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电解铝行业技术创新的路径分析

范文

姚静武

摘? 要：在新的发展阶段，随着我国铝工业的快速发展，电解铝行业的能源消耗巨幅增加，由此而产生的“废水、废渣、废气”问题依然严重，环境严格治理势在必行。根据国家“十四五”节能减排政策，开展铝工业节能降耗和减少污染物排放已成为电解铝行业的工作重点。该文在总结分析国内外电解铝行业主要技术差距的基础上，参照世界相关行业节能减排的成功经验，并结合管理创新理论，提出了我国电解铝行业实施节能减排的技術创新措施及路径。

关键词：节能减排? 电解铝? 技术差距? 技术创新? 路径分析

中图分类号：TF821 ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? ? ?文章编号：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，我国进入创新型国家前列。面对新形势和新要求，亟需进一步完善科技创新治理体系，提升增强科技创新治理能力，实现经济社会高质量发展[1]。随着我国电解铝产量的快速增长，电解铝行业的能源消耗量快速上升。2019年，中国全社会用电量72 255亿kW·h，电解铝行业耗电约4 730亿kW·h，电解铝耗电占全社会用电量的6.55%。电解铝行业的扩张，则需要大量热电厂配套建设，热电厂建设将造成污染物排放，给当地产生雾霾。电解铝污染物排放包括氟化物、一氧化碳、二氧化硫等有毒气体。这种情况呈上升趋势。

受诸多方面的影响，中国电解铝一些关键的生产技术指标与国外先进企业相比仍存在较大的差距，这些差距是阻碍中国电解铝节能减排工作深入开展的绊脚石。因此，进一步挖掘电解铝生产相关技术的潜力，提升电解铝生产和管理水平，既能提升中国铝工业在国际市场中的竞争力，又能有效推进节能减排政策的全面执行。

1? 国内外电解铝行业的技术差距分析

由于中国电解铝生产企业在数量、规模、资金、技术等方面参差不齐，那些生产技术管理落后的企业，严重制约着我国电解铝生产的进一步发展[2]。与国外先进企业相比，中国铝工业的整体技术水平差距主要表现在电效与电耗、槽寿命以及环保治理等方面。表1显示了近几年国内外电解铝主要生产技术指标的差别。

从表1中可以看出，在相同的电解操作温度范围内、国内电解铝的电流效率、工作电压、阳极净耗等指标与国外先进企业相比波动较大，说明国内电解铝企业生产技术水平参差不齐，这就影响了中国铝工业的整体水平的提升。国内外阳极电流密度的差别更是暴露出我国电解铝阳极质量的缺陷，这种差距导致同等几何尺寸的电解槽产能相差20%以上。因为高电流密度电解槽首先代表着先进的电解铝槽设计和技术水平，使电解铝生产的成本大为降低;其次，炭阳极较高的电流密度必须要有高品质的炭阳极质量。

中国电解铝工业的发展面临着如下矛盾：一方面，金属铝是我国国民经济快速发展、建设小康社会不可或缺的重要基础原材料产业;另一方面是能源供应日趋紧张的社会现状。就电解铝而言，应该说我国电解铝产业仍有巨大的节能潜力。

电解铝企业中最大的污染排放是氟化物，从理论上讲，该污染源可通过净化回收系统基本回收利用。我国环保标准规定吨铝排氟量不应超过1 kg/t.Al，与国际标准0.6 kg/t.Al相差甚远。这些指标的实现，必将促进我国电解铝行业取得长足的发展。

2? 电解铝企业实施技术创新的意义

技术创新是电解铝企业实现节能减排和可持续发展的关键，是落实科学发展观、控制环境污染的重要步骤。电解铝企业实施技术创新具有重要意义。

2.1 是提升电解铝企业主要技术经济指标的必然要求

中国电解铝各生产企业之间铝锭综合交流电耗差距很大。美国铝业工业技术指南制定了近期电耗达到1.3万kW·h/t-Al以下，远期电耗降到1.1万 kW·h/t-Al左右。而2019年，中国电解铝企业平均综合交流电耗最高的达到1.36万kW·h/t-Al，与美国铝业技术相比有较大的差距。因此，只有通过技术创新，降低电耗，才能降低电解铝生产成本。

2.2 是电解铝企业有效控制环境污染的必然要求

电解铝企业中最大的污染排放是氟化物，其次是二氧化硫和二氧化碳温室气体。从理论上讲，这些污染源可通过净化回收系统基本回收利用。我国环保标准规定吨铝排氟量不应超过0.9 kg/t.Al，与国际标准0.6 kg/t.Al相差甚远。降低吨铝排氟化物、二氧化硫和二氧化碳排放是环保控制的必然要求。

2.3 是提高电解铝企业竞争能力的必然要求

电价的高低是影响电解铝成本的主要因素，国外的电解铝企业大多建设在电力供应充足、电价低廉的地区。毫无疑问，电价成为电解铝企业的进行市场竞争的关键因素。这就要求中国的电解铝企业必须通过技术创新，大幅度降低电耗，才能提高竞争力。

3? 节能减排促进电解铝行业技术创新的措施及路径

针对上述问题，电解铝企业必须加大技术管理创新，以期促进企业往更长远的方向发展[3]。在实施节能减排过程中，电解铝企业从以下几个方面来进行：首先是要尽可能地降低电压的平均值;其次是尽可能提高电流效率。这是电解铝生产过程中完成节能降耗的主要趋势[4]。同时，结合高校《管理创新》教学改革与实践中的新问题，针对中国电解行业技术创新提出如下措施和路径。

3.1 优化电解工艺

阳极效应发生过程中会产生全氟化碳（PFCs）等温室气体，节能减排必然促使阳极效应系数和效应持续时间的大幅度降低。在这方面主要是通过提高人们对降低阳极效应系数和效应持续时间认识水平、对电解铝槽控系统升级改造、采用自动熄灭阳极效应技术等，实现工艺技术和装备水平的提升，并运用6 Sigma法找出大幅度地降低阳极效应系数和效应持续时间的关键因素进行逐项解决，不断降低阳极效应系数和效应持续时间，使效应电压高于30 V、时间超过3min的阳极效应系数降低到0.03个/槽日以内，并应使效应持续时间小于120s，大幅度地减少全氟化碳（PFCs）等温室气体的排放量，同时也有利于提高电流效率和降低电耗。

3.2 改善电极材料性能

3.2.1 改善炭阳极材料性能

性能好的炭阳极可以承受更大的电流密度，阳极电压降低，抵抗高温氧化的能力强，阳极消耗少，电流效率高，电能消耗低，炭渣量减少，氟化盐损失降低。面对严峻的节能减排形势，炭阳极生产厂家必须确保炭陽极的质量指标（表观密度、真密度、耐压强度、CO2反应性、空气反应性、室温电阻率、热膨胀系数、灰分含量以及微量元素等），电解铝厂也应该使用质量好的炭阳极。彻底解决炭阳极质量问题是节能减排的必然选择。

目前，对我国电解铝而言，改善炭阳极质量、提高预焙阳极的高度，一年可降低生产成本10亿元以上。目前，较好的炭阳极技术创新是使用惰性炭阳极。它可以在不生产二氧化碳和更少的全氟碳的情况下将氧化铝冶炼成电解铝[5]。

3.2.2 改善阴极材料性能

由于高石墨质系列阴极碳块具有良好的导电、导热和抗钠侵蚀性能，因而在使用过程中能保证电解槽有较好的热平衡，并能使阴极电流的分布更加均匀。这对于电解槽正常、稳定运行，改善电解工艺技术指标，延长槽寿命，提高电流效率都将产生积极的影响。

目前，我国预焙电解槽的平均槽寿命偏低，这与国外先进的平均槽寿命具有明显的差距。其主要原因就是炭阳极电流密度过低，国内电流密度只有0.65～0.72 A/cm2，而国际电流密度先进水平达到0.75～0.9 A/cm2。可以看出，所使用阴极碳块的性能也是影响电流密度主要原因之一，与阴极碳块的性能有直接关系。因此，改善阴极碳块性能是中国铝工业关键技术之一，是今后中国铝工业和碳素工业的发展方向和必然趋势。

总之，电解槽炭阳极和阴极的质量高低是电解铝技术的关键，改善电解槽电极材料性能是电解铝企业技术创新的关键。

3.3 提升设备管理水平，加快大型槽和绿色电解槽的研究开发

3.3.1 加快超大型电解铝槽研发和应用步法

据专家预计，在2025年以前电解铝槽的电流强度将达到500～600 kA，槽电压降到3.9～4.0 V以下，电流效率达到96.5%～97.0%左右，直流电耗减少到? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12 000～12 500 kW·h/t.Al以下，电解铝槽阳极电流密度达到0.95A/cm2，电解铝槽寿命达到3 000天以上。这种发展趋势正在强有力地推动着作为世界第一产铝大国的中国电解铝行业组织各方面的力量，积极研究、开发和试验超500～600 kA以上的超大型电解铝槽系列。目前，我国在这方面有多家研究机构已经开始了积极的研发工作，正在研究、设计和建造超大型电解铝试验槽。

3.3.2 研究开发和应用绿色电解铝槽

从长远发展来看，节能减排必将促使绿色电解铝槽早日研发成功。使用不消耗的惰性阳极完全取代传统电解铝槽的碳素阳极，阳极排出的是氧气而不是二氧化碳和碳氟化合物;使用可湿润的惰性阴极可使熔融铝与其表面很好湿润，仅挂上一层3～5 mm厚的铝液膜即可形成平整稳定的阴极，消除了磁场的巨大影响，阴阳极的间距显著降低，吨铝电耗达到10 000～? ? ?11 000kW·h，比传统电解铝槽减少20%～30%以上;可使每吨电解铝的生产成本降低1/2～1/5;新铝厂投资可节省35%。铝因而可以以优于钢的性价比向更广阔的市场渗透，为全球工业生态化提供更大的支持。

3.4 延长产业链，促进循环经济

要实施节能减排就必须加快调整结构，运用高新技术和先进适用技术改造传统产业，淘汰高耗能、重污染的落后工艺、技术和设备;同时，集中力量研究开发提高能源资源利用效率的关键技术和共性技术[6]。节能减排必将促使电力、氧化铝、电解铝、铝加工等产业链的进一步完善，通过经济手段加快氧化铝、电解铝、铝加工企业联合重组步伐，组建具有国际竞争力的企业集团，实现优势互补，提高产业集中度。

打造“煤-电-铝”产业链是促进电解铝循环经济的较佳途径。我国“富煤、缺油、少气”的资源禀赋及新能源“阴晴不定”的能源品质，燃煤发电产业全面升级，是确保新能源顺利发展的最可靠保障[7]。电厂向电解铝厂直供电力可降低电力消耗和经营成本，提高能源利用效率，促进行业协调发展，也促进纳入电力建设的整体规划和布局的电解铝企业建设自备电厂。同时，电厂蒸汽可以用于氧化铝（电解铝原料）生产之中，可以进一步发挥循环经济的优势。

4? 结语

我国电解铝工业能耗和碳排放将在2030年前达到峰值，电解铝技术创新的节能减排潜力最大。对电解铝行业而言，节能减排的影响是极其深远和重大的，必将促进我国电解铝行业整体技术、装备和管理水平的提高。应当通过技术攻关和技术革新活动，不斷增强企业的自主创新能力。同时，电解铝企业应加强与大专院校的技术合作，对标国际标准，加快企业科技创新步伐，实现电解铝行业可持续发展。

参考文献

[1] 赵京.新发展阶段提升科技创新治理能力的路径研究[J].技术与创新管理，2021（1）：2.

[2] 金岭.电解铝生产工艺的优化分析[J].世界有色金属，2019（12）：20-21.

[3] 王瑞.现代企业管理模式创新必要性[J].科技经济导刊，2018（7）：243.

[4] 张宁，陈伟.电解铝生产节能减排技术探究[J].中国金属通报，2017（11）：100-101.

[5] 梁学民.美国铝业公司（Alcoa）铝电解技术的发展[J].轻金属，2020（1）：1-10.

[6] 刘微.浅述节能减排[J].中国经济与管理科学，2009（7）：21-22.

[7] 黄畅，张攀，王卫良，等.燃煤发电产业升级支撑我国节能减排与碳中和国家战略[J].热力发电，2021，50（4）：1-6.

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