姚靜武

摘? 要：在新的發(fā)展階段，隨著我國(guó)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(wèn)題依然嚴(yán)重，環(huán)境嚴(yán)格治理勢(shì)在必行。根據(jù)國(guó)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(diǎn)。該文在總結(jié)分析國(guó)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(yàn)，并結(jié)合管理創(chuàng)新理論，提出了我國(guó)電解鋁行業(yè)實(shí)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(hào)：TF821 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(guó)進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家前列。面對(duì)新形勢(shì)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(qiáng)科技創(chuàng)新治理能力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展[1]。隨著我國(guó)電解鋁產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)，電解鋁行業(yè)的能源消耗量快速上升。2019年，中國(guó)全社會(huì)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(huì)用電量的6.55%。電解鋁行業(yè)的擴(kuò)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(shì)。

受諸多方面的影響，中國(guó)電解鋁一些關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)與國(guó)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(guó)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(guó)鋁工業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，又能有效推進(jìn)節(jié)能減排政策的全面執(zhí)行。

1? 國(guó)內(nèi)外電解鋁行業(yè)的技術(shù)差距分析

由于中國(guó)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(guó)電解鋁生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展[2]。與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比，中國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)電解鋁的電流效率、工作電壓、陽(yáng)極凈耗等指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比波動(dòng)較大，說(shuō)明國(guó)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(guó)鋁工業(yè)的整體水平的提升。國(guó)內(nèi)外陽(yáng)極電流密度的差別更是暴露出我國(guó)電解鋁陽(yáng)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?yàn)楦唠娏髅芏入娊獠凼紫却碇冗M(jìn)的電解鋁槽設(shè)計(jì)和技術(shù)水平，使電解鋁生產(chǎn)的成本大為降低;其次，炭陽(yáng)極較高的電流密度必須要有高品質(zhì)的炭陽(yáng)極質(zhì)量。

中國(guó)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、建設(shè)小康社會(huì)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(huì)現(xiàn)狀。就電解鋁而言，應(yīng)該說(shuō)我國(guó)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(guò)凈化回收系統(tǒng)基本回收利用。我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定噸鋁排氟量不應(yīng)超過(guò)1 kg/t.Al，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)0.6 kg/t.Al相差甚遠(yuǎn)。這些指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必將促進(jìn)我國(guó)電解鋁行業(yè)取得長(zhǎng)足的發(fā)展。

2? 電解鋁企業(yè)實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新的意義

技術(shù)創(chuàng)新是電解鋁企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，是落實(shí)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(shí)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(guó)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(guó)鋁業(yè)工業(yè)技術(shù)指南制定了近期電耗達(dá)到1.3萬(wàn)kW·h/t-Al以下，遠(yuǎn)期電耗降到1.1萬(wàn) kW·h/t-Al左右。而2019年，中國(guó)電解鋁企業(yè)平均綜合交流電耗最高的達(dá)到1.36萬(wàn)kW·h/t-Al，與美國(guó)鋁業(yè)技術(shù)相比有較大的差距。因此，只有通過(guò)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(guò)凈化回收系統(tǒng)基本回收利用。我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定噸鋁排氟量不應(yīng)超過(guò)0.9 kg/t.Al，與國(guó)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)?？刂频谋厝灰?。

2.3 是提高電解鋁企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的必然要求

電價(jià)的高低是影響電解鋁成本的主要因素，國(guó)外的電解鋁企業(yè)大多建設(shè)在電力供應(yīng)充足、電價(jià)低廉的地區(qū)。毫無(wú)疑問(wèn)，電價(jià)成為電解鋁企業(yè)的進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵因素。這就要求中國(guó)的電解鋁企業(yè)必須通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，大幅度降低電耗，才能提高競(jìng)爭(zhēng)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(duì)上述問(wèn)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(zhǎng)遠(yuǎn)的方向發(fā)展[3]。在實(shí)施節(jié)能減排過(guò)程中，電解鋁企業(yè)從以下幾個(gè)方面來(lái)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(guò)程中完成節(jié)能降耗的主要趨勢(shì)[4]。同時(shí)，結(jié)合高校《管理創(chuàng)新》教學(xué)改革與實(shí)踐中的新問(wèn)題，針對(duì)中國(guó)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(yáng)極效應(yīng)發(fā)生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生全氟化碳（PFCs）等溫室氣體，節(jié)能減排必然促使陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時(shí)間的大幅度降低。在這方面主要是通過(guò)提高人們對(duì)降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時(shí)間認(rèn)識(shí)水平、對(duì)電解鋁槽控系統(tǒng)升級(jí)改造、采用自動(dòng)熄滅陽(yáng)極效應(yīng)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)和裝備水平的提升，并運(yùn)用6 Sigma法找出大幅度地降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時(shí)間的關(guān)鍵因素進(jìn)行逐項(xiàng)解決，不斷降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)和效應(yīng)持續(xù)時(shí)間，使效應(yīng)電壓高于30 V、時(shí)間超過(guò)3min的陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)降低到0.03個(gè)/槽日以內(nèi)，并應(yīng)使效應(yīng)持續(xù)時(shí)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(shí)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(yáng)極材料性能

性能好的炭陽(yáng)極可以承受更大的電流密度，陽(yáng)極電壓降低，抵抗高溫氧化的能力強(qiáng)，陽(yáng)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(duì)嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢(shì)，炭陽(yáng)極生產(chǎn)廠家必須確保炭陽(yáng)極的質(zhì)量指標(biāo)（表觀密度、真密度、耐壓強(qiáng)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(yáng)極。徹底解決炭陽(yáng)極質(zhì)量問(wèn)題是節(jié)能減排的必然選擇。

目前，對(duì)我國(guó)電解鋁而言，改善炭陽(yáng)極質(zhì)量、提高預(yù)焙陽(yáng)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(yáng)極技術(shù)創(chuàng)新是使用惰性炭陽(yáng)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?jí)K具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗鈉侵蝕性能，因而在使用過(guò)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(duì)于電解槽正常、穩(wěn)定運(yùn)行，改善電解工藝技術(shù)指標(biāo)，延長(zhǎng)槽壽命，提高電流效率都將產(chǎn)生積極的影響。

目前，我國(guó)預(yù)焙電解槽的平均槽壽命偏低，這與國(guó)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(yáng)極電流密度過(guò)低，國(guó)內(nèi)電流密度只有0.65～0.72 A/cm2，而國(guó)際電流密度先進(jìn)水平達(dá)到0.75～0.9 A/cm2。可以看出，所使用陰極碳?jí)K的性能也是影響電流密度主要原因之一，與陰極碳?jí)K的性能有直接關(guān)系。因此，改善陰極碳?jí)K性能是中國(guó)鋁工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一，是今后中國(guó)鋁工業(yè)和碳素工業(yè)的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。

總之，電解槽炭陽(yáng)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(jì)，在2025年以前電解鋁槽的電流強(qiáng)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(yáng)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(shì)正在強(qiáng)有力地推動(dòng)著作為世界第一產(chǎn)鋁大國(guó)的中國(guó)電解鋁行業(yè)組織各方面的力量，積極研究、開發(fā)和試驗(yàn)超500～600 kA以上的超大型電解鋁槽系列。目前，我國(guó)在這方面有多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始了積極的研發(fā)工作，正在研究、設(shè)計(jì)和建造超大型電解鋁試驗(yàn)槽。

3.3.2 研究開發(fā)和應(yīng)用綠色電解鋁槽

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)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(yáng)極完全取代傳統(tǒng)電解鋁槽的碳素陽(yáng)極，陽(yáng)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(rùn)的惰性陰極可使熔融鋁與其表面很好濕潤(rùn)，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(chǎng)的巨大影響，陰陽(yáng)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(jià)比向更廣闊的市場(chǎng)滲透，為全球工業(yè)生態(tài)化提供更大的支持。

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

要實(shí)施節(jié)能減排就必須加快調(diào)整結(jié)構(gòu)，運(yùn)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(shí)，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(guò)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)集團(tuán)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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(guó)“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(jí)，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(yíng)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(shí)，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(shì)。

4? 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)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(duì)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(guó)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(guò)技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)革新活動(dòng)，不斷增強(qiáng)企業(yè)的自主創(chuàng)新能力。同時(shí)，電解鋁企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與大專院校的技術(shù)合作，對(duì)標(biāo)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，加快企業(yè)科技創(chuàng)新步伐，實(shí)現(xiàn)電解鋁行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙京.新發(fā)展階段提升科技創(chuàng)新治理能力的路徑研究[J].技術(shù)與創(chuàng)新管理，2021（1）：2.

[2] 金嶺.電解鋁生產(chǎn)工藝的優(yōu)化分析[J].世界有色金屬，2019（12）：20-21.

[3] 王瑞.現(xiàn)代企業(yè)管理模式創(chuàng)新必要性[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018（7）：243.

[4] 張寧，陳偉.電解鋁生產(chǎn)節(jié)能減排技術(shù)探究[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2017（11）：100-101.

[5] 梁學(xué)民.美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）鋁電解技術(shù)的發(fā)展[J].輕金屬，2020（1）：1-10.

[6] 劉微.淺述節(jié)能減排[J].中國(guó)經(jīng)濟(jì)與管理科學(xué)，2009（7）：21-22.

[7] 黃暢，張攀，王衛(wèi)良，等.燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)升級(jí)支撐我國(guó)節(jié)能減排與碳中和國(guó)家戰(zhàn)略[J].熱力發(fā)電，2021，50（4）：1-6.