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。 3 产业发展趋势 为了应对存在的问题并使企业摆脱目前的困境，河南电解铝产业的主要发展趋势可以归纳为以下几点。 (1)经济和社会的发展离不开商业化的铝产品。从长远来看，河南电解铝产业的市场需求和应用空间仍有较大的增长潜力，主要集中在建筑、交通运输、电力和机械等行业。值得注意的是，在经济转型与消费提升的驱动下，人们对铝的种类和品质需求越来越高。其中，高精度、高纯度的铝箔、铝板、铝粉、铝带等已成为了具有广阔前景的消费品[4]。因此，高端铝产品的市场仍将保持较为旺盛的需求。另一方面，省内人均铝的消费量与发达地区还有一定的差距，消费量的顶峰尚未真正到来，在未来必将继续带动电解铝生产规模的发展。 (2)电解铝产业对能源的依赖将会长期持续。在河南电解铝相关的产业链中，受制于上游矿产资源的稀缺性，铝土矿工业的盈利前景较好。另外，归功于较高的附加值，下游的铝加工也有着较大的利润空间。相比之下，位于中心的电解铝成为了产业链中最为薄弱的环节。从产业均衡的角度来看，为了促进企业脱困增效、摆脱长期亏损的局面，未来的发展中需要推动煤电铝的一体化、规模化。同时，强化资源的调控，提高能源的利用率，保障产业链的系统性、完整性。 (3)由于传统高温熔盐电解铝技术的固有局限性，反应难以大幅降低能耗和温度。因此，如果从根本上来解决这一问题，则需要研发新型的低温电解质体系并实现低温下的电解铝过程。近年来，省内外相关企业、高校和科研单位在这方面进行了大量的研究，研制了一些卓有成效的低温熔盐体系，取得了阶段性的进展[5]。可以预见的是，技术革新和新工艺的开发将会是电解铝行业的重要发展趋势之一。 4 解决对策 根据上述河南电解铝产业的能源现状、内在问题和发展趋势，在前期研究经验和实践调研的基础上，我们认为可以从以下几个方面开展应对工作。 (1)优化能源和资源的调配。目前，河南电解铝产业面临的困难主要来源于较高的用电成本。因此，适度降低企业用电价格是解决问题的重要途径之一。另外，积极发挥地方管理部门的宏观调控，下调自备电厂并网费，建立相应的自备电行业标准，使不同地区的电价更为统一、规范。同时，对相关配套产业进行优化配置，为电解铝企业提供原料采购、设备制造、产品加工、市场销售、环境保护等方面的政策、技术支持。 (2)合理调整产能和经营模式。对河南电解铝行业进行积极引导，采用投资、联合运营、技术合作等方式将部分产能转移到其他地区，改变省内产能过剩的局面。同时，把握经济转型发展、西部大开发等战略调整的机遇，充分利用省外的优质能源和资源，大力推动区域间的合作，提高整体效益。另外，转变较为单一经营模式，努力使企业向资本运营型、技术创新型等复合模式发展。打通产业链结构，鼓励省内企业参与国际交流合作，充分利用国内外市场，扩大产业增长空间。 (3)加快技术创新和应用进程。有史以来，河南电解铝工业的发展始终依赖并得益于科学技术的进步。为了解决现有生产中的高能耗问题，首先要坚持技术创新，摒弃因循守旧的思想，加强科技攻关才能真正从源头上改变能源的困境。在近年来涌现出的相关科学报道中，基于离子液体的低温电解铝技术得到了最为广泛的关注。采用离子液体作为新型低温电解质，可以在100 ℃以下完成铝的电解制备，反应能耗仅为高温熔盐的一半左右，节能效益显著[6]。因此，进一步深化新技术的基础研究，推进设备、工艺的集成放大以及产业化是未来工作的重点之一。在实际工作中，可以通过政策和项目的支持，鼓励省内的高校、科研院所和企业展开合作研究，加快研发平台、中试生产线的建设，成立一批技术示范点，为产业的创新发展积累经验。 (4)加大电力体制的改革。在现有政策的基础上，进一步放宽对河南电解铝产业自备电机组相关的审批限制，使更多的企业能够自主开展专用机组的建设工作。另外，可以让企业尝 试单独或者联合共同组建局域的输配电网络，并选取一些具有影响力的骨干企业作为局域网络的试点单位进行推广，也可以实施跨越区域的一网多厂或者多网多厂的用电模式。同时，着力解决自备电、网电、直购电等不同供电形式带来的成本差异，改变产业亏损的现状。出台相应的直购电措施，并通过市场化的运作提高各方面的工作积极性，最终实现合作共赢。 5 结 语 本文从河南电解铝产业的能源结构现状出发，重点对其高能耗的内在原因进行了分析，说明有关问题主要来源于传统工艺中高温熔盐体系的本质缺陷。在此基础上，从市场需求、资源调控、技术革新等方面对该产业的发展趋势进行了展望和讨论。为了解决电解铝生产中的能源问题，提出了优化能源和资源的调配、合理调整产能和经营模式、加快技术创新和应用进程、加大电力体制的改革等对策建议。上述工作为河南电解铝产业的进一步发展提供了研究依据，对于企业的节能增效具有积极的意义。 [1] 李庆利.河南省能源产业与经济可持续发展研究[J].经济研究导刊,2018(14):42-43. [2] 孙新治.河南电解铝行业的发展方向[J].科技与企业,2015(12):13-14. [3] 张国锋.我国电解铝工业现状与发展[J].广州化工,2013,41(12):60-62. [4] 张小东,赵飞燕,郭昭华,等.高纯铝的精炼工艺研究及生产现状[J].无机盐工业,2018,50(4):11-14. [5] 钟熊伟,熊婷,陆俊,等.离子液体电解质体系铝及铝合金电沉积与铝精炼研究进展[J].有色金属科学与工程,2014,5(2):44-51. [6] 郑勇,王倩,郑永军,等.离子液体体系电解铝技术的研究与应用进展[J].过程工程学报,2015,15(4):713-720. 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。3 产业发展趋势为了应对存在的问题并使企业摆脱目前的困境，河南电解铝产业的主要发展趋势可以归纳为以下几点。(1)经济和社会的发展离不开商业化的铝产品。从长远来看，河南电解铝产业的市场需求和应用空间仍有较大的增长潜力，主要集中在建筑、交通运输、电力和机械等行业。值得注意的是，在经济转型与消费提升的驱动下，人们对铝的种类和品质需求越来越高。其中，高精度、高纯度的铝箔、铝板、铝粉、铝带等已成为了具有广阔前景的消费品[4]。因此，高端铝产品的市场仍将保持较为旺盛的需求。另一方面，省内人均铝的消费量与发达地区还有一定的差距，消费量的顶峰尚未真正到来，在未来必将继续带动电解铝生产规模的发展。(2)电解铝产业对能源的依赖将会长期持续。在河南电解铝相关的产业链中，受制于上游矿产资源的稀缺性，铝土矿工业的盈利前景较好。另外，归功于较高的附加值，下游的铝加工也有着较大的利润空间。相比之下，位于中心的电解铝成为了产业链中最为薄弱的环节。从产业均衡的角度来看，为了促进企业脱困增效、摆脱长期亏损的局面，未来的发展中需要推动煤电铝的一体化、规模化。同时，强化资源的调控，提高能源的利用率，保障产业链的系统性、完整性。(3)由于传统高温熔盐电解铝技术的固有局限性，反应难以大幅降低能耗和温度。因此，如果从根本上来解决这一问题，则需要研发新型的低温电解质体系并实现低温下的电解铝过程。近年来，省内外相关企业、高校和科研单位在这方面进行了大量的研究，研制了一些卓有成效的低温熔盐体系，取得了阶段性的进展[5]。可以预见的是，技术革新和新工艺的开发将会是电解铝行业的重要发展趋势之一。4 解决对策根据上述河南电解铝产业的能源现状、内在问题和发展趋势，在前期研究经验和实践调研的基础上，我们认为可以从以下几个方面开展应对工作。(1)优化能源和资源的调配。目前，河南电解铝产业面临的困难主要来源于较高的用电成本。因此，适度降低企业用电价格是解决问题的重要途径之一。另外，积极发挥地方管理部门的宏观调控，下调自备电厂并网费，建立相应的自备电行业标准，使不同地区的电价更为统一、规范。同时，对相关配套产业进行优化配置，为电解铝企业提供原料采购、设备制造、产品加工、市场销售、环境保护等方面的政策、技术支持。(2)合理调整产能和经营模式。对河南电解铝行业进行积极引导，采用投资、联合运营、技术合作等方式将部分产能转移到其他地区，改变省内产能过剩的局面。同时，把握经济转型发展、西部大开发等战略调整的机遇，充分利用省外的优质能源和资源，大力推动区域间的合作，提高整体效益。另外，转变较为单一经营模式，努力使企业向资本运营型、技术创新型等复合模式发展。打通产业链结构，鼓励省内企业参与国际交流合作，充分利用国内外市场，扩大产业增长空间。(3)加快技术创新和应用进程。有史以来，河南电解铝工业的发展始终依赖并得益于科学技术的进步。为了解决现有生产中的高能耗问题，首先要坚持技术创新，摒弃因循守旧的思想，加强科技攻关才能真正从源头上改变能源的困境。在近年来涌现出的相关科学报道中，基于离子液体的低温电解铝技术得到了最为广泛的关注。采用离子液体作为新型低温电解质，可以在100 ℃以下完成铝的电解制备，反应能耗仅为高温熔盐的一半左右，节能效益显著[6]。因此，进一步深化新技术的基础研究，推进设备、工艺的集成放大以及产业化是未来工作的重点之一。在实际工作中，可以通过政策和项目的支持，鼓励省内的高校、科研院所和企业展开合作研究，加快研发平台、中试生产线的建设，成立一批技术示范点，为产业的创新发展积累经验。(4)加大电力体制的改革。在现有政策的基础上，进一步放宽对河南电解铝产业自备电机组相关的审批限制，使更多的企业能够自主开展专用机组的建设工作。另外，可以让企业尝试单独或者联合共同组建局域的输配电网络，并选取一些具有影响力的骨干企业作为局域网络的试点单位进行推广，也可以实施跨越区域的一网多厂或者多网多厂的用电模式。同时，着力解决自备电、网电、直购电等不同供电形式带来的成本差异，改变产业亏损的现状。出台相应的直购电措施，并通过市场化的运作提高各方面的工作积极性，最终实现合作共赢。5 结 语本文从河南电解铝产业的能源结构现状出发，重点对其高能耗的内在原因进行了分析，说明有关问题主要来源于传统工艺中高温熔盐体系的本质缺陷。在此基础上，从市场需求、资源调控、技术革新等方面对该产业的发展趋势进行了展望和讨论。为了解决电解铝生产中的能源问题，提出了优化能源和资源的调配、合理调整产能和经营模式、加快技术创新和应用进程、加大电力体制的改革等对策建议。上述工作为河南电解铝产业的进一步发展提供了研究依据，对于企业的节能增效具有积极的意义。参考文献[1] 李庆利.河南省能源产业与经济可持续发展研究[J].经济研究导刊,2018(14):42-43.[2] 孙新治.河南电解铝行业的发展方向[J].科技与企业,2015(12):13-14.[3] 张国锋.我国电解铝工业现状与发展[J].广州化工,2013,41(12):60-62.[4] 张小东,赵飞燕,郭昭华,等.高纯铝的精炼工艺研究及生产现状[J].无机盐工业,2018,50(4):11-14.[5] 钟熊伟,熊婷,陆俊,等.离子液体电解质体系铝及铝合金电沉积与铝精炼研究进展[J].有色金属科学与工程,2014,5(2):44-51.[6] 郑勇,王倩,郑永军,等.离子液体体系电解铝技术的研究与应用进展[J].过程工程学报,2015,15(4):713-720.

文章来源：化工技术与开发 网址: http://hgjsykf.400nongye.com/lunwen/itemid-14414.shtml

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