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电解槽
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昆明往南220公里，是云南省红河州古城建水县。那里3500多年前就有人类活动的痕迹，那里有中国第二大孔庙，那里有远近闻名的燕子洞。近来，在这片红土地上，耸立起了一片蓝色的工业园区。
1月14日，我们驱车3个多小时到达这里时，占地6500亩的云南冶金集团股份有限公司的产业集群基地在阳光、蓝天、白云下很耀眼，云南省铝电解节能减排工程技术研究中心的铝电解工业试验研发平台就建设在这里。
云南省铝电解节能减排工程技术研究中心是适应时代发展诞生的产物。
进入21世纪，我国铝电解工业在产能和技术进步方面取得了重大变化，从2001年起连续多年保持世界第一产铝大国的地位。近年来，我国淘汰了部分铝电解落后产能，改建、扩建和新建了一批大型铝电解槽生产线。自上世纪70年代末引进160kA中间下料预焙槽技术之后，从消化国外技术开始，揭开了我国现代铝电解技术发展的序幕，以铝电解槽热电磁力特性及磁流体数学模型研究为核心，在工艺、材料、过程控制及配套技术等方面展开了广泛深入的研究工作。20世纪90年代以来，在基础理论、大型铝电解槽开发以及工程应用取得了一系列成果，开发成功了400kA以上的特大型电解槽技术，铝电解工业的技术进步令人注目，铝工业的面貌发生了根本性的变化。
虽然我国铝工业在科技创新方面取得了很大进步，在技术、经济指标方面有重大突破，但是在节能、环保、槽寿命、装备大型化、资源综合利用等方面与国外相比仍存在一定的差距。近年来铝产业的盲目扩张导致铝产量过剩、电力价格逐年上涨、铝价低位徘徊使电解铝行业步入了前所未有的低迷状态，我国铝工业面临着巨大的考验与挑战。
国家工信部发布的《铝工业“十二五”发展专项规划》提出：“十二五”期间，铝工业增加值年均增长12%以上。明确未来铝工业主要任务：大力发展深加工、调整优化产业布局、增强技术创新能力、提高资源保障能力，到2015年力争完成铝电解直流电耗降到12500千瓦时/吨·铝及以下，电解铝电耗等主要技术指标居世界领先地位。
根据国务院关于支持云南省加快建设面向西南开放重要桥头堡的精神要求，云南省决定：依托云南水电开发，合理发展技术水平先进的载能工业。建设一批企业工程研究中心，加强产学研合作，提高自主创新和技术成果转化能力。为进一步发挥云南省水电资源的优势，推广水电铝产业模式，争当绿色载能产业排头兵，走节能减排、绿色发展、循环经济之路，做强做大电解铝产业，不断创新，用一流的技术、工艺、装备，充分利用云南省丰富的铝土矿资源，云南省铝电解节能减排工程技术研究中心便应运而生。
2010年10月，经云南省科技厅认定，云铝涌鑫铝业有限公司和昆明冶金研究院联合组建了“云南省铝电解节能减排工程技术研究中心”（以下简称工程中心）。它的使命是，成为行业和区域关键共性技术研究开发的重要基地，成为重大科技成果工程化与产业化、科技创新人才培养的摇篮，围绕云南省铝产业发展关键技术进行攻关，建立有利于自主创新的机制和环境，快速提高自主创新能力。
两年来，按照“政府引导、企业为主体、产学研用结合”的原则，以“面向市场需求，引领产业发展”为方向。工程中心始终坚持科学发展观，围绕铝电解节能减排新技术、新工艺、新装备，完成了基础实验室建设；铝电解工业试验研发平台建设；检测平台建设；云铝涌鑫铝业有限公司承担的铝电解工业试验研发平台，能全流程模拟工业化技术创新进行新技术、工艺、装备的试验，研究成果直接应用于铝电解工业生产。
工程中心通过技术创新能力建设，提升了企业技术研发和应用推广能力，强化了企业知识产权保护，培养了一大批具有理论基础、实践能力和管理水平的复合型人才，为产业发展提供强有力的技术支撑。工程中心坚持“开放创新、成果转化、科学评价、效益优先”的运行机制，在铝电解产业开展应用基础理论、关键共性技术研究和推广应用，通过集成多项科技成果建成了铝电解槽系列试验平台，铝电解电流效率和综合电耗指标均居行业领先水平，被中国有色金属工业协会的专家称为“行业内最大最完整的铝电解工业试验平台”。
工程中心运行两年来所取得的成果
1. 人才培养方面
工程中心目前从事研发的人员为113人，其中教授级高工8人、高工62人；博士10人、硕士37人，在读硕士生37人、有国家百千万人才1人、云南省技术创新人才10人、博士生导师3人。
工程中心坚持产学研发展道路，与贵阳铝镁设计研究院和昆明理工大学等高等院校和科研单位共建了“联合培养研究生基地”，进一步提高科技人员的实践能力和创新能力，培养了铝电解急需的专业技术人才。经过两年的建设，工程中心新增省级创新团体2个，省技术创新人才培养对象7人，博士生导师3人，博士4人、硕士10人，已经形成知识结构、年龄结构合理的研发队伍。
2. 管理机制方面
为了加快科技创新步伐，提高科技创新能力，促进科技成果转化，成立了工程中心管理委员会和中试基地，设有5个研究室和3个试验基地。形成了以技术研究中心管理委员会为决策层，专家咨询技术委员会为指导，科研机构开展基础、共性、关键技术研发；管理与服务机构协调、服务、监督的多层次科技进步和创新管理体系。制定了《云南省铝电解节能减排工程技术研究中心科技项目管理办法》、《云南省铝电解节能减排工程技术研究中心科学技术奖励办法》、《云南省铝电解节能减排工程技术研究中心知识产权管理办法》、《云南省铝电解节能减排工程技术研究中心合理化建议和技术革新工作管理办法》、《云南省铝电解节能减排工程技术研究中心科技项目经费管理办法》等管理办法，建立完善了技术创新体系。完善科技奖励制度，加大对科技创新人员的奖励，调动了科技人员的积极性和创造性，对取得成果的科技人员进行奖励。
3. 研发平台建设方面
云南冶金集团股份有限公司投资3.8亿元，在昆明冶金研究院建成了新的研发平台，添置了大量的先进设备，能从事铝行业采、选、冶、新材料的开发及信息技术的应用等领域的技术开发工作，为铝电解工程中心平台建设提供了有力的技术支持。云铝涌鑫铝业有限公司2012获国家高新技术企业认证。
工程中心的重大科技创新
两年来，工程中心承担了“低温低电压铝电解新技术”、“大型预焙铝电解槽曲面阴极技术的开发与产业化”、“铝工业烟气脱硫及资源化利用”等国家科技支撑计划项目。成功开展了“节能型高能效铝电解槽示范”项目，使铝电解槽平均工作电压降到3.9V以下，原铝直流电耗降至12200千瓦时/吨·铝，比传统电解槽降低800—1000千瓦时/吨·铝。该技术先后在186KA、220KA、300KA的电解槽上推广运用。同时开展了“铝冶炼吨铝直流电耗低于12000千瓦时的电解铝关键工艺”等前沿共性技术的研究，吨铝直流电耗指标达到国际先进水平。
1. 低温低电压铝电解新技术
在电解体系中，电解质温度每降低10℃电流效率将提高1％。低温低电压铝电解新技术成功研制破解了铝工业生产重大技术难题，达到降低吨铝电耗、降低生产成本的目的。该技术主要通过对现有工艺技术条件进行优化，采取规整炉膛、调整锂盐浓度、优化铝水平与电解质水平的比例、降低阳极效应系数控制、开发电解槽强制保温技术、加强操作质量等措施来提高电解槽运行的稳定性，在保持电解槽稳定的前提下，合理匹配各项主要技术参数，控制好电解槽的能量平衡和物料平衡，实现低温生产。工程中心试验电解槽通过低温生产工艺技术的应用，电解温度为930℃—935℃，电解质中的锂盐含量为电解质质量分数的2.8％—3.0％，电解质分子比为2.3—2.5，电解质初晶温度降低了15℃—20℃，直流电耗在原13240千瓦时/吨·铝的基础上降低了300—400千瓦时/吨·铝，电流效率提高了1.5%—2%，达95.5%，达到铝行业先进水平。
2. 曲面阴极高能效铝电解槽熔炼新技术
曲面阴极高能效铝电解槽熔炼新技术是开发出一种能减少铝电解槽水平电流及削弱铝液流动的异型阴极结构电解槽，从而降低槽电压以达到降低电耗的目标。曲面型阴极结构基于等电位面原理，有效地提高阴极电流分布的均匀性，减少电解槽铝液中水平电流的产生，从而减小垂直磁场，减缓电解槽内铝液的波动，稳定铝液表面流速，提高金属铝液稳定性，减少铝的溶解损失，达到提高电流效率和降低极距的目的。国内同行业也对类似技术进行了产业化研发，取得了一定实效，工程中心通过集成创新形成了自主知识产权。该技术分别在156#、178#、191＃、203#、223#、273#、274#槽先后经过五个阶段的试验。电解槽平均工作电压降到3.9V以下，铝直流电耗降至12200千瓦时/吨·铝，比传统电解槽降低800—1000千瓦时/吨·铝。
3. 铝电解用磷生铁阴极制备新技术
铝电解用磷生铁阴极的制备技术的研发，解决了传统的钢棒糊夯实工艺技术上存在的不足。此方法工艺简单，生产处理成本低，磷生铁浇铸阴极产品性能稳定，合格率达100%。生产出来的磷生铁阴极能够有效降低铝电解的阴极压降，阴极压降由原来的320mv降到了250mv。磷生铁阴极制备新技术研制成功后于2011年在205#槽上集成运用了曲面阴极高能效铝电解槽的熔炼技术、铝电解用磷生铁阴极的制备方法技术、新型电解槽内衬保温技术，使205#电解槽平均槽电压降到3.78V，平均电流效率95.37%，在曲面阴极熔炼技术实施后直流电耗12200千瓦时/吨·铝的基础上再降低直流电耗300—400千瓦时/吨·铝，直流电耗达到11840千瓦时/吨·铝，直流电耗指标达到国内外铝行业领先水平。
4. 新型电解槽内衬保温新技术
新型电解槽内衬保温技术的运用，保证了电解槽热场的稳定性。通过采用优化保温方案的措施，减少了电解槽向周围环境通过对流、辐射和传导而损失的热量，减少了电解槽热损失，为实施低电压生产创造了条件。
5. 电解质替代冰晶石焙烧启动新方法
优化了焙烧启动过程，使铝电解槽在焙烧过程中受热均匀，减少焙烧过程中阴极内部的热应力，减少阴极碳块内部裂纹的产生，提高了电解槽的焙烧质量，这是电解槽长寿命的基本保障。
6. 废阳极炭渣、废阴极内衬无害化回收与利用技术
在铝电解过程中，因阳极碳块的碎裂，将产生1%左右的炭渣，电解质含量在58%左右。很多铝厂都将废炭渣作为一般的工业垃圾处理。工程中心攻克了火法熔炼铝电解阳极炭渣无害化回收炭渣中电解质的新方法。该方法工艺简单，处理成本低，处理后可使炭渣完全无害化，环保效益和经济效益显著。电解质回收率高达99％，电解质纯度高达98％，每吨铝减少了10公斤高危固体废弃物排放，同时回收5公斤电解质。
废旧阴极内衬包括阴极炭块、耐火材料、渗入的金属和电解质、少量氮化铝和氰化物等。堆放中产生有毒物质，对环境造成污染。工程中心通过研发将分离出来的炭用作工业硅生产中的还原剂、电解质返回铝厂使用。废阴极炭块回收清理干净后加工成糊料用于大修槽。
7. 废铝灰的回收与利用技术
在电解铝及铝加工产品生产过程中，铝液进入混合炉后，要经过熔炼、静置、扒渣等工序，分离出大量铝灰。工程中心研制出铝灰处理成套设备，从熔解炉产生的热灰中回收铝熔液，通过搅拌，将比重不同的金属铝和热残灰分层分离。该技术的特点为连续高效、运行平稳，投资少。铝液回收后的废铝灰经处理作为氧化铝原料配入使用，实现了资源的回收利用。
8. 电解槽烟气脱硫脱氟除尘一体化工业试验示范装置
2010年9月27日国家环保部发布GB25465-2010《铝工业污染物排放标准》，与旧标准相比，新标准对电解铝烟气中二氧化硫和氟的排放浓度分别从850mg/Nm3和6mg/Nm3降低到了200mg/Nm3和3mg/Nm3，粉尘排放指标规定为20mg/Nm3。工程中心开展“电解槽烟气脱硫脱氟除尘一体化工业试验示范装置”的研究，开发出了具有同时脱除二氧化硫和氟装置，脱硫效率大于90％、脱氟效率大于80％的氨法脱硫脱氟一体化烟气治理技术，该技术的运用，可以实现烟气排放二氧化硫低于50mg/Nm3、氟低于3mg/Nm3，大大减少了二氧化硫和氟的排放量，年回收二氧化硫 608吨、生产液体硫铵：3586吨（折固体1254吨/年），年回收氧化铝粉尘38.4吨、脱除氟化物6.4吨、产出冰晶石10吨。该技术的推广运用，为铝工业绿色制造提供示范生产线，将推进中国铝工业环境友好发展、绿色发展、循环发展、为国家新排放标准在行业内实施和实现提供坚实的基础和示范。
工程中心建设扎实推动企业科技创新
工程中心成立以来，通过开展铝电解节能减排及相关领域的应用基础研究和关键技术研发，突破重大技术瓶颈六项，破解了铝工业生产的重大技术难题。电解铝直流电耗由13240千瓦时/吨·铝降至12000千瓦时/吨·铝。比目前国际铝电解先进技术的 12700千瓦时/吨·铝低700千瓦时/吨·铝，比国家工信部发布的《铝工业“十二五”发展专项规划》到2015年力争完成铝电解直流电耗降到12500千瓦时/吨·铝的目标低500千瓦时/吨·铝。电解槽寿命达2800多天，比目前国际铝电解先进槽寿命2500天多300多天，工艺技术水平达到国际先进水平。
近年来，工程中心持续进行了一系列技术攻关，如“锂盐添加”“双平衡控制系统”“硅整流机组升级改造”“节能型曲面阴极”“开槽阳极”“无冰晶石启槽”“铝电解低温生产”“阴极炭块磷生铁浇铸”等技术攻关和电解过程中固体废弃物阴极碳块、铝灰、废炭渣的回收与利用研究并取得成功，在“低能耗、低污染、高产出、高效益”方面取得了可喜成效，近年来承担各类科技项目17项，实施3项国家科技支撑计划项目，1项省级节能减排项目，13项集团科研项目。申请专利26项，其中发明专利20项；获授权10项，其中发明专利5项，2011年“大型曲面阴极高能效铝电解槽新技术的研究与开发”项目获云南省科学技术进步一等奖；“铝电解用阴极炭块磷生铁浇铸技术的开发与运用”项目获集团总公司科学技术进步二等奖。
工程中心“十二五”发展目标
工程中心一如既往的坚持铝电解节能减排技术的研究，按照《铝工业“十二五”发展专项规划》要求，工程中心大力加强节能环保、资源循环利用的新技术、新工艺、新设备的研发。未来将着重进行以下方面的研究：
1. 铝电解节能新技术创新与应用
将对现有187台电解槽改成曲面磷生铁浇铸阴极炭块电解槽。最终达到的经济技术指标：（1）电流效率95％以上；（2）吨铝直流电耗≤12000千瓦时/吨·铝；（3）电解槽槽寿命达到3000天。在铝行业树立节能环保的领先地位，成为行业的标杆，集成技术的研发将引领中国电解铝产业发展的方向。
2. 大型曲面阴极铝电解槽新技术集成创新与应用
与贵阳铝镁设计院合作大型曲面阴极铝电解槽新技术集成创新与应用研究入选云南省科技入滇重大项目，通过铝电解冶炼新技术集成创新研究，420KA大型槽实现吨铝直流电耗低于12000千瓦时/吨·铝、电流效率≥95%的目标，实现电解铝行业世界先进水平。
3. 铝工业烟气脱硫及资源化利用
实现氨法脱硫、脱氟一体化技术对电解槽烟回收利用产业化，实现电解槽烟气中二氧化硫排放浓度小于50mg/Nm3，氟小于3mg/Nm3，粉尘排放指标小于20mg/Nm3。
4. 铝电解阳极炭渣无害化处理及电解质回收技术产业化推广应用
铝电解过程中废弃物回收再利用产业化示范项目，将建成年产电解质5000吨炭渣回收利用新技术，实现资源的回收利用。
为全面贯彻落实十八大提出的创新驱动发展战略，工程中心将以科技创新能力建设为基础，以形成核心技术优势为目标，准确把握中长期产业技术发展的趋势，开展前瞻性技术研究，不断解决基础性、关键性技术问题，培育形成行业领先的科技创新能力，保持持续领先的技术优势。坚持节约资源和保护环境的基本方针，坚持节约优先、着力推进绿色发展、循环发展、争当绿色载能铝企业排头兵，通过科技创新与管理创新，大胆探索出一条高效、低耗、长寿、绿色的载能产业可持续发展之路，为社会创造良好的生态环境。
