一、我國電解鋁生產的指標及原鋁生產的經濟分析
近年來，我國電解鋁高速增長，隨著技術及裝備水平的不斷提高，技術經濟指標也有所改善。但與世界先進水平相比仍有較大差距，我國鋁電解電流效率低、電耗高，國內自焙槽電流效率平均88%左右，噸鋁直流電耗14530kW·h左右；預焙槽平均電流效率91%～94%之間，噸鋁直流電耗在13320～13750kW·h之間。國外已全部淘汰自焙槽，而先進預焙槽的電流效率一般不低于94%，噸鋁直流電耗為13000～13300kW·h。2000年至2002年我國電解鋁生產的主要指標見表1。
表1 我國電解鋁廠的主要技術經濟指標
|
指 標
|
產量/萬t
|
氧化鋁單耗/kg·t－1
|
陽極單耗/kg·t－1
|
氟鹽單耗/kg·t－1
|
綜合電耗/kg·t－1
|
直流電耗/kg·t－1
|
|
|
年 份
|
自焙陽極
|
預焙陽極
|
|||||
|
2000年
|
299
|
1944.83
|
528.96
|
42.74
|
15479.64
|
14214.07
|
|
|
2001年
|
357
|
1941.01
|
435.08
|
37.10
|
15470.33
|
14613.85
|
13734.93
|
|
2002年
|
451
|
1944.54
|
432.17
|
35.65
|
15361.96
|
14532.57
|
13781.63
|
從表1可以看出，2002相當一批小型預焙槽電解鋁廠建成投產，由于裝備水平及技術掌握程度的影響，使技術經濟指標有所降低。
鋁電解生產的成本大致分為原料費、電費、人力成本及間接成本，西方世界電解鋁的經營成為1134美元/t，其中原料費占48.4%、能源費占32.8%、人力成本10.9%、間接成本占7.9%。表2列出了國內外原鋁經營成本的比較。表3列出了2003年不同國家鋁產品的成本。
表2 國內外原鋁經營成本比較 （美元/t）
|
成本項目
|
世 界
|
中 國
|
成本項目
|
世 界
|
中 國
|
|
原材料
能源動力
人力成本
|
385.6
260.8
204.1
|
650.5
487.1
26.7
|
間接成本
平均經營成本
|
283.5
1134.0
|
140.8
1305.1
|
表3 2003年部分國家鋁產品成本 （元/t）
|
國 家
|
鋁 成 本
|
國家
|
鋁 成 本
|
|
澳大利亞
巴 西
加拿大
法 國
德 國
中 國
|
8408
10168
8408
9191
11928
12000
|
挪 威
西班牙
英 國
美 國
委內瑞拉
|
10364
12124
10560
11147
9979
|
由表2可見，我國的電解鋁生產的經營成本比國外高，其中原材料（主要是氧化鋁）、能源動力的成本比國外高出許多，氧化鋁和電力成本為制約我國鋁工業發展的主要因素。
二、我國的電解鋁生產的發展方向
1997年我國的電解鋁產量207kt，占世界鋁錠總產量的9.5%。2003年596萬t，成為世界最大的電解鋁生產國。
1995～1998年間研究開發了280kA和320kA大型中間下料預焙電解槽，使我國鋁電解技術處于世界先進水平。大型電解槽的電流效率超過94%，原鋁直流電耗低于13300kW·h/t（鋁）。然而我國的電解鋁生產水平總體還不及世界先進水平，在生產規模、自動化程度、煙氣治理等方面較弱。
第一，降低原材料的損耗，提高原材料的質量。
我國的電解鋁生產的氧化鋁單耗為1944kg，而理論消耗為1910kg。多余的消耗是運輸、加工過程的飛揚損失造成。提高機械化、自動化和槽體密封可使氧化鋁的損失降低。對陽極炭素，理論需要393kg，實際消耗530kg，利用率為74%。主要是純度低，操作管理不善造成氧化、漏糊及槽子早期破損。我國研究的陽極添加鉀鹽可以降低陽極糊的消耗量。采用低溫電解也是降低陽極消耗的途徑。采用惰性陰陽極是降低成本的可能途徑。
大型預焙電解槽的氟化鹽、冰晶石、添加劑等原材料的利用率已經很高，但自焙槽的煙氣很難收集，損失較大，還需進一步完善。
第二，降低電耗。
如前所述，對于鋁電解來說，電的利用率很低，僅為50%，而且電耗占鋁電解成本的很大部分，要降低成本，就是降低鋁電解的電耗。電流效率、槽電壓直接影響著鋁電解的電能消耗。要降低鋁電解的電能消耗，就要提高電流效率、降低槽電壓。
提高電流效率的主要途徑之一是降低電解溫度，降低溫度的最有效的方法是選擇適合的電解質添加劑，即找一個初晶溫度低、又適合電解的電解質組成。添加鋰鹽（LiF）可以顯著降低電解的初晶溫度，如含LiF1.5%、AlF3為6%的電解質，可使每噸鋁的電耗降低1260kW·h。我國在許多鋁廠進行了添加鋰鹽的工業試驗，電流效率可提高一個百分點以上，獲得較好的節能效果。邱竹賢等人根據試驗提出了低摩爾比添加MgF2系電解質，即摩爾比2.2，MgF2在10%以內，工業試驗結果電流效率為91.2%，每噸鋁直流電耗降低至13400kW·h。因為采用這種電解質可實現在850 kW·h下電解。
提高電流效率的另外途徑是合理配置母線。對大型槽來說，鋁液中水平電流（包括橫向和縱向）的電度分量和磁場的垂直分量應予以消除升減弱。大型槽的磁場問題近來受到廣泛的重視，隨著研究的不斷深入，電解槽的母線配置日益完善，在一定程度上削弱了磁場的影響。我國貴陽鋁鎂設計院研究設計的中間點式一料、四端進電大型預焙槽在廣西平果鋁業公司應用，獲得全年全廠電流效率為91.11%的好水平。現在許多大鋁廠都在研制320kA中間點式下料、六端進電大型預焙槽以提高電流效率。
提高電流效率更為有效的方法是徹底改變鋁電解槽的結構。這方面的研究很多，最有吸引力的是惰性陽極、惰性陰極和側壁形式的電解槽。1986年美國鋁業公司提出了一種新型電解槽，采用惰性雙極性電極來改造現行槽，即將陰極和陽極通過一個定位夾組合成一個整體，構成雙極性陰陽極組合件，懸掛在電解質和熔融鋁內。這樣現行電解槽僅成了一個容器，金屬鋁液的波動對其無關緊要，鋁電解的電流效率提高到93%，電能效率提高到70%。
降低槽電壓首先要提高電解質的導電率。鋁電解質的導電率低，又要保持一定的極距，電解質的電壓降就占槽電壓的30%～40%。在一定范圍內添加鋰鹽、NaCl都能顯著提高熔體的導電率，添加MgF2雖不能直接提高電解質的導電率，但可凈化電解質中炭渣，使電解的反電勢降低。另外合理的加工制度對減少電解質中懸浮氧化鋁、減少槽底沉淀、提高電解質導電率是有利的。對于我國的側插自焙電解槽，“勤加工、少下料、加工快、實壓殼”對提高電解質導電率至關重要。其次要降低陽極過電壓。陽極過電壓占反電動勢1.65V的1/3。陽極過電壓隨著陽極電流密度的降低而降低，隨著溶解Al2O3的增加而降低。陽極摻雜可以產生陽極催化，使陽極過電壓降低。加Li2CO3的效果可使陽極過電壓降低200mV。另外降低母線電流密度，降低母線接觸壓降，也都是降低槽電壓的措施。
第三，加強生產管理，延長電解槽的有效生產時間
電解槽因內襯破損而停槽大修所耗費用高在新建槽的1/3。延長槽的有效生產時間，可以降低成本。目前世界上大型預焙電解槽的平均壽命為1800天，我國大型預焙電解槽的平均壽命為1300天，有待于提高。主要應重視兩方面：提高炭素質量，采用純度高、石墨化程度高的陰極，電解槽的壽命可延長至2000天以上；加強管理，完善各項操作技術條件，保證正常生產，消除病槽的壽命是延長電解槽壽命的重要措施。
第四，按大型、高效、聯合的原則建設新廠和改造舊廠
20世紀80年代以來，鋁工業出現了電解槽大型化、高效、聯合的趨勢。在工藝條件上采用低摩爾比（2.2）、低濃度（Al2O3濃度1.5%～3%）、低溫（940℃）；用數學模型優化設計電解槽，采用電子計算機控制生產過程，大大提高了電流效率、降低了成本。通過計算表明大型槽的投資費用和生產成本是隨著鋁廠規模的增大而降低的。從年產10萬t的規模起，年產12.5萬t的單位投資要低10%、成本降低5%。建立聯合企業，原鋁生產、加工一條龍，比原鋁輸出的經濟效益大得多。
我國中小鋁廠有60多家。這些鋁廠均采用側插自焙槽，容量60kA者居多，約有3000臺，產量占我國鋁總產量的40%以上，可謂我國電解鋁工業的重要組成部分。這種槽有技術成熟、經濟豐富、基建投資省、上馬快等特點，適宜于電力分散、資金分散的地區進行小規模生產。這種槽存在的缺點是煙氣凈化難、裝備水平低、勞動強度大、生產率低、電耗高。多年來一直想解決機械化問題，未能獲滿意效果。隨著環保意識的加強、電費的漲價和原材料的漲價，
這些鋁研制的出路就在于技術改造，提高裝備水平，提高勞動生產率。改造的途徑有以下幾種。
首先要進行自焙槽的完善。采用集氣效率較高的吊門式密封裝置（集氣率90%～92%），淘汰卷簾式密封（集氣率75%～78%），提高電解槽的密封性，提高集氣效率。采用半自動打殼下料，取代適合的型號的風機。60kA自焙電解槽在采用半自動打殼下料和密封良好時的單槽排煙量可降低至4500m3/h以下。采用計算機控制電解槽系列，提高產能、降低消耗和穩定槽系列。
其次在側插槽上全面推行高溫瀝青干糊技術。我國每年陽極糊產量為38萬t，多數為中溫瀝青稀糊，在生產中產生大量的焦油和大量的煙氣。高溫瀝青干糊的粗骨料綜合含量為70%，生糊瀝青含量低于26%，熔化溫度約為120℃，性能良好。為了生產這種糊，現有設備必須作如下調整：改蒸汽加熱為電加熱，增加篩分，改配料系統為連續自動。采用了高溫瀝青干糊就可以全面推行干法凈化技術。
然而最根本地必變自焙槽的出路還是按大型、高效、聯合的原則改造舊廠。云南鋁業股份公司將60kA自焙電解系統徹底改擴為186kA預焙電解系統，一期工程60臺新槽于1998年10月順利投產。二期工程開發300kA預焙槽，于2004年9月全面投入生產運行，形成30萬t/a的生產能力，與其配套的產能的炭素工程也將如期投產。直流電耗降低至13200kW·h/t（鋁），成為全國效率最佳的鋁企業之一。
