能；（3）由于沒(méi)有析氫反應(yīng)等副反應(yīng)，許多水溶液中難沉積的金屬可通過(guò)此方法而被沉積出來(lái)，包括堿金屬、過(guò)渡區(qū)金屬及其合金。于先進(jìn)等利用溴化1-丁基-3-丁基甲基咪唑（BMIM）Br和AlCl3制成（BMIM）Br- AlCl3鋁基離子液體，采用三電極體系進(jìn)行鋁的電沉積應(yīng)用研究，鋁基離子液體將開(kāi)辟嶄新的鋁電解領(lǐng)域。

5 低溫熔鹽鋁電解研究。低溫鋁電解工業(yè)可以在較低鋁的溶解度下，擁有較高的電流效率。處于一定的溫度范圍內(nèi)的工業(yè)電解槽，溫度每降低10℃，其電解電流效率將提高1%。目前研究出的很多降低鋁電解溫度的方法：（1）使用輕電解質(zhì)，即低分子比電解質(zhì)，鋁液下沉。（2）鋁液上浮低溫鋁電解法，利用鋇鹽的重電解質(zhì)體系。（3）采用氧化鋁懸浮的電解質(zhì)，鋁液下沉。

氧化鋁作為煉鋁的原料，電解溫度降低到900℃以下，配合惰性陽(yáng)極、惰性陰極和絕緣側(cè)壁，每噸鋁電耗可降低到12000kW·h以下是可行的。

結(jié)語(yǔ)

總之，綠色環(huán)保節(jié)能鋁電解是電解鋁行業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向。我國(guó)鋁行業(yè)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ⒅卦阡X電解生產(chǎn)中高效利用能源，最大限度的減少能源損耗，有利于鋁行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)必須高度重視鋁電解技術(shù)的開(kāi)發(fā)和引進(jìn)，采用國(guó)際的先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)自身發(fā)展。鍋電解槽節(jié)能技術(shù)直接和電解鋁廠的生產(chǎn)成本及鋁電解生產(chǎn)能耗掛鉤。鋁電解過(guò)程中的節(jié)能降耗問(wèn)題依舊是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，節(jié)能降耗刻不容緩。

[1]邱竹賢.預(yù)培槽煉鋁[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005：466.

[2]余樹(shù)良.鋁電解槽節(jié)能技術(shù)淺析[J].甘肅冶金，2013，35（06）：38-39.