第三屆電解鋁行業節能技術創新會上，行業專家田應甫談電解鋁行業的節能與減排。
1、電解鋁產品的能耗、物耗
1.1、理論消耗量及產出物量：
活性陽極鋁電解的原理方程式：
直流電 2 Al2O3+3C=====4Al+3CO2
需要的能量：電能；
消耗物：氧化鋁、碳；
產出物：鋁、二氧化碳氣體。
生產一噸鋁理論上物質、電能消耗和產出量：
1.2、生產一噸鋁實際消耗的物料和產出量
此外，電解過程中產生的CO2氣體，沿著陽極外表面排出，當陽極處于高溫紅熱狀態時，CO2氣體便與紅熱的炭發生布達反應生成CO氣體，引起炭陽極多耗[6]，即：
CO2+C=2CO
降低陽極消耗
加強制作工藝優化（ 控制好煅后石油焦性能；陽極配方合理；混捏充分；振動成型扎實均勻；焙燒升溫合理，陽極燒透）；
改進陽極制作方式，提高陽極理化性能（如馮乃祥教授團隊發明的高溫模壓制作法）；
改變陽極形狀及結構（如天泰鋁業與中南工大等發明的穿孔陽極，可降低陽極凈耗17kg/t-Al）；
加強電解工藝及操作管理，減少氧化和掉塊。
2.4、降低氟化鹽消耗
理論上，鋁電解過程不消耗氟化鹽，但是，目前的大型預焙槽生產，每噸鋁需消耗20kg左右。
氟化鹽消耗主要來自兩方面，一是原材料帶入水分分解冰晶石，產生氟化氫氣體排出:
2Na3AlF6+3H2O=6HF+Al2O3+6NaF
二是高溫揮發。
3.2、減少氟化物排放
一當量氟化物相當于6000-8000當量CO2，所以，氟化物是極為有害的污染物。
降低氟化物排放應從以下著手：
采取低電壓、低溫生產，可使電解槽加料口和出鋁口火眼良好密封，降低氟化鹽揮發；
采用高效吸附HF的凈化技術，使氣氟被氧化鋁充分吸附；
節能是鋁電解直接減少廢氣排放的渠道。
若電解鋁的綜合能耗從目前的13800kwh/t-Al降到11000kwh/t-Al以下，每噸鋁可減少排放CO2:0.978t；SO2:0.029t;NO物0.01485t。
降低陽極消耗，也是減少CO2、SO2排放的主要渠道。
若將每噸鋁的碳耗（凈耗）降低30kg，可降低排放CO2:110kg；SO2:1.08kg。
降低陽極消耗，還能減少陽極需量，自然降低陽極生產中的廢氣、廢物排放量。
保持除塵設備完好，不出現漏氣漏料，保證固氟充分回收；
采取全密封電解槽結構，保證廢氣不外泄，杜絕無組織排放；
采用高質量陽極，不產生碳渣，消除撈碳渣帶走氟化鹽。
3.3、廢舊內襯的回收利用
現代大型電解槽一般槽壽命達2000天左右，內襯材料經幾年使用后，侵入的氟化鹽和金屬鋁與內襯材料發生化學反應，由無害的材料變成了含有多種有害物的高危固體廢料，這些廢料經雨水侵泡后，會放出氰化物等劇毒氣體；氟化鹽侵入地下污染地下水，造成嚴重環境污染。
廢舊陰極炭塊與鋼棒回收利用
碳素內襯可進行氟化鹽分離后，生產出高質量的石墨粉，成為其他產品的原料（青銅峽鋁廠已做成功）；也可直接用于煉鋼，碳成為燃料，氟化鹽成為添加劑，可使渣中的鐵含量降低1%以上。
廢舊鋼棒可直接回收煉鋼。
廢舊耐火材料回收利用
電解槽用的耐火材料通常是高鋁磚，氧化鋁平均含量在60%以上，所以，可把耐火材料磨細按比例（不超過0.4%，可不影響原鋁質量）直接配入氧化鋁中作為電解原料（伊川鋁廠已試驗成功）；也可作為生產氧化鋁的原料。
通過上述分析，鋁電解節能潛力很大，原材物料節約空間不小，廢物可做到充分利用，減排的效果會很好。當然還需要做很多科研及試驗，只要鋁行業廣大科技工作者不斷努力，一定能實現電解鋁的完全清潔生產。
1、電解鋁產品的能耗、物耗
1.1、理論消耗量及產出物量：
活性陽極鋁電解的原理方程式：
直流電 2 Al2O3+3C=====4Al+3CO2
需要的能量：電能；
消耗物：氧化鋁、碳；
產出物：鋁、二氧化碳氣體。
生產一噸鋁理論上物質、電能消耗和產出量：
消耗量 產出量
直流電 6320Kwh CO2：2.079t；SO2：0.063t；NO物：0.0313t
（注：國家環保局折算標準：1萬kwh產生CO2:3.29t; SO2:0.099t;NO物：0.0495t）
氧化鋁 1889Kg 原鋁 1000Kg
陽 極 334Kg CO2：1.222t
陰極內襯 22.5Kg(按300kA槽型筑爐材料計算100t,壽命2000天） 22.5Kg
1.2、生產一噸鋁實際消耗的物料和產出量
消耗量 產出量
電 直流：12800Kwh；
動力：800kwh CO2：4.47t；SO2：0.135t；NO物：0.067t
氧化鋁 1930Kg 原鋁 1000Kg
陽 極 420Kg（凈耗）含炭98%;S:1.8% CO2：1.509t; SO2:0.015t
氟化鹽 20Kg 1當量氟化物相當于6000-8000當量CO2,故120t以上
陰極內襯 300KA槽內襯量約100t，壽命2000天，每噸鋁約22.5Kg 產生內襯廢渣約130t，每噸鋁約30Kg
.3、實際量比理論量多
.3、實際量比理論量多
消耗量 產出量
直流電 6480Kwh CO2：2.391t；SO2：0.072t；NO物：0.0357t
氧化鋁 41Kg 0
陽 極 86Kg CO2：0.287t；SO2：0.015t
氟化鹽 20Kg 換成當量CO2：120t以上
陰極內襯 0 產生有毒內襯：30Kg
2、節約
2.1、節電
工藝過程節電
鋁電解直流電耗計算公式： W=2980U/η
說明：槽電壓越低，電流效率越高，直流電耗越低。
U=U極化+ U陽+ U陰+U質+U分解+U母線
電流密度為0.72A/cm2時，各部分組成典型值為
U分解=1.2v；U極化=0.45v；U陽= 0.36v； U陰=0.34v；U質=1.55v；U母線=0.18v。對于定型電解槽，除U質可調外，其余為定值。
陽極極距模型 ，如圖。
a層為鋁液波動層， b層為陽極底部氣泡層，
c為防止氣泡與鋁液接觸的隔層。對于普通平底陰極電解槽，采用普通形狀陽極，
a層一般為1.5cm；當陽極寬度為660mm時，
b層約為2cm（中南大學李賀松教授計算值）；
c層一般為1cm。
我們用改進陽極結構，即時排出陽極氣體的方法，可將陽極氣泡層從2cm降到1.4cm左右（中南大學李賀松教授已做過理論計算，400mm寬的陽極氣泡層降到1.4cm），如天泰鋁業和中南大學等研究成功的穿孔陽極，已可將陽極氣泡層降到1.4cm以下。
根據陽極極距三層液模型，異型陰極技術和穿孔陽極技術可以疊加應用，即異型陰極技術可將鋁液波浪層降到0.8cm，穿孔陽極技術可將氣泡層降到1.4cm，中間層保持0.8cm，陽極極距可達到3cm左右。若電流密度取0.72A/cm2,電解質比電阻0.41 Ω /cm,其余參數不變，槽電壓可降到3.3v左右。
此外，如鋁芯鋼爪降低鋼爪壓降；改變陽極澆注方式，改變磷生鐵性質，降低陽極鐵-碳接觸壓降等，可把陽極壓降降到250mv左右；采用石墨化陰極，可將陰極壓降降到200mv，這樣，從理論上分析，可將鋁電解生產槽電壓降到3.0-3.2V正常運行。若電流效率能保持94%，鋁電解工藝直流電耗將可能達到10000kwh/t-Al以下，工藝能量利用率可達到65%以上。
目前,單獨采用陰極技術，可將工藝直流電耗降到12500kwh/t-Al;單獨采用陽極技術（如重慶天泰鋁業的穿孔陽極），也可將工藝直流電耗降到12500kwh/t-Al以下，陰、陽極技術集成應用，我們做了一些基本試驗，初步結果工藝直流電耗可到11800kwh/t-Al左右。
集成應用的困難主要是電解槽運行敏感性很強，容易波動，陽極容易長包。
2.2、降低氧化鋁消耗
氧化鋁實際消耗比理論值多36kg。
氧化鋁國家標準為：
AO-1：98.6%；
AO-2：98.5%
一級品氧化鋁含量不低于98.6%，那么，噸鋁理論上需消耗1915.82kg，實際多耗約15kg，主要是飛揚、運輸損失及凈化收塵系統跑、冒。加強管理和粉塵回收利用，可將氧化鈉消耗降到1920kg/t-Al及以下。
2、節約
2.1、節電
工藝過程節電
鋁電解直流電耗計算公式： W=2980U/η
說明：槽電壓越低，電流效率越高，直流電耗越低。
U=U極化+ U陽+ U陰+U質+U分解+U母線
電流密度為0.72A/cm2時，各部分組成典型值為
U分解=1.2v；U極化=0.45v；U陽= 0.36v； U陰=0.34v；U質=1.55v；U母線=0.18v。對于定型電解槽，除U質可調外，其余為定值。
陽極極距模型 ，如圖。
a層為鋁液波動層， b層為陽極底部氣泡層，
c為防止氣泡與鋁液接觸的隔層。對于普通平底陰極電解槽，采用普通形狀陽極，
a層一般為1.5cm；當陽極寬度為660mm時，
b層約為2cm（中南大學李賀松教授計算值）；
c層一般為1cm。
我們用改進陽極結構，即時排出陽極氣體的方法，可將陽極氣泡層從2cm降到1.4cm左右（中南大學李賀松教授已做過理論計算，400mm寬的陽極氣泡層降到1.4cm），如天泰鋁業和中南大學等研究成功的穿孔陽極，已可將陽極氣泡層降到1.4cm以下。
目前，已研究成功的多種陰極技術（異型陰極、新型陰極、雙鋼棒、陰極鋼棒部分絕緣、變電阻陰極鋼棒等），均可將鋁液波動層降到0.8cm以下，可以降低極距0.7cm。
根據陽極極距三層液模型，異型陰極技術和穿孔陽極技術可以疊加應用，即異型陰極技術可將鋁液波浪層降到0.8cm，穿孔陽極技術可將氣泡層降到1.4cm，中間層保持0.8cm，陽極極距可達到3cm左右。若電流密度取0.72A/cm2,電解質比電阻0.41 Ω /cm,其余參數不變，槽電壓可降到3.3v左右。
此外，如鋁芯鋼爪降低鋼爪壓降；改變陽極澆注方式，改變磷生鐵性質，降低陽極鐵-碳接觸壓降等，可把陽極壓降降到250mv左右；采用石墨化陰極，可將陰極壓降降到200mv，這樣，從理論上分析，可將鋁電解生產槽電壓降到3.0-3.2V正常運行。若電流效率能保持94%，鋁電解工藝直流電耗將可能達到10000kwh/t-Al以下，工藝能量利用率可達到65%以上。
目前,單獨采用陰極技術，可將工藝直流電耗降到12500kwh/t-Al;單獨采用陽極技術（如重慶天泰鋁業的穿孔陽極），也可將工藝直流電耗降到12500kwh/t-Al以下，陰、陽極技術集成應用，我們做了一些基本試驗，初步結果工藝直流電耗可到11800kwh/t-Al左右。
集成應用的困難主要是電解槽運行敏感性很強，容易波動，陽極容易長包。
動力電節約
動力電包括供水、供氣、供料、電解煙氣凈化、其他運轉設備動力消耗及供電設備（配電所）自用電，平均在400kwh/t-Al左右。
若加強工廠管理，如杜絕電解槽供氣管網漏氣，可大大降低空壓機用電；電解槽蓋嚴槽罩，可大大降低凈化排煙機用電；再加強其他動力設備管理，降低用電，電解鋁動力用電可降到300kwh/t-Al以下。
提高整流效率
整流變壓器耗電和整流機組耗電均算到了整流效率之中。
目前，250臺槽以上的大系列，整流效率可到98%以上，200臺槽以下的中小系列，整流效率一般在97%左右。采用低自耗變壓器，高效整流器，大型系列，保持整流效率在98.5%或以上，也可明顯降低交流電耗。（提高1%整流效率，噸鋁可降低130kwh）
提高整流效率
整流變壓器耗電和整流機組耗電均算到了整流效率之中。
目前，250臺槽以上的大系列，整流效率可到98%以上，200臺槽以下的中小系列，整流效率一般在97%左右。采用低自耗變壓器，高效整流器，大型系列，保持整流效率在98.5%或以上，也可明顯降低交流電耗。（提高1%整流效率，噸鋁可降低130kwh）
2.2、降低氧化鋁消耗
氧化鋁實際消耗比理論值多36kg。
氧化鋁國家標準為：
AO-1：98.6%；
AO-2：98.5%
一級品氧化鋁含量不低于98.6%，那么，噸鋁理論上需消耗1915.82kg，實際多耗約15kg，主要是飛揚、運輸損失及凈化收塵系統跑、冒。加強管理和粉塵回收利用，可將氧化鈉消耗降到1920kg/t-Al及以下。
2.3、降低陽極消耗
理論上陽極實際比理論多耗85kg左右，但電解電流效率不足100%，取93%，實際理論消耗359kg，實際多耗60kg左右（國外最好指標也要多耗50kg左右）。
多耗的原因可分為炭陽極掉渣和炭陽極表面氧化兩類。
炭陽極掉渣又由多種形式所產生：1）炭陽極制造中焦粒在混捏時，表面未被液態瀝青充分包裹和浸透，所以在振動成型時顆粒之間無法充分緊密粘接，焙燒后便不能形成完善的固定焦粒的瀝青碳網狀結構，在鋁電解過程中，焦粒脫落掉入電解質中形成炭渣；
2）激振力不足，或振幅、頻率、振動時間等參數不匹配，陽極振動不實，焙燒后陽極氣孔率高，比重小，焦粒粘接不緊密，電解過程中出現掉渣；
3）石油焦煅燒時過燒，降低了焦粒炭的反應活性，而陽極制作中是由瀝青將焦粒粘接成型的，瀝青焙燒后留下的固定炭其活性高于焦粒，所以，在電解過程中，此種陽極的網狀瀝青炭反應較快，活性較低的焦粒炭反應較慢，出現消耗速度不一致，導致掉渣；
4）陽極配方不合理，尤其細粉料的配入量與孔隙率不匹配。如當細粉料配入不足，孔隙率高，陽極體積密度低，當在電解中使用時，電解中產生的氧便進入到孔中反應，形成反應不在同一底面上進行，引起掉渣；
當細粉料配入過量，陽極體積密度高，由于細粉料被液體瀝青浸潤的性能差，細粉難于成團，不僅不能有效膠結顆粒，而且在孔隙中形成散料，在電解使用中掉渣尤為嚴重；
5）陽極電流密度較低時，出現選擇性碳反應[5]，即氧原子首先選擇在活性較強的網狀瀝青炭表面反應，活性較低的焦炭便不發生反應，網狀瀝青炭被消耗后，焦粒便掉入電解質中形成炭渣；
6）電解過程中在陽極底部產生的二氧化碳氣體流向邊部時，形成的巨大壓力和流速沖擊陽極的底表面，加速陽極掉渣。
炭陽極表面氧化是當陽極未被氧化鋁充分覆蓋而裸露，或覆蓋料不緊密，有空氣漏入時，便與空氣中的氧氣發生氧化反應， 生成二氧化碳氣體：
C+O2=CO2炭陽極掉渣又由多種形式所產生：1）炭陽極制造中焦粒在混捏時，表面未被液態瀝青充分包裹和浸透，所以在振動成型時顆粒之間無法充分緊密粘接，焙燒后便不能形成完善的固定焦粒的瀝青碳網狀結構，在鋁電解過程中，焦粒脫落掉入電解質中形成炭渣；
2）激振力不足，或振幅、頻率、振動時間等參數不匹配，陽極振動不實，焙燒后陽極氣孔率高，比重小，焦粒粘接不緊密，電解過程中出現掉渣；
3）石油焦煅燒時過燒，降低了焦粒炭的反應活性，而陽極制作中是由瀝青將焦粒粘接成型的，瀝青焙燒后留下的固定炭其活性高于焦粒，所以，在電解過程中，此種陽極的網狀瀝青炭反應較快，活性較低的焦粒炭反應較慢，出現消耗速度不一致，導致掉渣；
4）陽極配方不合理，尤其細粉料的配入量與孔隙率不匹配。如當細粉料配入不足，孔隙率高，陽極體積密度低，當在電解中使用時，電解中產生的氧便進入到孔中反應，形成反應不在同一底面上進行，引起掉渣；
當細粉料配入過量，陽極體積密度高，由于細粉料被液體瀝青浸潤的性能差，細粉難于成團，不僅不能有效膠結顆粒，而且在孔隙中形成散料，在電解使用中掉渣尤為嚴重；
5）陽極電流密度較低時，出現選擇性碳反應[5]，即氧原子首先選擇在活性較強的網狀瀝青炭表面反應，活性較低的焦炭便不發生反應，網狀瀝青炭被消耗后，焦粒便掉入電解質中形成炭渣；
6）電解過程中在陽極底部產生的二氧化碳氣體流向邊部時，形成的巨大壓力和流速沖擊陽極的底表面，加速陽極掉渣。
炭陽極表面氧化是當陽極未被氧化鋁充分覆蓋而裸露，或覆蓋料不緊密，有空氣漏入時，便與空氣中的氧氣發生氧化反應， 生成二氧化碳氣體：
此外，電解過程中產生的CO2氣體，沿著陽極外表面排出，當陽極處于高溫紅熱狀態時，CO2氣體便與紅熱的炭發生布達反應生成CO氣體，引起炭陽極多耗[6]，即：
CO2+C=2CO
降低陽極消耗
加強制作工藝優化（ 控制好煅后石油焦性能；陽極配方合理；混捏充分；振動成型扎實均勻；焙燒升溫合理，陽極燒透）；
改進陽極制作方式，提高陽極理化性能（如馮乃祥教授團隊發明的高溫模壓制作法）；
改變陽極形狀及結構（如天泰鋁業與中南工大等發明的穿孔陽極，可降低陽極凈耗17kg/t-Al）；
加強電解工藝及操作管理，減少氧化和掉塊。
2.4、降低氟化鹽消耗
理論上，鋁電解過程不消耗氟化鹽，但是，目前的大型預焙槽生產，每噸鋁需消耗20kg左右。
氟化鹽消耗主要來自兩方面，一是原材料帶入水分分解冰晶石，產生氟化氫氣體排出:
2Na3AlF6+3H2O=6HF+Al2O3+6NaF
二是高溫揮發。
3.2、減少氟化物排放
一當量氟化物相當于6000-8000當量CO2，所以，氟化物是極為有害的污染物。
降低氟化物排放應從以下著手：
采取低電壓、低溫生產，可使電解槽加料口和出鋁口火眼良好密封，降低氟化鹽揮發；
采用高效吸附HF的凈化技術，使氣氟被氧化鋁充分吸附；
降低消耗主要從以下入手：
盡量降低原材物料含水量，減少冰晶石分解損失；
盡量降低電解溫度，減少氟化鹽揮發損失。如現在采取的低電壓運行，電解槽下料口密封好，大大降低氟化鹽揮發（目前已有企業氟化鹽消耗到15kg以下）；
密閉好電解槽，減少無組織排放；
改進和管理好凈化系統，高效回收氟化鹽。
3.減排
鋁電解過程中會排出廢氣（CO2、SO2、HF)和粉塵（氟化物揮發粉塵和氧化鋁飛揚粉塵），所用能源主要為電，中國的電能主要是火電，發電產生大量CO2、SO2和NO物，這些都是有害氣體。
陽極質量低劣，會產生大量碳渣，碳渣燃燒產生CO2氣；撈碳渣會帶出大量氟化物，成為有害廢渣；電解槽大修產生的廢爐渣被定義為“高危廢渣”。
3.1、減少CO2、SO2、NO物排放3.減排
鋁電解過程中會排出廢氣（CO2、SO2、HF)和粉塵（氟化物揮發粉塵和氧化鋁飛揚粉塵），所用能源主要為電，中國的電能主要是火電，發電產生大量CO2、SO2和NO物，這些都是有害氣體。
陽極質量低劣，會產生大量碳渣，碳渣燃燒產生CO2氣；撈碳渣會帶出大量氟化物，成為有害廢渣；電解槽大修產生的廢爐渣被定義為“高危廢渣”。
節能是鋁電解直接減少廢氣排放的渠道。
若電解鋁的綜合能耗從目前的13800kwh/t-Al降到11000kwh/t-Al以下，每噸鋁可減少排放CO2:0.978t；SO2:0.029t;NO物0.01485t。
降低陽極消耗，也是減少CO2、SO2排放的主要渠道。
若將每噸鋁的碳耗（凈耗）降低30kg，可降低排放CO2:110kg；SO2:1.08kg。
降低陽極消耗，還能減少陽極需量，自然降低陽極生產中的廢氣、廢物排放量。
保持除塵設備完好，不出現漏氣漏料，保證固氟充分回收；
采取全密封電解槽結構，保證廢氣不外泄，杜絕無組織排放；
采用高質量陽極，不產生碳渣，消除撈碳渣帶走氟化鹽。
3.3、廢舊內襯的回收利用
現代大型電解槽一般槽壽命達2000天左右，內襯材料經幾年使用后，侵入的氟化鹽和金屬鋁與內襯材料發生化學反應，由無害的材料變成了含有多種有害物的高危固體廢料，這些廢料經雨水侵泡后，會放出氰化物等劇毒氣體；氟化鹽侵入地下污染地下水，造成嚴重環境污染。
廢舊陰極炭塊與鋼棒回收利用
碳素內襯可進行氟化鹽分離后，生產出高質量的石墨粉，成為其他產品的原料（青銅峽鋁廠已做成功）；也可直接用于煉鋼，碳成為燃料，氟化鹽成為添加劑，可使渣中的鐵含量降低1%以上。
廢舊鋼棒可直接回收煉鋼。
廢舊耐火材料回收利用
電解槽用的耐火材料通常是高鋁磚，氧化鋁平均含量在60%以上，所以，可把耐火材料磨細按比例（不超過0.4%，可不影響原鋁質量）直接配入氧化鋁中作為電解原料（伊川鋁廠已試驗成功）；也可作為生產氧化鋁的原料。
通過上述分析，鋁電解節能潛力很大，原材物料節約空間不小，廢物可做到充分利用，減排的效果會很好。當然還需要做很多科研及試驗，只要鋁行業廣大科技工作者不斷努力，一定能實現電解鋁的完全清潔生產。
