電解鋁行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的路徑分析

姚靜武

摘? 要：在新的發(fā)展階段，隨著我國鋁工業(yè)的快速發(fā)展，電解鋁行業(yè)的能源消耗巨幅增加，由此而產(chǎn)生的“廢水、廢渣、廢氣”問題依然嚴(yán)重，環(huán)境嚴(yán)格治理勢在必行。根據(jù)國家“十四五”節(jié)能減排政策，開展鋁工業(yè)節(jié)能降耗和減少污染物排放已成為電解鋁行業(yè)的工作重點。該文在總結(jié)分析國內(nèi)外電解鋁行業(yè)主要技術(shù)差距的基礎(chǔ)上，參照世界相關(guān)行業(yè)節(jié)能減排的成功經(jīng)驗，并結(jié)合管理創(chuàng)新理論，提出了我國電解鋁行業(yè)實施節(jié)能減排的技術(shù)創(chuàng)新措施及路徑。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排? 電解鋁? 技術(shù)差距? 技術(shù)創(chuàng)新? 路徑分析

中圖分類號：TF821 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）02（c）-0087-04

Analysis of Technological Innovation Path of Electrolytic Aluminum Industry

——Based on the View of Management Innovation Teaching Reform and Practice in University

YAO Jingwu

（Yulin Normal University， Yulin， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 537000 China）

Abstract： In the new stage of development， with the rapid development of Chinese aluminum industry， the energy consumption of electrolytic aluminum industry increases greatly， and the problem of "waste water， waste residue and waste gas" produced by electrolytic aluminum industry is still serious， so it is imperative to strictly control the environment. According to the national energy saving and emission reduction policy of the 14th Five-Year Plan， the development of energy saving and consumption reduction and pollutant emission reduction in aluminum industry has become the focus of the electrolytic aluminum industry. On the basis of summarizing and analyzing the main technology gap of electrolytic aluminum industry at home and abroad， referring to the successful experience of energy saving and emission reduction in related industries in the world， and combining with the theory of management innovation， this paper puts forward the technological innovation， measures and paths for implementing energy saving and emission reduction in Chinese electrolytic aluminum industry.

Key Words： Energy saving and emission reduction; Electrolytic aluminum; Technological gap; Technological innovation; Path analysis

目前，我國進(jìn)入創(chuàng)新型國家前列。面對新形勢和新要求，亟需進(jìn)一步完善科技創(chuàng)新治理體系，提升增強科技創(chuàng)新治理能力，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展[1]。隨著我國電解鋁產(chǎn)量的快速增長，電解鋁行業(yè)的能源消耗量快速上升。2019年，中國全社會用電量72 255億kW·h，電解鋁行業(yè)耗電約4 730億kW·h，電解鋁耗電占全社會用電量的6.55%。電解鋁行業(yè)的擴張，則需要大量熱電廠配套建設(shè)，熱電廠建設(shè)將造成污染物排放，給當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生霧霾。電解鋁污染物排放包括氟化物、一氧化碳、二氧化硫等有毒氣體。這種情況呈上升趨勢。

受諸多方面的影響，中國電解鋁一些關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)與國外先進(jìn)企業(yè)相比仍存在較大的差距，這些差距是阻礙中國電解鋁節(jié)能減排工作深入開展的絆腳石。因此，進(jìn)一步挖掘電解鋁生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的潛力，提升電解鋁生產(chǎn)和管理水平，既能提升中國鋁工業(yè)在國際市場中的競爭力，又能有效推進(jìn)節(jié)能減排政策的全面執(zhí)行。

1? 國內(nèi)外電解鋁行業(yè)的技術(shù)差距分析

由于中國電解鋁生產(chǎn)企業(yè)在數(shù)量、規(guī)模、資金、技術(shù)等方面參差不齊，那些生產(chǎn)技術(shù)管理落后的企業(yè)，嚴(yán)重制約著我國電解鋁生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展[2]。與國外先進(jìn)企業(yè)相比，中國鋁工業(yè)的整體技術(shù)水平差距主要表現(xiàn)在電效與電耗、槽壽命以及環(huán)保治理等方面。表1顯示了近幾年國內(nèi)外電解鋁主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的差別。

從表1中可以看出，在相同的電解操作溫度范圍內(nèi)、國內(nèi)電解鋁的電流效率、工作電壓、陽極凈耗等指標(biāo)與國外先進(jìn)企業(yè)相比波動較大，說明國內(nèi)電解鋁企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平參差不齊，這就影響了中國鋁工業(yè)的整體水平的提升。國內(nèi)外陽極電流密度的差別更是暴露出我國電解鋁陽極質(zhì)量的缺陷，這種差距導(dǎo)致同等幾何尺寸的電解槽產(chǎn)能相差20%以上。因為高電流密度電解槽首先代表著先進(jìn)的電解鋁槽設(shè)計和技術(shù)水平，使電解鋁生產(chǎn)的成本大為降低;其次，炭陽極較高的電流密度必須要有高品質(zhì)的炭陽極質(zhì)量。

中國電解鋁工業(yè)的發(fā)展面臨著如下矛盾：一方面，金屬鋁是我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、建設(shè)小康社會不可或缺的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè);另一方面是能源供應(yīng)日趨緊張的社會現(xiàn)狀。就電解鋁而言，應(yīng)該說我國電解鋁產(chǎn)業(yè)仍有巨大的節(jié)能潛力。

電解鋁企業(yè)中最大的污染排放是氟化物，從理論上講，該污染源可通過凈化回收系統(tǒng)基本回收利用。我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定噸鋁排氟量不應(yīng)超過1 kg/t.Al，與國際標(biāo)準(zhǔn)0.6 kg/t.Al相差甚遠(yuǎn)。這些指標(biāo)的實現(xiàn)，必將促進(jìn)我國電解鋁行業(yè)取得長足的發(fā)展。

2? 電解鋁企業(yè)實施技術(shù)創(chuàng)新的意義

技術(shù)創(chuàng)新是電解鋁企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，是落實科學(xué)發(fā)展觀、控制環(huán)境污染的重要步驟。電解鋁企業(yè)實施技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

2.1 是提升電解鋁企業(yè)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的必然要求

中國電解鋁各生產(chǎn)企業(yè)之間鋁錠綜合交流電耗差距很大。美國鋁業(yè)工業(yè)技術(shù)指南制定了近期電耗達(dá)到1.3萬kW·h/t-Al以下，遠(yuǎn)期電耗降到1.1萬 kW·h/t-Al左右。而2019年，中國電解鋁企業(yè)平均綜合交流電耗最高的達(dá)到1.36萬kW·h/t-Al，與美國鋁業(yè)技術(shù)相比有較大的差距。因此，只有通過技術(shù)創(chuàng)新，降低電耗，才能降低電解鋁生產(chǎn)成本。

2.2 是電解鋁企業(yè)有效控制環(huán)境污染的必然要求

電解鋁企業(yè)中最大的污染排放是氟化物，其次是二氧化硫和二氧化碳溫室氣體。從理論上講，這些污染源可通過凈化回收系統(tǒng)基本回收利用。我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定噸鋁排氟量不應(yīng)超過0.9 kg/t.Al，與國際標(biāo)準(zhǔn)0.6 kg/t.Al相差甚遠(yuǎn)。降低噸鋁排氟化物、二氧化硫和二氧化碳排放是環(huán)保控制的必然要求。

2.3 是提高電解鋁企業(yè)競爭能力的必然要求

電價的高低是影響電解鋁成本的主要因素，國外的電解鋁企業(yè)大多建設(shè)在電力供應(yīng)充足、電價低廉的地區(qū)。毫無疑問，電價成為電解鋁企業(yè)的進(jìn)行市場競爭的關(guān)鍵因素。這就要求中國的電解鋁企業(yè)必須通過技術(shù)創(chuàng)新，大幅度降低電耗，才能提高競爭力。

3? 節(jié)能減排促進(jìn)電解鋁行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的措施及路徑

針對上述問題，電解鋁企業(yè)必須加大技術(shù)管理創(chuàng)新，以期促進(jìn)企業(yè)往更長遠(yuǎn)的方向發(fā)展[3]。在實施節(jié)能減排過程中，電解鋁企業(yè)從以下幾個方面來進(jìn)行：首先是要盡可能地降低電壓的平均值;其次是盡可能提高電流效率。這是電解鋁生產(chǎn)過程中完成節(jié)能降耗的主要趨勢[4]。同時，結(jié)合高?！豆芾韯?chuàng)新》教學(xué)改革與實踐中的新問題，針對中國電解行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新提出如下措施和路徑。

3.1 優(yōu)化電解工藝

陽極效應(yīng)發(fā)生過程中會產(chǎn)生全氟化碳（PFCs）等溫室氣體，節(jié)能減排必然促使陽極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時間的大幅度降低。在這方面主要是通過提高人們對降低陽極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時間認(rèn)識水平、對電解鋁槽控系統(tǒng)升級改造、采用自動熄滅陽極效應(yīng)技術(shù)等，實現(xiàn)工藝技術(shù)和裝備水平的提升，并運用6 Sigma法找出大幅度地降低陽極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時間的關(guān)鍵因素進(jìn)行逐項解決，不斷降低陽極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時間，使效應(yīng)電壓高于30 V、時間超過3min的陽極效應(yīng)系數(shù)降低到0.03個/槽日以內(nèi)，并應(yīng)使效應(yīng)持續(xù)時間小于120s，大幅度地減少全氟化碳（PFCs）等溫室氣體的排放量，同時也有利于提高電流效率和降低電耗。

3.2 改善電極材料性能

3.2.1 改善炭陽極材料性能

性能好的炭陽極可以承受更大的電流密度，陽極電壓降低，抵抗高溫氧化的能力強，陽極消耗少，電流效率高，電能消耗低，炭渣量減少，氟化鹽損失降低。面對嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢，炭陽極生產(chǎn)廠家必須確保炭陽極的質(zhì)量指標(biāo)（表觀密度、真密度、耐壓強度、CO2反應(yīng)性、空氣反應(yīng)性、室溫電阻率、熱膨脹系數(shù)、灰分含量以及微量元素等），電解鋁廠也應(yīng)該使用質(zhì)量好的炭陽極。徹底解決炭陽極質(zhì)量問題是節(jié)能減排的必然選擇。

目前，對我國電解鋁而言，改善炭陽極質(zhì)量、提高預(yù)焙陽極的高度，一年可降低生產(chǎn)成本10億元以上。目前，較好的炭陽極技術(shù)創(chuàng)新是使用惰性炭陽極。它可以在不生產(chǎn)二氧化碳和更少的全氟碳的情況下將氧化鋁冶煉成電解鋁[5]。

3.2.2 改善陰極材料性能

由于高石墨質(zhì)系列陰極碳塊具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗鈉侵蝕性能，因而在使用過程中能保證電解槽有較好的熱平衡，并能使陰極電流的分布更加均勻。這對于電解槽正常、穩(wěn)定運行，改善電解工藝技術(shù)指標(biāo)，延長槽壽命，提高電流效率都將產(chǎn)生積極的影響。

目前，我國預(yù)焙電解槽的平均槽壽命偏低，這與國外先進(jìn)的平均槽壽命具有明顯的差距。其主要原因就是炭陽極電流密度過低，國內(nèi)電流密度只有0.65～0.72 A/cm2，而國際電流密度先進(jìn)水平達(dá)到0.75～0.9 A/cm2?？梢钥闯?，所使用陰極碳塊的性能也是影響電流密度主要原因之一，與陰極碳塊的性能有直接關(guān)系。因此，改善陰極碳塊性能是中國鋁工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一，是今后中國鋁工業(yè)和碳素工業(yè)的發(fā)展方向和必然趨勢。

總之，電解槽炭陽極和陰極的質(zhì)量高低是電解鋁技術(shù)的關(guān)鍵，改善電解槽電極材料性能是電解鋁企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

3.3 提升設(shè)備管理水平，加快大型槽和綠色電解槽的 研究開發(fā)

3.3.1 加快超大型電解鋁槽研發(fā)和應(yīng)用步法

據(jù)專家預(yù)計，在2025年以前電解鋁槽的電流強度將達(dá)到500～600 kA，槽電壓降到3.9～4.0 V以下，電流效率達(dá)到96.5%～97.0%左右，直流電耗減少到? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12 000～12 500 kW·h/t.Al以下，電解鋁槽陽極電流密度達(dá)到0.95A/cm2，電解鋁槽壽命達(dá)到3 000天以上。這種發(fā)展趨勢正在強有力地推動著作為世界第一產(chǎn)鋁大國的中國電解鋁行業(yè)組織各方面的力量，積極研究、開發(fā)和試驗超500～600 kA以上的超大型電解鋁槽系列。目前，我國在這方面有多家研究機構(gòu)已經(jīng)開始了積極的研發(fā)工作，正在研究、設(shè)計和建造超大型電解鋁試驗槽。

3.3.2 研究開發(fā)和應(yīng)用綠色電解鋁槽

從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，節(jié)能減排必將促使綠色電解鋁槽早日研發(fā)成功。使用不消耗的惰性陽極完全取代傳統(tǒng)電解鋁槽的碳素陽極，陽極排出的是氧氣而不是二氧化碳和碳氟化合物;使用可濕潤的惰性陰極可使熔融鋁與其表面很好濕潤，僅掛上一層3～5 mm厚的鋁液膜即可形成平整穩(wěn)定的陰極，消除了磁場的巨大影響，陰陽極的間距顯著降低，噸鋁電耗達(dá)到10 000～? ? ?11 000kW·h，比傳統(tǒng)電解鋁槽減少20%～30%以上;可使每噸電解鋁的生產(chǎn)成本降低1/2～1/5;新鋁廠投資可節(jié)省35%。鋁因而可以以優(yōu)于鋼的性價比向更廣闊的市場滲透，為全球工業(yè)生態(tài)化提供更大的支持。

3.4 延長產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)

要實施節(jié)能減排就必須加快調(diào)整結(jié)構(gòu)，運用高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，淘汰高耗能、重污染的落后工藝、技術(shù)和設(shè)備;同時，集中力量研究開發(fā)提高能源資源利用效率的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)[6]。節(jié)能減排必將促使電力、氧化鋁、電解鋁、鋁加工等產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步完善，通過經(jīng)濟(jì)手段加快氧化鋁、電解鋁、鋁加工企業(yè)聯(lián)合重組步伐，組建具有國際競爭力的企業(yè)集團(tuán)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高產(chǎn)業(yè)集中度。

打造“煤-電-鋁”產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)谴龠M(jìn)電解鋁循環(huán)經(jīng)濟(jì)的較佳途徑。我國“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦及新能源“陰晴不定”的能源品質(zhì)，燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)全面升級，是確保新能源順利發(fā)展的最可靠保障[7]。電廠向電解鋁廠直供電力可降低電力消耗和經(jīng)營成本，提高能源利用效率，促進(jìn)行業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，也促進(jìn)納入電力建設(shè)的整體規(guī)劃和布局的電解鋁企業(yè)建設(shè)自備電廠。同時，電廠蒸汽可以用于氧化鋁（電解鋁原料）生產(chǎn)之中，可以進(jìn)一步發(fā)揮循環(huán)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。

4? 結(jié)語

我國電解鋁工業(yè)能耗和碳排放將在2030年前達(dá)到峰值，電解鋁技術(shù)創(chuàng)新的節(jié)能減排潛力最大。對電解鋁行業(yè)而言，節(jié)能減排的影響是極其深遠(yuǎn)和重大的，必將促進(jìn)我國電解鋁行業(yè)整體技術(shù)、裝備和管理水平的提高。應(yīng)當(dāng)通過技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)革新活動，不斷增強企業(yè)的自主創(chuàng)新能力。同時，電解鋁企業(yè)應(yīng)加強與大專院校的技術(shù)合作，對標(biāo)國際標(biāo)準(zhǔn)，加快企業(yè)科技創(chuàng)新步伐，實現(xiàn)電解鋁行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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