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河南电解铝产业能源结构与发展问题及对策*
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摘要：能源是人们赖以生存和发展的重要资源，受到了世界各国的广泛重视。目前，我国已成为世界上最大的能源消费与生产国。其中，河南是国内主要的能源开发和消费省份之一，相关产业
能源是人们赖以生存和发展的重要资源，受到了世界各国的广泛重视。目前，我国已成为世界上最大的能源消费与生产国。其中，河南是国内主要的能源开发和消费省份之一，相关产业近年来得到了长足进步，为社会发展提供了良好的保障。然而，省内的能源结构相对单一，基本上以煤炭为主，存在着能量利用率较低、环境污染等问题[1]。另外，水电、核电、光伏、生物质等新型清洁能源的利用不足，能源消费所占比重较小。因此，加强相关产业的能源研究是解决上述问题的重要途径。
电解铝是河南省内主要的化工、能源产业之一，在地方经济发展中起着重要的作用。早在建国初期，在郑州成立的河南铝业公司是省内第一家铝制造企业。此后，中国铝业公司、中州铝厂等企业相继建立，推动了河南电解铝产业的发展。改革开放以后，河南省依靠较为丰富的煤炭和铝土资源，并利用交通的优势建成了大批电解铝工厂，产量和产能得到了提升。近年来，河南省电解铝的年产量达到了200万吨以上，位于全国各省份的前列。由于该行业普遍采用高温电解法进行生产，致使反应过程严重依赖电能。在此背景下，受到较高电力成本的影响，电解铝企业长期面对着能源问题的困扰，带来了生产成本高、利润低、产量下滑等负面影响[2]。针对这一现状，本文对河南电解铝产业的能源问题进行了系统研究，从不同角度深入分析了其内在原因，并对该产业未来的发展提出了解决对策，以此为电解铝等化工相关行业的能源结构优化调整奠定科学研究基础。
1 河南电解铝产业能源结构现状
河南电解铝产业大多采用冰晶石和氧化铝作为主要原料，将其在950 ℃附近的高温下加热熔融后进行直流电解，从而通过电化学还原反应得到液态金属铝[3]。高温铝液经过抽出、冷却和纯化后获得商品化的铝锭，纯度大约为99.5%左右。目前，此工艺方法已发展得比较成熟，具有投资低、设备装置简便以及建设周期较短等优点。一般情况下，每生产1吨铝，大约需要消耗电能1.3万度左右。因此，根据年产量估算，河南电解铝产业的年耗电量可达到260亿度以上。可以说，该行业是典型的用电大户。以2013年为例，电解铝产业年用电量分别占据了省内社会用电总量、工业用电总量的15%和21%左右。
电解铝对电力能源的高度依赖是产业的重要特征之一，特别是当下较高的电价制约了其发展。在原料供给、生产效率、企业管理、技术水平等因素中，电力消耗对生产成本的影响最大。从河南电解铝产业的发展历程中能够看出，该领域在能源上的趋向性十分显著。上世纪末，在省内煤炭富集的地区出现了很多小火电，一定程度上促进了经济发展。后来随着金融危机的影响，为了进一步降低生产中的电力成本，很多省内电解铝企业采取了煤电铝一体化模式，即建立自备电厂或参股、控股电厂。其中，一些大型骨干企业建成并拥有了自己的电厂和煤矿，自备电厂供电比重达到了70%以上。虽然通过上述方法降低了用电成本并减轻了亏损，但是电耗仍然占据了生产成本的50%左右，难以从根本上扭转能源严重依赖的趋势。因此，电解铝产业从开始的综合实力竞争逐渐演变到电力成本为核心的竞争。
2 能源问题的内在原因
对于上述河南电解铝行业存在的能源问题来说，其内在原因主要为传统高温熔盐体系的局限性。通常情况下，冰晶石-氧化铝体系需要维持900 ℃以上的温度才能进行铝的电解生产。因此，除了电解过程本身所需要消耗的电能以外，大量的电力用于维持较高的反应温度。这造成实际生产过程中的能量利用率低，至少有一半左右的电能没有充分利用起来。
河南不仅是国内的电解铝大省，而且在技术和设备上也处于较为先进的水平。其中，一些企业已配备了容量在400 kA以上的大型电解槽，取得了一定的节能降耗效果。例如，焦作万方铝业股份有限公司参与完成的“新型阴极结构铝电解槽重大节能技术的开发应用”获得了国家科技进步奖。
在上述背景下，虽然可以通过电解槽等设备的优化改进来适当降低反应温度、提高能量利用率，但是高温熔盐电解法也不能片面追求较低的温度，还需要考虑到对体系性质的影响。过低的温度不利于氧化铝的溶解，进一步影响到电解装置的稳定性。因此，由于技术本质的缺陷，反应能耗和温度降低的幅度较为有限，仍然难以改变河南电解铝行业高能耗的局面。近年来，随着生产方法和设备的不断发展，预焙槽的容量持续增长，不过始终没有脱离扩大设备尺寸和生产电流的常规技术路径。所以，电解铝行业能耗过高的问题无法得到突破，依然严重依赖相关电力部门，从而造成了生产和能量不对等的现状。
文章来源：《云南化工》 网址: http://www.ynhgbjb.cn/qikandaodu/2021/0126/732.html