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摘要：中國是全球最大的原鋁生產國，已經連續數年電解鋁產量占全球年總產量的一半以上。電解鋁工業則是有色行業中的傳統耗能大戶，電解鋁高耗能的現狀與國家提出的綠色發展以及建設資源節約型、環境友好型社會等發展理念不吻合。因此，鋁電解節能技術受到電解鋁行業的高度重視并成為本行業科研工作的重點和難點。本文將對近十幾年比較重要的鋁電解槽節能技術做介紹和分析，同時指出了未來鋁電解節能技術發展的方向和趨勢，以供鋁電解技術工作者參考。

關鍵詞：鋁電解槽；節能技術；特點；發展方向

節能減排是當今中國各工業領域工作的重中之重，國家高度重視節能減排工作。電解鋁工業則是有色行業中的傳統耗能大戶，因此加強鋁電解行業的節能減排顯得尤為重要[1，2]。在節能減排、綠色發展成為當今世界經濟發展主題的今天，各大鋁業公司從來沒有停止過在電解鋁領域的研發工作，一直投入巨資開展節能技術開發研究，以占領鋁電解綠色發展的制高點。近十幾年來，中國電解鋁產量快速增長，從2005年778萬噸，迅速發展到2018年的3430萬噸，伴隨著產量的快速增長，鋁電解節能技術也在國內蓬勃發展，國內鋁電解科技工作者在降低鋁電解槽電壓方面研發了多種新的節能技術[3-5]，如無效應低電壓技術、異形陰極技術、雙鋼棒技術等，槽電壓較之前有較大幅度的降低，取得了良好的節能效果，這些技術在不同的階段對推動節能降耗均發揮了重要作用。最新出現的新型穩流保溫鋁電解節能技術及更低能耗鋁電解節能技術是目前鋁電解節能方面最為先進的技術，使行業噸鋁直流電耗大幅降低。本文詳細介紹各種節能技術，通過對鋁電解節能特點分析，為以后鋁電解節能技術的研發提供一些參考，同時指出了未來鋁電解節能技術發展的方向和趨勢。

1鋁電解節能技術現狀

我國的電解鋁產量在國際上處于遙遙領先的地位，鋁電解技術在國際上也處于領先水平，伴隨著產量的不斷增長，鋁電解節能技術同樣取得了巨大進步，形成了一系列先進技術，這些技術在節能降耗方面發揮了重要作用，下面就對這些有代表性的鋁電解節能技術作較為詳細的介紹和分析。1.1無效應低電壓技術。中國鋁業鄭州研究院和部分電解鋁企業從2004年開始通過聯合技術攻關，突破了電解鋁等待效應及高槽電壓運行的傳統工藝技術，成功開發了鋁電解槽長期無效應狀態下高效穩定運行的工藝技術、控制技術和低電壓鋁電解節能成套關鍵技術[6]。通過對氧化鋁溶解性能和碳渣分離機理的研究，發現了當氧化鋁濃度處于1.5%~2.5%的低窄范圍時，電解質與炭渣具有良好分離性能，且氧化鋁溶解性能良好，爐底不產生沉淀，探明了電解槽不再需要陽極效應來熔化清理爐底沉淀和分離炭渣的規律。通過對氧化鋁濃度與槽電阻關系的研究，開發了以一元二次偏拋物線回歸模型為基礎的無效應電解鋁控制技術，解決了氧化鋁濃度精確預估與控制的技術難題，取消了效應等待的控制策略、提高了氧化鋁濃度控制精度，為無效應電解工藝技術的實施提供了技術保障。開發了基于能量平衡為基礎的與低電壓條件相匹配的低溫鋁電解工藝技術，為降低槽電壓提供了科學依據。首次在工業上實現了鋁電解的無陽極效應低電壓工藝生產運行，形成了一整套無效應低耗能的鋁電解生產工藝技術。該技術2004年在國家大型鋁電解工業試驗基地進行工業試驗，試驗槽陽極效應系數平均0.004次/槽.日，推廣后平均陽極效應系數<0.03次/槽.日；槽電壓降低293mV，噸鋁節電1125kWh。2006年中鋁公司在所有槽型上全面推廣該技術，獲得了巨大經濟效益，該技術研發成功后，迅速在鋁行業得到推廣應用，極大地推動了鋁工業的節能減排和科技進步。但是該技術在應用過程中也存在問題，主要問題有：①各應用企業間能耗差別大；②個別企業前期應用效果良好，后期指標有所反彈；③精益管理受人為因素影響較大。1.2異型陰極技術。東北大學、中國鋁業股份有限公司等自2007年起開始對鋁電解重大節能技術進行系統研究，并成功開發出新型陰極結構鋁電解槽成套技術[7]。新型陰極結構阻流技術主要是通過陰極凸臺降低鋁液流速，提高鋁液穩定性，提高電解槽穩定性，從而降低槽電壓，降低電解槽能耗，異形陰極鋁電解槽在焙燒啟動期間，會因陰極凸臺受熱不均，產生熱應力而造成脫落，且部分企業脫落現象嚴重，脫落比例較大。陰極凸臺的脫落會影響凸臺的阻流作用，影響進一步節能降耗效果。并且部分企業在應用異形陰極技術過程中出現電壓反彈、能耗不能保持的現象，出現這一現象的主要原因有：①焙燒啟動期間出現陰極凸臺脫落的現象；②爐底沉淀多，使異形陰極電解槽的阻流作用難以發揮；③操作管理難度加大。1.3阻流塊技術。沈陽鋁鎂設計研究院發明了的鋁電解槽阻流節能新技術[8]，以現有在產電解槽為基礎，不對鋁電解槽進行任何結構改變，通過在鋁液中放入阻擋塊，降低鋁液流速，抑制鋁液波動，提高電解槽穩定性，調整電解槽工藝參數，從而達到降低極距，提高電流效率、降低電耗的目的。阻流塊技術的缺點是阻流塊在電解槽中的位置不固定，會出現漂移，操作管理難度大，有時還會影響到換極作業。并且還會逐漸被溶解，失去阻流的效果，現在已經基本不用。1.4雙鋼棒技術。雙鋼棒鋁電解節能技術通過在陰極鋼棒上開縫改變靠近出電端鋼棒的電阻，從而降低水平電流，提高電解槽穩定性，降低槽電壓，降低能耗[9-11]。雙鋼棒技術在前期應用過程中取得了良好的效果，水平電流大幅降低，節電效果比較明顯。雙鋼棒技術在應用過程中存在以下問題：①通過絕緣調整陰極電阻容易引起陰極局部電流過于集中，熱應力大；②局部電流集中容易造成局部過熱，造成爐底散熱偏大。雙鋼棒鋁電解節能技術在企業應用過程中還出現了陰極區散熱分布不合理的問題，對電解槽的平穩運行及指標造成了較大影響。1.5富鋰氧化鋁的鋁電解節能技術。富鋰氧化鋁的電解鋁節能技術主要是針對當前電解質體系中鋰鉀富集造成電解質成分復雜化，指標惡化提出了解決方法，通過工藝條件調整，或獲得較好能耗指標[12]。該技術揭示了鋰含量、分子比與電流效率的規律，突破了降低電解溫度提高電流效率傳統理論對鋁電解工藝技術的束縛，為富鋰氧化鋁低溫電解槽的正常生產運行提供了理論支撐。當電解溫度過低時，氧化鋁在電解質中的溶解能力成為制約電解鋁生產的主導因素，將出現爐底沉淀增加槽況惡化的現象；當調整成分無法將電解溫度保持在正常運行范圍的時候，電解質中鋰鹽濃度就是極限濃度。根據電解質成分的不同，其濃度范圍在5.6%~7.0%。開發了富鋰氧化鋁的調控技術，解決了電解鋁企業合理匹配富鋰氧化鋁使用的技術難題。建立富鋰氧化鋁中鋰含量與電解質中氟化鋰平衡濃度的關系模型，推薦的富鋰氧化鋁中氧化鋰含量控制在0.05%比較適宜，對應的電解質中的LiF含量在3.5%~5%。企業可將幾種不同鋰含量的氧化鋁混配使用，以達到既節能又降低采購成本的目的。研發了導電率大于2.5s/cm的高導電電解質體系，開辟了通過提升電解質導電率實現電解鋁節能的新途徑，為企業選取工藝技術路線提供了理論指導和實踐支撐。雖然電解質中鋰鹽含量的增加，會導致電流效率降低，但該電解質體系仍有300kWh/t-Al~600kWh/t-Al的節能空間。開發了不同鋰鹽含量下富鋰氧化鋁鋁電解的工藝匹配技術。以上四項技術構成了富鋰氧化鋁的鋁電解節能技術體系。工業應用表明，高鋰低溫狀態下富鋰氧化鋁的鋁電解節能技術應用，取得了電流效率提高0.7%~1.3%，直流電耗降低150kWh/t-Al~300kWh/t-Al，氟化鋁單耗降低2kg~3kg的效果。較低鋰鹽狀態下，采用了導電率大于2.5s/cm的富鋰氧化鋁鋁電解節能技術，實現直流電耗降低400kWh/t-Al，傳統電解槽鋁錠綜合能耗達到13350kWh/tAl。1.6新型穩流保溫鋁電解節能技術。新型穩流保溫鋁電解節能技術突破了傳統鋁電解低電壓低效率的技術缺陷，首次實現了鋁電解槽低電壓下高效率平穩運行，電解槽平均電壓3.70V~3.71V之間，電流效率達到93.0%~93.5%，直流電耗達到11815kWh/t-Al以下。建立了鋁液、陰極碳塊、鋼棒同步優化組合復合穩流模式，在陽極電流密度0.74A/cm2時，陰極壓降可降低至145mV，同時優化了陰極鋁液和陰極碳塊的電流分布，使鋁液和陰極碳塊中的電流分布更加均勻，中縫位置陰極碳塊垂直電流密度電流增加了2.9%，出電端垂直電流降低了32.7%。創新了電解槽能量平衡設計理念，更加注重電解質初晶溫度等溫線在內襯材料中的位置，在確保陰極碳塊不會受到冷凍破壞的同時，又可使保溫材料不會受到破壞，既減少了電解槽的底部散熱，又可保障槽壽命。首次開發出了穩流高導鋼棒，常溫電導率由普通鋼棒的4.03m/Ω•mm2提高到9.45m/Ω•mm2[13]。目前，新型穩流保溫鋁電解槽節能技術推廣產能約200萬噸，涉及產能將近1000萬噸。企業施用該技術后，原系列噸鋁直流電耗13000kWh/t-Al以上的系列較實施前均取得噸鋁節電500kWh以上的效果，原噸鋁直流電耗13000kWh/t-Al以下的系列均實現鋁液直流電耗小于12500kWh/t-Al。該技術于2016年榮獲中國有色協會科技進步一等獎，2017年被國家發改委列入國家重點節能低碳技術推廣目錄，2018年被國家發改委評為2018年度中國工業領域十佳節能技術，2019年獲河南省科技進步二等獎。1.7更低能耗鋁電解節能技術。更低能耗鋁電解節能技術采用單鋼棒技術降低鋁液水平電流和爐底壓降，結合陰極結構阻尼技術，發揮各穩流技術的優勢，形成復合穩流技術，同時開發出高導電鋼棒，共同實現降低鋁液水平電流，降低爐底壓降，降低鋁液界面變形和流速的目的；開發出與復合穩流技術相匹配的低爐底壓降磷生鐵澆鑄技術，結合陽極鋼爪優化技術，形成了更低能耗下電壓平衡技術。然后通過上部集氣方式改造和密封形成低煙氣流量高集氣效率技術、槽內襯結構優化降低側部散熱技術和低爐底壓降爐底保溫技術的開發，形成了更低能耗下能量平衡技術。最后通過更低能耗下電壓平衡、能量平衡與工藝參數綜合匹配技術，智能打殼管控系統確保電解槽在更低能耗下長期穩定運行[14]。試驗槽長期平均鋁液直流電耗達到12053kWh/t-Al，其中一臺試驗槽獲得鋁液直流電耗11626kWh/t-Al的最好指標；系列推廣應用后，平均鋁液直流電耗可以達到12160kWh/t-Al，與目前國內平均鋁液直流電耗13000kWh/t-Al相比，噸鋁節電800kWh以上，節能降耗效果顯著，技術經濟指標先進。

2鋁電解節能技術發展方向

節能技術的研發是鋁電解工作的重中之重，隨著鋁電解技術的不斷進步，未來鋁電解的直流電耗會逐漸降低。通過降低電解槽各部分壓降來降低槽電壓，以及提高電流效率是節能的兩個主要方面。在降低槽電壓方面，可開展的工作主要有采用優質陽極降低陽極壓降，選用高導電材料替代陽極鐵質鋼爪和陰極鋼棒，磷生鐵澆注技術降低陰極壓降以及提高電解質導電性能降低極間壓降等等。可以通過上部結構改造和內襯材料優選設計等措施來減少散熱。在提高電流效率方面，可以在陰極穩流和降低水平電流方面做研究。降低槽電壓的同時，輔以提高電流效率，二者相結合最終實現鋁電解的節能降耗。

作者:星占雄 單位:中國鋁業青海分公司