鋁電解節(jié)能降耗的可行性分析

蘇義鵬

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 湟中 811600）

1 前言

鋁電解是高耗能行業(yè)，節(jié)能降耗不僅是國家的強(qiáng)制規(guī)定，更逐漸成為企業(yè)的自覺行為。我國電解鋁工業(yè)的能源和資源并不樂觀，節(jié)能減排的成果與“十四五”的要求相差較大；電解鋁的產(chǎn)量在逐年上升，現(xiàn)已成為世界上最大的生產(chǎn)國；電解鋁的總耗電量也逐年上升，節(jié)能降耗任重道遠(yuǎn)，應(yīng)用前景可觀。

通過電解鋁技術(shù)的改進(jìn)，降低直流電單耗，降低平均電壓（降低槽工作電壓，效應(yīng)分?jǐn)傠妷?，其它降電壓措施），提高電流效率等，作為努力的方向，同時(shí)走上低碳發(fā)展之路以及加強(qiáng)再生鋁業(yè)的發(fā)展，這樣可有效做到節(jié)能降耗。

鋁電解槽是電解煉鋁的核心設(shè)備，因此鋁電解節(jié)能降耗的重點(diǎn)要從鋁電解槽著手：

（1）提高電流效率，（合理控制槽溫，提高電流效率）。槽溫每降低10度，電流效率可提高1-2百分點(diǎn)，只要我們分析清楚引起槽溫升高或降低的原因并采取相應(yīng)的措施，將槽溫控制在合理的波動(dòng)范圍內(nèi)就可更好的做到節(jié)能降耗。

（2）降低平均電壓，作為高耗能產(chǎn)業(yè)，有效利用電能，降低能耗是電解鋁企業(yè)降低成本、提升產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵，而電能質(zhì)量技術(shù)則是幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國鋁電解企業(yè)槽電壓在4.18v～4.25v之間，最好也在4.15v左右，與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國還有一定差距，根據(jù)電解槽的實(shí)際情況，主要以降低非生產(chǎn)用電為主。

（3）降低電解槽的熱損耗，在電解槽僅更換陰極碳素材料（含碳間糊、鋼棒糊）的前提下，電解槽供給電流、陽極上部結(jié)構(gòu)及立柱散熱量、槽罩板散熱量、氧化鋁殼面散熱量、煙氣凈化帶走的熱量、槽側(cè)上部熔體及沿板散熱量、槽況工藝制度及各項(xiàng)生產(chǎn)操作、各類電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)熱和物理相變熱量的控制。

2 鋁電解節(jié)能降耗在國內(nèi)外的發(fā)展

鋁電解屬高能耗產(chǎn)業(yè),電解鋁成本中約40%屬能耗，在能源價(jià)格不斷上漲的情況下,必須加強(qiáng)對能源的投入量以及利用程度的控制。這種控制的意義，一方面是對社會(huì)節(jié)約了資源，另一方面是給企業(yè)提供了壓價(jià)因素，提高企業(yè)競爭能力。因此降低鋁電解能耗是鋁電解行業(yè)的重要課題。

2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

新中國的電解鋁工業(yè)經(jīng)過60余年的發(fā)展，在方方面面都取得了巨大的成就，我國目前是全球第一大生產(chǎn)國，產(chǎn)量占全球一半以上，并且近年來一直保持高速增長態(tài)勢，電解鋁產(chǎn)能的過度大幅擴(kuò)張，意味著大量火力發(fā)電的配套建設(shè)，將間接造成環(huán)境污染，帶來霧霾等負(fù)面影響。

2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)2020年疫情之后，強(qiáng)刺激政策、低廉的價(jià)格、率先恢復(fù)的供應(yīng)鏈刺激剛需需求和投機(jī)需求大幅增長，2022年4月份開始超過去年同期水平，并開始創(chuàng)新高。海外因?yàn)闅W洲能源價(jià)格維持高位，俄烏沖突擔(dān)憂俄鋁減產(chǎn)，歐洲地區(qū)累計(jì)減產(chǎn)90萬噸左右，但是全球其他地區(qū)例如東南亞、中東、美洲地區(qū)開始了有序的復(fù)產(chǎn)，供應(yīng)小幅增加。

2.3 發(fā)展趨勢

①新式陰極鋼棒結(jié)構(gòu)技術(shù)；②大型鋁電解槽“全息”控制及操作技術(shù)；③預(yù)焙鋁電解槽電流強(qiáng)化與高效節(jié)能綜合技術(shù)；④新型陰極結(jié)構(gòu)高效節(jié)能鋁電解槽技術(shù)；⑤新型結(jié)構(gòu)電解槽。

3 鋁電解節(jié)能降耗的途徑

3.1 合理配置母線

合理配置母線在一定程度上能削弱磁場的影響。現(xiàn)代鋁電解槽的電流強(qiáng)度以及幾何尺寸都日益增大，隨著電流強(qiáng)度的增大，電流產(chǎn)生的磁場對生產(chǎn)，特別是對電流效率的影響也原來越顯著。

磁場對電流效率的影響主要是磁場和電廠相互作用的結(jié)果，或者說是磁電力作用的結(jié)果，在電解生產(chǎn)過程中，由于存在電磁力的作用，會(huì)出現(xiàn)滾鋁等現(xiàn)象。因此合理配置母線，可對磁力效應(yīng)及以上幾種現(xiàn)象予以消除或減弱。如采用惰性雙極性來改造現(xiàn)行槽的。它將陰極和陽極通過一個(gè)連接定位架組合成一個(gè)整體，構(gòu)成雙極性陰—陽極組合件，懸掛在電解質(zhì)和熔融鋁內(nèi)。這樣，現(xiàn)行槽體僅僅成了一個(gè)容器，金屬的波動(dòng)對其無關(guān)緊要，故電流效率可達(dá)93%，電能效率提高到70%。但也存在著有待解決的問題，就是陽極陰極表面均為惰性材料，中間夾有雙極板。

3.2 降低停槽母線壓降

通過設(shè)計(jì)跨接聯(lián)絡(luò)導(dǎo)電裝置，在停槽進(jìn)電端側(cè)槽周母線與上游槽槽周母線間安裝停槽跨接聯(lián)絡(luò)導(dǎo)電裝置，部分電流不再通過停槽短路口而改從上游電解槽槽周母線與停槽槽周母線直接聯(lián)通，通過增加電流流向通道，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)短距導(dǎo)電母線增加分流和降低停槽短路口電流密度，起到降低停槽槽周母線壓降的節(jié)電效果，降低噸鋁電耗。

3.3 降低平均電壓

電耗在噸鋁成本上占很大比率，一般占成本的30%～40%。噸鋁直流電耗決定于兩個(gè)因素，一是平均電壓，二是電流效率，平均電壓的降低和電流效率的提高，皆能使噸鋁電耗降低。故可以通過降低平均電壓來降低噸鋁直流電耗。

3.4 降低效應(yīng)系數(shù)

陽極效應(yīng)是發(fā)生在鋁電解槽上的一種特殊現(xiàn)象。一般來說，陽極效應(yīng)可概括為濃度效應(yīng)和溫度效應(yīng)兩種。溫度效應(yīng)主要是指低溫造成的效應(yīng)，它主要受電解質(zhì)成份（分子比）、停限電、工藝技術(shù)條件等因素的影響；濃度效應(yīng)主要是指氧化鋁濃度偏低造成的效應(yīng)，造成濃度效應(yīng)的主要因素有槽控制系統(tǒng)、供（下）料系統(tǒng)、工藝技術(shù)條件等。

陽極效應(yīng)對鋁電解節(jié)能降耗的不利影響，一般來說，系列電流與系列電壓是成比例的。當(dāng)效應(yīng)來臨時(shí)，系列電壓肯定要增大，相應(yīng)地系列電流會(huì)降低，所以效應(yīng)越多、時(shí)間越長，都會(huì)使系列電流降低。至于效應(yīng)使電耗的增加是顯而易見的。

陽極效應(yīng)對鋁電解生產(chǎn)過程穩(wěn)定性破壞極大，是破壞電解槽熱平衡的主要因素。降低效應(yīng)系數(shù)主要是從升級優(yōu)化模糊控制系統(tǒng)、改進(jìn)供（下）料系統(tǒng)、優(yōu)化工藝技術(shù)條件等方面著手。

3.5 改善電能質(zhì)量

生產(chǎn)采用整流電源系統(tǒng)，包含多組整流變壓器和整流機(jī)組等，設(shè)備在運(yùn)行過程中需要吸收較大的無功功率，并產(chǎn)生大量高次諧波，導(dǎo)致功率因數(shù)降低和電壓波動(dòng)，并影響供電的電能質(zhì)量。而電解鋁對供電可靠性要求很高，劣質(zhì)電能不僅危害整流系統(tǒng)、降低設(shè)備壽命，還會(huì)干擾連接在同一供電系統(tǒng)中的其他用戶。電解鋁企業(yè)可通過技改等手段將高壓濾波電容器安裝在項(xiàng)目專用的220千伏變電站內(nèi)，用以補(bǔ)償無功功率，抑制諧波污染。有效解決提高工廠運(yùn)營效率并降低生產(chǎn)成本。

4 鋁電解槽的熱量損失

為了使電解槽平穩(wěn)生產(chǎn)和增產(chǎn)節(jié)電，我們必須了解電解槽的熱平衡，研究電解槽的熱量收入和支出情況及其之間的關(guān)系。

維持電解槽熱平衡的目的主要有兩方面，一是使電解槽在穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)下生產(chǎn)，熱收入等于熱支出；二是盡量減少熱損失，同時(shí)減少熱收入，達(dá)到降低平均電壓、節(jié)省電能的目的。

電解槽熱平衡具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，當(dāng)熱收入大于熱支出時(shí)，槽溫升高，爐幫變薄，槽殼溫度升高，散熱增加，熱支出增大；反之，當(dāng)熱收入小于熱支出時(shí)，槽溫降低，爐幫增厚，槽殼溫度降低，散熱減少，熱支出減少。影響熱平衡的主要因素有設(shè)定電壓、極上料、鋁水平、操作、煙氣負(fù)壓、環(huán)境溫度、分子比、氧化鋁濃度等。

電解槽的熱平衡及熱損失分布主要與電解槽的熱設(shè)計(jì)有關(guān)。除此之外，電解槽的工藝技術(shù)操作對電解槽熱損失的分布也有影響。熱平衡是綜合技術(shù)條件的反映，如控制得當(dāng)，則槽子爐底比較干凈；爐膛規(guī)整；槽子運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)就會(huì)較好，物料消耗也會(huì)降低，物料平衡和技術(shù)條件平穩(wěn)控制也能得到有力的保障。維持電解槽熱平衡的目的。其一是使電解槽在穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)下生產(chǎn)，熱收入等于熱支出；其二是盡量減少熱損失，同時(shí)減少熱收入，達(dá)到降低平均電壓、節(jié)省電能的目的。

總之，電解槽熱平衡的保持，必須要有合理的生產(chǎn)技術(shù)條件做為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)槽子的運(yùn)行狀況、爐幫情況、兩個(gè)水平搭配情況合理地保持分子比、調(diào)整極上保溫料以最大限度的保持電解槽熱平衡的穩(wěn)定性。電解槽熱平衡與技術(shù)條件的合理保持以及操作質(zhì)量的優(yōu)劣相輔相成，相互作用，相互影響，必須保持高度的統(tǒng)一性，以求得更好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 電解鋁工業(yè)的節(jié)能減排方向及途徑

5.1 節(jié)能方向及途徑

（1）強(qiáng)化電解槽管控，打牢節(jié)能降耗工作基礎(chǔ)。電解槽分類管理、破損槽在線修補(bǔ)、新型試驗(yàn)槽按電解槽運(yùn)行狀況量身定制管控策略，著重開展槽殼、爐底、方鋼溫度監(jiān)控，通過日匯總周匯報(bào)周分析，摸清電解槽槽況，便于優(yōu)化工藝、穩(wěn)定槽況、提高槽壽命，持續(xù)優(yōu)化管控方式，保證效率優(yōu)先的同時(shí)還要尊重客觀規(guī)律，要從換極、收邊等基礎(chǔ)工作抓起，用精細(xì)管理推動(dòng)精細(xì)化操作，更換陽極、撈渣及出鋁時(shí)調(diào)整排煙閥門關(guān)小，降低負(fù)壓即降低冷空氣進(jìn)入量；降低電流減少陽極掉渣即減少撈渣的頻次，提高陽極質(zhì)量減少掉渣量。降低出鋁頻次，調(diào)整單臺的槽壓力方式即煙氣排放負(fù)壓減少熱量損失。

（2）抓關(guān)鍵，嚴(yán)把輔助用電節(jié)能關(guān)。運(yùn)用結(jié)果導(dǎo)向法，每月抽查多功能天車、行車等設(shè)備運(yùn)行情況，結(jié)合電解生產(chǎn)線使用效果反饋，嚴(yán)格開展考核，設(shè)備故障大幅減少。就多功能天車、排煙風(fēng)機(jī)等高耗能設(shè)備建立起一套系統(tǒng)完備的管理臺賬，通過一手?jǐn)?shù)據(jù)分析，科學(xué)做出正常維保、故障處置、大修決策。進(jìn)一步盤清備品備件庫存，機(jī)物料消耗精細(xì)計(jì)算到作業(yè)組，完成智能打殼氣缸改造，延長氣缸使用壽命，降低氣耗。根據(jù)負(fù)載分布及供料凈化工藝情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)支煙管閥門，平衡凈化系統(tǒng)負(fù)壓、保持車間環(huán)境，調(diào)整電解槽排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，優(yōu)化廠房照明，減少照明燈開啟數(shù)量及時(shí)間降低電耗。定期對槽蓋板端部絕緣擋條修復(fù)，通過“舊擋條修舊安裝、鋼格板絕緣襯墊”等多種方法恢復(fù)槽間絕緣，提高槽間絕緣性能，定期對槽蓋板端頭擋條固定螺栓緊固，從源頭上做好槽蓋板絕緣完好率保持，設(shè)置雜物收集箱回收現(xiàn)場導(dǎo)電金屬雜物等方式減少系列接地和金屬搭接造成的直流電空耗。

（3）強(qiáng)化對標(biāo)，開展車間、工區(qū)對標(biāo)勞動(dòng)競賽，一月一考核，獎(jiǎng)勵(lì)先進(jìn)、鞭策落后，激發(fā)一線生產(chǎn)和管理人員鉆研技術(shù)、搞好生產(chǎn)的熱情。對外，對標(biāo)同行業(yè)先進(jìn)，尋找差距，分析原因，采取有力措施，努力使各項(xiàng)單耗指標(biāo)達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平。例如通過粉碎積存的殼面塊，降低氧化鋁單耗，采用優(yōu)化輔助大功率設(shè)備運(yùn)行方式、加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)、提高運(yùn)行效率等措施，降低電耗；在成功引進(jìn)新型陽極專利技術(shù)基礎(chǔ)上，對陽極進(jìn)行增高、開槽工藝再優(yōu)化降低陽極單耗。清理回收槽上部、地溝積存氧化鋁，使用停啟槽高位殘極，延長換極周期，有序推進(jìn)降物耗工作。

（4）引進(jìn)比較先進(jìn)的節(jié)能降耗技術(shù)。電解槽是鋁電解的必要設(shè)備，電解槽的工作效率也影響著鋁電解的能源損耗量。所以，要想實(shí)現(xiàn)電解鋁節(jié)能降耗，還要重視新技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用。異型陰極節(jié)能技術(shù)，當(dāng)前已有錯(cuò)位凸臺、圓弧形凸臺、矩開凸臺以及二級凸臺等技術(shù)。這些技術(shù)的配套技術(shù)主要有異型陰極加工制作技術(shù)、焙燒啟動(dòng)技術(shù)、異型技術(shù)電解槽的大修筑爐技術(shù)等,異型陰極節(jié)能技術(shù)已經(jīng)在350kA系列工業(yè)應(yīng)用,節(jié)耗效果顯著。阻流塊技術(shù)，阻流塊技術(shù)適用于線槽，因此可以在單槽多次放置阻流塊，這樣能夠在線槽的齡期限內(nèi)將技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。導(dǎo)流槽技術(shù)，既可以降低試驗(yàn)槽的熱支出，又可以減少熱收入，最終達(dá)到降低能耗的目的。異型陰極鋼棒技術(shù)，將鋁電解槽陰極燕尾槽內(nèi)的一整根通長鋼棒分為不相連的兩段，同時(shí)將每段進(jìn)行“雙鋼棒”處理。槽周磁場平衡得到進(jìn)一步優(yōu)化，槽內(nèi)鋁液流態(tài)得到優(yōu)化，與異型陰極技術(shù)相同，因槽工作電壓有效降低，電解生產(chǎn)原鋁直流電解單耗得到明顯降低。

5.2 降耗方向及途徑

電解鋁是高耗能、高碳排放行業(yè)。每噸電解鋁生產(chǎn)的碳排放超過每噸鋼鐵的6倍。2019年我國電解鋁行業(yè)二氧化碳總排放量約為4.12億噸，約占當(dāng)年全國二氧化碳凈排放量的5%,也是有色行業(yè)排放量最高的品種。煙氣余熱回收為電解鋁企業(yè)節(jié)能降碳拓新路。在電解鋁生產(chǎn)過程中，電解槽會(huì)持續(xù)產(chǎn)生高溫氣體，到達(dá)凈化除塵系統(tǒng)時(shí)溫度仍高達(dá)120℃左右，除塵系統(tǒng)中的布袋長期處在這樣的溫度下，使用壽命將明顯縮短，高溫?zé)煔馀湃氪髿庖伯a(chǎn)生能源浪費(fèi)。隨著綠色發(fā)展理念的不斷深入，最大限度回收利用電解煙氣余熱，成為電解鋁企業(yè)節(jié)能、降碳的一個(gè)重要方向。通過煙氣余熱回收利用節(jié)能項(xiàng)目的實(shí)施，對主體設(shè)備生產(chǎn)、煙氣凈化系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，不產(chǎn)生二次水、氣污染，減少了電解鋁余熱排放造成的熱污染，提高了環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了余熱的再利用，并且節(jié)能環(huán)保，符合清潔、綠色生產(chǎn)及發(fā)展要求，對電解鋁企業(yè)節(jié)能、減碳、降耗起到有力助推，是鋁行業(yè)節(jié)能降碳的一個(gè)生動(dòng)縮影。

降低電解鋁行業(yè)能耗總量，一是通過技術(shù)工藝的改進(jìn)使得電解鋁單噸電耗下降，二是限制高能耗的新產(chǎn)能投放及淘汰落后產(chǎn)能。三是未雨綢繆，加大資金投入實(shí)施升級改造，提前謀劃重點(diǎn)關(guān)注耗能設(shè)備改造和產(chǎn)能，依靠科技進(jìn)步提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低設(shè)備能耗，積極實(shí)施危廢綜合回收利用項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)碳渣、鋁灰循環(huán)復(fù)用，節(jié)約危廢處置費(fèi)用，確保能耗雙控工作有序推進(jìn)。四是綜合應(yīng)用電解煙氣脫硫除塵降氟技術(shù)實(shí)現(xiàn)“超低排放”。電解煙氣量大、含硫濃度較低、且含有氟化物的特點(diǎn)，采用成熟可靠的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電解煙氣的脫硫除塵降氟、滿足達(dá)標(biāo)排放已刻不容緩。在干法凈化工藝基礎(chǔ)上，采用濕法脫硫除塵降氟協(xié)同處理技術(shù)去除煙氣中的污染物，能夠滿足電解煙氣污染物的“超低排放”的要求，提高企業(yè)污染物減排能力，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。

從根本上進(jìn)行能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，一是發(fā)展水電等清潔能源代替火電的使用，用火電生產(chǎn)一噸電解鋁的碳排放總量約為13噸，其中發(fā)電環(huán)節(jié)碳排放11.2噸，電解環(huán)節(jié)碳排放1.8噸。而用水電生產(chǎn)電解鋁時(shí)，單噸排放量僅為1.8噸，其中發(fā)電環(huán)節(jié)無碳排放，僅有電解環(huán)節(jié)產(chǎn)生1.8噸的CO2。二是循環(huán)利用再生鋁資源,生產(chǎn)一噸原鋁的碳排放量約為11.2噸，而生產(chǎn)一噸再生鋁的碳排放量僅為0.2噸。

6 節(jié)能降耗的展望

節(jié)能降碳、資源節(jié)約集約循環(huán)利用是大力推進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。在過去數(shù)十年內(nèi)，一直在進(jìn)行研制惰性陽極、惰性陰極和惰性側(cè)壁。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，則冰晶石－氧化鋁電解法的面貌將煥然一新。

研制惰性電極是為了減少鋁電解中的電能消耗量，并改善其操作條件。適用的陽極材料是FeO、NiO、SnO2、Y2O3、CeO和尖晶石之類氧化物的復(fù)合材料，還有合金材料。縮短極距的有效辦法是采用惰性陰極，TiB2陰極是一種很有希望的化合物，用于電解槽內(nèi)很合適，因?yàn)樗嵌栊缘模仁橇紝?dǎo)體，又能被鋁濕潤。如果用它做陰極，則槽內(nèi)不必要有一厚層鋁液。在此種情況下，鋁液的波動(dòng)問題可以基本上得到解決，從而可使極距較大幅度地縮短，例如縮短到2cm左右，同時(shí)槽平均電壓明顯降低。

7 結(jié)語

在當(dāng)前“雙碳雙控”背景下，行業(yè)受政策影響較大。其實(shí)，電解鋁雖然單位能耗較高，但是具有循環(huán)利用頻次多、再利用能耗低以及延伸產(chǎn)品的節(jié)能性特點(diǎn)，因此，電解鋁企業(yè)應(yīng)加大與高等院校、科研院所及市場服務(wù)機(jī)構(gòu)等技術(shù)創(chuàng)新力量的深入融合力度，著力于解決制約電解鋁行業(yè)發(fā)展的節(jié)能環(huán)保、綠色低碳、固廢物無害處置等一批基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性、共性技術(shù)難題，并將先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，填補(bǔ)生產(chǎn)應(yīng)用銜接空缺，為行業(yè)的健康綠色低碳發(fā)展提供技術(shù)支撐。