鄭 勇，田大勇，牛永生，侯紹剛

(安陽工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

能源是人們賴以生存和發(fā)展的重要資源，受到了世界各國的廣泛重視。目前，我國已成為世界上最大的能源消費(fèi)與生產(chǎn)國。其中，河南是國內(nèi)主要的能源開發(fā)和消費(fèi)省份之一，相關(guān)產(chǎn)業(yè)近年來得到了長足進(jìn)步，為社會(huì)發(fā)展提供了良好的保障。然而，省內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)相對單一，基本上以煤炭為主，存在著能量利用率較低、環(huán)境污染等問題[1]。另外，水電、核電、光伏、生物質(zhì)等新型清潔能源的利用不足，能源消費(fèi)所占比重較小。因此，加強(qiáng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的能源研究是解決上述問題的重要途徑。

電解鋁是河南省內(nèi)主要的化工、能源產(chǎn)業(yè)之一，在地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。早在建國初期，在鄭州成立的河南鋁業(yè)公司是省內(nèi)第一家鋁制造企業(yè)。此后，中國鋁業(yè)公司、中州鋁廠等企業(yè)相繼建立，推動(dòng)了河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。改革開放以后，河南省依靠較為豐富的煤炭和鋁土資源，并利用交通的優(yōu)勢建成了大批電解鋁工廠，產(chǎn)量和產(chǎn)能得到了提升。近年來，河南省電解鋁的年產(chǎn)量達(dá)到了200萬噸以上，位于全國各省份的前列。由于該行業(yè)普遍采用高溫電解法進(jìn)行生產(chǎn)，致使反應(yīng)過程嚴(yán)重依賴電能。在此背景下，受到較高電力成本的影響，電解鋁企業(yè)長期面對著能源問題的困擾，帶來了生產(chǎn)成本高、利潤低、產(chǎn)量下滑等負(fù)面影響[2]。針對這一現(xiàn)狀，本文對河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的能源問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從不同角度深入分析了其內(nèi)在原因，并對該產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展提出了解決對策，以此為電解鋁等化工相關(guān)行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整奠定科學(xué)研究基礎(chǔ)。

1 河南電解鋁產(chǎn)業(yè)能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

河南電解鋁產(chǎn)業(yè)大多采用冰晶石和氧化鋁作為主要原料，將其在950 ℃附近的高溫下加熱熔融后進(jìn)行直流電解，從而通過電化學(xué)還原反應(yīng)得到液態(tài)金屬鋁[3]。高溫鋁液經(jīng)過抽出、冷卻和純化后獲得商品化的鋁錠，純度大約為99.5%左右。目前，此工藝方法已發(fā)展得比較成熟，具有投資低、設(shè)備裝置簡便以及建設(shè)周期較短等優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，每生產(chǎn)1噸鋁，大約需要消耗電能1.3萬度左右。因此，根據(jù)年產(chǎn)量估算，河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的年耗電量可達(dá)到260億度以上。可以說，該行業(yè)是典型的用電大戶。以2013年為例，電解鋁產(chǎn)業(yè)年用電量分別占據(jù)了省內(nèi)社會(huì)用電總量、工業(yè)用電總量的15%和21%左右。

電解鋁對電力能源的高度依賴是產(chǎn)業(yè)的重要特征之一，特別是當(dāng)下較高的電價(jià)制約了其發(fā)展。在原料供給、生產(chǎn)效率、企業(yè)管理、技術(shù)水平等因素中，電力消耗對生產(chǎn)成本的影響最大。從河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程中能夠看出，該領(lǐng)域在能源上的趨向性十分顯著。上世紀(jì)末，在省內(nèi)煤炭富集的地區(qū)出現(xiàn)了很多小火電，一定程度上促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。后來隨著金融危機(jī)的影響，為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)中的電力成本，很多省內(nèi)電解鋁企業(yè)采取了煤電鋁一體化模式，即建立自備電廠或參股、控股電廠。其中，一些大型骨干企業(yè)建成并擁有了自己的電廠和煤礦，自備電廠供電比重達(dá)到了70%以上。雖然通過上述方法降低了用電成本并減輕了虧損，但是電耗仍然占據(jù)了生產(chǎn)成本的50%左右，難以從根本上扭轉(zhuǎn)能源嚴(yán)重依賴的趨勢。因此，電解鋁產(chǎn)業(yè)從開始的綜合實(shí)力競爭逐漸演變到電力成本為核心的競爭。

2 能源問題的內(nèi)在原因

對于上述河南電解鋁行業(yè)存在的能源問題來說，其內(nèi)在原因主要為傳統(tǒng)高溫熔鹽體系的局限性。通常情況下，冰晶石-氧化鋁體系需要維持900 ℃以上的溫度才能進(jìn)行鋁的電解生產(chǎn)。因此，除了電解過程本身所需要消耗的電能以外，大量的電力用于維持較高的反應(yīng)溫度。這造成實(shí)際生產(chǎn)過程中的能量利用率低，至少有一半左右的電能沒有充分利用起來。

河南不僅是國內(nèi)的電解鋁大省，而且在技術(shù)和設(shè)備上也處于較為先進(jìn)的水平。其中，一些企業(yè)已配備了容量在400 kA以上的大型電解槽，取得了一定的節(jié)能降耗效果。例如，焦作萬方鋁業(yè)股份有限公司參與完成的“新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽重大節(jié)能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用”獲得了國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

在上述背景下，雖然可以通過電解槽等設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)來適當(dāng)降低反應(yīng)溫度、提高能量利用率，但是高溫熔鹽電解法也不能片面追求較低的溫度，還需要考慮到對體系性質(zhì)的影響。過低的溫度不利于氧化鋁的溶解，進(jìn)一步影響到電解裝置的穩(wěn)定性。因此，由于技術(shù)本質(zhì)的缺陷，反應(yīng)能耗和溫度降低的幅度較為有限，仍然難以改變河南電解鋁行業(yè)高能耗的局面。近年來，隨著生產(chǎn)方法和設(shè)備的不斷發(fā)展，預(yù)焙槽的容量持續(xù)增長，不過始終沒有脫離擴(kuò)大設(shè)備尺寸和生產(chǎn)電流的常規(guī)技術(shù)路徑。所以，電解鋁行業(yè)能耗過高的問題無法得到突破，依然嚴(yán)重依賴相關(guān)電力部門，從而造成了生產(chǎn)和能量不對等的現(xiàn)狀。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

為了應(yīng)對存在的問題并使企業(yè)擺脫目前的困境，河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾點(diǎn)。

(1)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展離不開商業(yè)化的鋁產(chǎn)品。從長遠(yuǎn)來看，河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的市場需求和應(yīng)用空間仍有較大的增長潛力，主要集中在建筑、交通運(yùn)輸、電力和機(jī)械等行業(yè)。值得注意的是，在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型與消費(fèi)提升的驅(qū)動(dòng)下，人們對鋁的種類和品質(zhì)需求越來越高。其中，高精度、高純度的鋁箔、鋁板、鋁粉、鋁帶等已成為了具有廣闊前景的消費(fèi)品[4]。因此，高端鋁產(chǎn)品的市場仍將保持較為旺盛的需求。另一方面，省內(nèi)人均鋁的消費(fèi)量與發(fā)達(dá)地區(qū)還有一定的差距，消費(fèi)量的頂峰尚未真正到來，在未來必將繼續(xù)帶動(dòng)電解鋁生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展。

(2)電解鋁產(chǎn)業(yè)對能源的依賴將會(huì)長期持續(xù)。在河南電解鋁相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈中，受制于上游礦產(chǎn)資源的稀缺性，鋁土礦工業(yè)的盈利前景較好。另外，歸功于較高的附加值，下游的鋁加工也有著較大的利潤空間。相比之下，位于中心的電解鋁成為了產(chǎn)業(yè)鏈中最為薄弱的環(huán)節(jié)。從產(chǎn)業(yè)均衡的角度來看，為了促進(jìn)企業(yè)脫困增效、擺脫長期虧損的局面，未來的發(fā)展中需要推動(dòng)煤電鋁的一體化、規(guī)?；?。同時(shí)，強(qiáng)化資源的調(diào)控，提高能源的利用率，保障產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)性、完整性。

(3)由于傳統(tǒng)高溫熔鹽電解鋁技術(shù)的固有局限性，反應(yīng)難以大幅降低能耗和溫度。因此，如果從根本上來解決這一問題，則需要研發(fā)新型的低溫電解質(zhì)體系并實(shí)現(xiàn)低溫下的電解鋁過程。近年來，省內(nèi)外相關(guān)企業(yè)、高校和科研單位在這方面進(jìn)行了大量的研究，研制了一些卓有成效的低溫熔鹽體系，取得了階段性的進(jìn)展[5]?？梢灶A(yù)見的是，技術(shù)革新和新工藝的開發(fā)將會(huì)是電解鋁行業(yè)的重要發(fā)展趨勢之一。

4 解決對策

根據(jù)上述河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的能源現(xiàn)狀、內(nèi)在問題和發(fā)展趨勢，在前期研究經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐調(diào)研的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面開展應(yīng)對工作。

(1)優(yōu)化能源和資源的調(diào)配。目前，河南電解鋁產(chǎn)業(yè)面臨的困難主要來源于較高的用電成本。因此，適度降低企業(yè)用電價(jià)格是解決問題的重要途徑之一。另外，積極發(fā)揮地方管理部門的宏觀調(diào)控，下調(diào)自備電廠并網(wǎng)費(fèi)，建立相應(yīng)的自備電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使不同地區(qū)的電價(jià)更為統(tǒng)一、規(guī)范。同時(shí)，對相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)進(jìn)行優(yōu)化配置，為電解鋁企業(yè)提供原料采購、設(shè)備制造、產(chǎn)品加工、市場銷售、環(huán)境保護(hù)等方面的政策、技術(shù)支持。

(2)合理調(diào)整產(chǎn)能和經(jīng)營模式。對河南電解鋁行業(yè)進(jìn)行積極引導(dǎo)，采用投資、聯(lián)合運(yùn)營、技術(shù)合作等方式將部分產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到其他地區(qū)，改變省內(nèi)產(chǎn)能過剩的局面。同時(shí)，把握經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展、西部大開發(fā)等戰(zhàn)略調(diào)整的機(jī)遇，充分利用省外的優(yōu)質(zhì)能源和資源，大力推動(dòng)區(qū)域間的合作，提高整體效益。另外，轉(zhuǎn)變較為單一經(jīng)營模式，努力使企業(yè)向資本運(yùn)營型、技術(shù)創(chuàng)新型等復(fù)合模式發(fā)展。打通產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)省內(nèi)企業(yè)參與國際交流合作，充分利用國內(nèi)外市場，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)增長空間。

(3)加快技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用進(jìn)程。有史以來，河南電解鋁工業(yè)的發(fā)展始終依賴并得益于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。為了解決現(xiàn)有生產(chǎn)中的高能耗問題，首先要堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，摒棄因循守舊的思想，加強(qiáng)科技攻關(guān)才能真正從源頭上改變能源的困境。在近年來涌現(xiàn)出的相關(guān)科學(xué)報(bào)道中，基于離子液體的低溫電解鋁技術(shù)得到了最為廣泛的關(guān)注。采用離子液體作為新型低溫電解質(zhì)，可以在100 ℃以下完成鋁的電解制備，反應(yīng)能耗僅為高溫熔鹽的一半左右，節(jié)能效益顯著[6]。因此，進(jìn)一步深化新技術(shù)的基礎(chǔ)研究，推進(jìn)設(shè)備、工藝的集成放大以及產(chǎn)業(yè)化是未來工作的重點(diǎn)之一。在實(shí)際工作中，可以通過政策和項(xiàng)目的支持，鼓勵(lì)省內(nèi)的高校、科研院所和企業(yè)展開合作研究，加快研發(fā)平臺、中試生產(chǎn)線的建設(shè)，成立一批技術(shù)示范點(diǎn)，為產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。

(4)加大電力體制的改革。在現(xiàn)有政策的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步放寬對河南電解鋁產(chǎn)業(yè)自備電機(jī)組相關(guān)的審批限制，使更多的企業(yè)能夠自主開展專用機(jī)組的建設(shè)工作。另外，可以讓企業(yè)嘗

試單獨(dú)或者聯(lián)合共同組建局域的輸配電網(wǎng)絡(luò)，并選取一些具有影響力的骨干企業(yè)作為局域網(wǎng)絡(luò)的試點(diǎn)單位進(jìn)行推廣，也可以實(shí)施跨越區(qū)域的一網(wǎng)多廠或者多網(wǎng)多廠的用電模式。同時(shí)，著力解決自備電、網(wǎng)電、直購電等不同供電形式帶來的成本差異，改變產(chǎn)業(yè)虧損的現(xiàn)狀。出臺相應(yīng)的直購電措施，并通過市場化的運(yùn)作提高各方面的工作積極性，最終實(shí)現(xiàn)合作共贏。

5 結(jié) 語

本文從河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀出發(fā)，重點(diǎn)對其高能耗的內(nèi)在原因進(jìn)行了分析，說明有關(guān)問題主要來源于傳統(tǒng)工藝中高溫熔鹽體系的本質(zhì)缺陷。在此基礎(chǔ)上，從市場需求、資源調(diào)控、技術(shù)革新等方面對該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望和討論。為了解決電解鋁生產(chǎn)中的能源問題，提出了優(yōu)化能源和資源的調(diào)配、合理調(diào)整產(chǎn)能和經(jīng)營模式、加快技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用進(jìn)程、加大電力體制的改革等對策建議。上述工作為河南電解鋁產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了研究依據(jù)，對于企業(yè)的節(jié)能增效具有積極的意義。