关于电解铝产业清洁生产的思考

李连得 孔 丹 .营口忠旺铝业有限公司 .兖矿中科清洁能源科技有限公司

引言

近年来，随着国内工业的转移，中国西南和逐渐负责大量的铝电解生产。电解铝工业是一个污染严重、能耗高的传统行业，随着国家法律法规和其他监督管理政策越来越严格，必须鼓励电解铝工业的清洁生产。本文主要解释了电解铝工业的现状，介绍了促进电解铝清洁生产产业发展的行动，并为电解铝公司的清洁生产提供了参考信息。

一、电解铝工业的现状分析

(一)生产能力迅速增长，已成为生产能力的红线

中国铝工业是建国后创立和发展的，自改革开放以来，中国铝工业在铝工业优先发展政策的指导下急剧发展，经过近40年的艰苦努力，原铝产量到1992年已超过100万吨，年产量在2001年达到342.7万吨，使其成为世界第一。自2001年以来，中国电化铝以布洛芬型高速发展，2020年未加工铝产量达到3 725万吨，占当时全球铝产量的57%。2021年由于受到“碳达峰、碳中和”政策的影响，国家近4 200万吨红线已经划定，各地受完成“碳排放以及节能降耗双控指标”压力，开始限制高耗能电解铝企业，逐步向水电丰富的云南、东南亚转移产能。

(二)消费量随产量同步增加

中国电解铝工业的增长就像铝产量逐年增加一样，中国经济继续快速发展，特别是在过去十年，推动了铝消费行业的高速增长。原铝消费量从2010年的1 683.9万吨上升到2020年的3 716.7万吨。

(三)消费结构发生变化

新基建、职能电网、太阳能发电、风电、新能源汽车等相关产业的发展，已成为拉动铝消费的新动能。中国铝消费量逐年增加，已经是世界头号铝消费国，2016年中国人均消费量为12.5千克，高于世界平均水平(10千克/人/年)，但低于发达国家，中国的铝结构与发达国家的铝消费水平存在一定差异，中国铝工业仍有进一步改善和发展的空间。

(四)淘汰落后生产能力，应用节能新技术

在2020年中国电解元件的生产能力中，400KA、500KA和600Ka沟槽类型已经占了总生产能力的大部分。新上电解槽系列均为500KA及以上大容量电解槽。外补偿、石墨化阴极、磷生铁浇铸将成为今后发展的趋势，此种配置的电解槽电流效率可长期控制住在94%以上、直流电耗12 600以下。在增加单罐产量的同时，单罐铝原料的直流能耗和铝锭的总交流能耗水平将大大降低。

二、现阶段电解铝企业经济发展面临的问题

(一)操作人员缺乏新设备创新缓慢矛盾的凸显

随着时代的发展，目前从事电解工岗位的人员年龄逐步出现老龄化现象，90后、00后新生一代愿意从事该岗位的人员越来越少，每年的夏季各大铝厂均出现电解工大量缺员的现象。目前国内电解车间换极、材料输入、罐面维护和电解罐巡逻自动化水平仍然很低，大多数手工操作仍然需要。电解车间的工作仍然属于劳动密集型工作。近几年随着自动母线框架、天车加料系统的不断普及，以及净化系统的不断提升，现场员工的作业环境有所提升，劳动强度有所降低，但电解车间环境温度高、自动化程度低的现状依旧存在，设备自动化问题仍然需要进一步解决。

(二)固废处置技术支撑能力有待加强

电解生产产生的气体废物为氟化氢、粉尘、二氧化硫气体，国内现有净化水平已经能较好的实现氟化氢气体、粉尘的回收利用，二氧化硫气体的固化工作也能较好的实现，但产生的次生废物-脱硫渣，目前仍以固体废物填埋为主，下游原材料为辅。电解槽废旧阴极、大修渣、碳渣浮选出的碳泥的处置技术也仅仅是将危废变成一般固废，且该一般固废依旧是以填满为主，且大修渣处理处置费用极高。另外铝灰(二次灰)的处置工作，目前资源化利用利用率极低。国内研究废物处置的机构、高校、科研单位较多，较为成熟的技术尚且极为缺乏。

(三)循环经济发展体制尚未形成

目前，循环经济主要是以公司层面的模式公司的清洁生产为基础，通过污染控制措施和典型的资源内部循环利用方法发展起来的，但区域循环经济尚未形成。适合发展循环经济的制度和运行机制首先要包括政府负责的制度，包括促进资源循环利用和保护资源的机制，制度和机制要充分利用循环经济,这是走新型工业化道路的根本保证,也是循环经济发展和环境保护进入宏观经济政策核心体系的根本保证。如果将生态环境和自然资源排除在宏观经济因素之外，经济管理不解决体制机制问题，循环经济的发展模式就无法实现，可持续发展只是一种理念。

三、电解铝行业矿石需求分析

中国的铝土探明储量占世界总储量的2.96%，同时，消耗了50%以上的世界矿物，生产了50%以上的电解铝。目前，中国对铝资源的依赖越来越依赖外部世界，资源瓶颈问题越来越明显。随着电解铝行业竞争的不断加剧，中国最好的行业公司越来越多地采用战略走出去，开拓非洲、澳洲、东南亚氧化铝矿市场，利用先进的海运系统将氧化铝矿石运输到中国后，在中国建设氧化铝分厂，氧化铝分厂产生的赤泥的处置，仍需要技术的不断提升。

四、清洁生产对电解铝产业的影响

(一)生产技术和设备对电解铝产业经济效益的提高

近几年随着净化设备的提高，电解槽集齐回收效果明显提高，电解粉尘、氟化氢气体排放指标远远低于国家标准，氟化盐单耗明显降低，先进企业可长期将氟化盐单耗控制在14.5Kg/t.al以内，较之前18-20Kg/t.al，吨铝成本降低50元。氧化铝稀相输送逐步改为气垫式皮带输送，降低了氧化铝的飞扬损失减少了氧化铝的粉碎程度，有利于氧化铝单耗的降低，以及电流效率的提升，均不同程度降低吨铝成本。自建碳素厂的电解铝企业还可以使用氧化铝粉作为吸附沥青烟、焙烧烟气，减少烟气的无组织排放，另外还可以大量节省烟气吸附剂，同时还减少了固化剂的使用与固体废物的产出，实现循环利用。碳渣浮选及时的运用，可将电解产生的碳渣中的冰晶石回收，回收率达到70%，大量节省了物料成本，同时大幅度减少固体废物的产生。

(二)减少资源和能源消耗

(1)电力。生产一吨铝大约需要14 000千瓦小时的电力，电价约占电解铝成本的40 %。铝电解生产的能源消耗直接关系到企业的经济效益，甚至成为一些企业维持生产的决定性因素。每吨铝的直流电流消耗是判断电解槽运行状况的最直接经济指标，主要取决于电解槽电压和电流效率。电解槽的电流消耗可通过以下公式计算：

其中：w—DC耗电量，千瓦时/千克-铝；

V—平均电压，v；

n—电流效率，%。

上述公式表明，通过降低电解室平均电压或提高电流效率，可以降低铝电解生产能耗。除了降低电解室平均电压之外，还主要有电解室效应电压、有效极距电压、阴极电压、阳极电压等。降低槽电压一般是从以上几个步骤进行。阳极效应分布电压主要通过降低阳极效应系数、作用时间和效应幅度来降低，随着氧化铝供料系统的逐步提升，以及电解槽槽控技术的不断优化，阳极效应系数基本更定，可进步的空间不大。随着石墨化阴极、大尺寸钢棒以及磷生铁浇铸技术的逐步应用，阴极压降大幅度下降，拿某电解厂500Ka电解槽为例，电解一系列采用50%石墨质、普通扎固方式、传统钢棒，电解槽运行3年后炉底压降平均在330mv，而采用新技术的电解槽炉底压降均在185mv以下，吨铝电耗可下降近450Kwh/t.al.另外新的外补偿技术，可明显降低电解槽铝液波动程度，电解槽形成较为规程的炉膛内型，在电压不变的情况下，有效电流密度明显提升，电流效率明显提升，吨铝电耗指标进一步降低。各项指标已达到一等洁净生产水平。

(三)采用新材料新技术延长电解元件的使用寿命

电解电池寿命是一项综合的技术经济指标，从行业认可的角度来看，大修材料质量、炉结构质量、启动质量和后期管理占电解电池罐总寿命的25%。电解室的使用寿命与大修成本、启动成本、铝生产、固体废物的质量、处理和排放有关，对电解铝装置的生产成本、经济和环境影响显着。为了解决这个问题，可以采用许多低成本的替代品来延长电解室的使用寿命。

五、结语

总之，作为一个传统的高能效、高污染和高排放行业，国家对电解铝行业的监管越来越严格。电解铝公司必须采取措施，通过技术条件、原材料质量管理、节能环保设备进入、设备维修等清洁生产措施，提高产业经济效益和环境效益，促进电解铝产业可持续发展。