这电解铝试验厂为什么能做到效能高、排放低？

　　摘要：提取原铝既要消耗大量的能源又会排放大量的温室气体，如何降低能耗与减少温室气体排放是铝产业始终面临的挑战，海德鲁铝业公司研发的HAL 4e及HAL 4e Ultra电解槽在这两方面迈出了可喜的一步。海德鲁在卡莫伊铝厂建设了一个中试厂，有48台HAL 4e电解槽和12台HAL 4e Ultra电解槽，前者已投入工业化运转，一年多来的生产证明，完全达到了预期的指标：电流强度450kA，电耗12.3KW h/kg Al，远低于全球电解铝平均电耗14.1kWh/kg Al，它的吨铝直接CO2排放量为1.4.-1.45吨。

　　挪威海德鲁铝业公司（Hydro Aluminium）卡莫伊中试厂（Karmoey Technology Pilot）也可以称为新电解示范工程，建在卡莫伊铝厂内，于2018年初投产（图1）。该项目建设投资6300万欧元（含政府2344.2万欧元环保拨款）。2018年全球原铝产量64340kt，若按平均交流电耗13500kWh/t Al、温室气体排放8t/t Al计算，则耗电8686×108kWh，排放温室气体（GHG）514720kt，对世界气候与环境变化的影响不可低估，因此提高原铝提取能量效率与降低温室气体排放，是铝工业面临的严峻挑战，也是铝工业孜孜以求的重大目标之一。

　　该示范工程采用的是HAL 4e和HAL 4e Ultra（超级）工艺，全部建成后能耗可比卡莫伊铝厂现行的能耗低15%，CO2排放量在世界平均值中最低，共有60台电解槽，产量75kt/a，2025年的生产能力将达到200kt/a，2020年的目标是实现碳中性（Carbon Neutal）。

　　此工程的建成标志着海德鲁铝业公司在气候友好与建设绿色工业方面取得了跨越式发展。海德鲁铝业公司董事长兼总经理S.R.布兰德札格（Brandtzaeg）说：此技术具有突破性意义，世界上还没有哪一个铝厂以如此低的能耗和这么高的生产率提取原铝。

　　1 HAL 4e工艺的发展

　　海德鲁铝业公司自成立以来，始终不渝地坚持铝电解及相关产业的进步，站在研究和研发的前沿。最初与加拿大铝业公司联合，于上世纪70年代成功开发ASV 170电解铝技术。奠定了挪威铝工业基础。自此以后，海德鲁铝业公司继续不停地前行，与特伦海姆挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology in Trondheim）合作研究铝电解能量效率与铝品质的提高技术，成功开发HAL 220槽，1981年在挪威霍扬格（Hoyanger）铝厂投产；HAL 230槽，于1988年在委内瑞拉铝厂与1995年在斯洛伐克的斯洛文尼亚铝厂（Slovalco）投产；HAL 300槽，2009年在卡塔尔的卡塔尔（Qatalum）铝厂投产。

　　在此须特别指出的是，海德鲁铝业公司提出了一个大胆的梦想般的规划，要将原铝提取能耗降到10 kWh/kg Al，这在理论上是可行的。铝业界早就有人指出，提取铝的极限能耗可以降到10 kWh/kg Al以下，不过笔者认为，这是一个可以实现的梦想，但要实现商业化生产，不是三五年就能达到的。

　　海德鲁铝业公司推出的HAL 4e槽和HAL 4e Ultra槽技术在向着这个梦想砥砺前行的路上迈出了一大步，现在由挪威阿达尔铝厂（Ardal）、卡莫伊铝厂、波斯格鲁厂（Porsgrun）和德国诺伊斯铝厂（Neuss）的技术精英组成的团队正在奋力研发铝电解的节能降耗新技术，并且各厂技术中心承担的研发内容都有所侧重，如：阿达尔铝厂负责电解槽设计、工艺过程控制、电解；波斯格鲁铝厂负责材料科学和环保方面的事项；诺伊斯铝厂的重点是建立模型与工程化。首先是建立数学模型，为新型槽的设计与操作提供切实可行的依据，为操作提供可靠的程序。

　　第一批HAL 4e工艺实验槽于2008年在阿尔达铝厂研究中心建成（图2）,随后经过不断的完善改进、评价鉴定，2016年推出HAL 4e Ultra槽。HAL 4e槽的主要技术特征：阴阳极间距短，以便控制磁场；低电阻电解质；先进尖端控制系统。海德鲁铝业公司工艺部主管H.E.瓦特（Hans Erik Vatne）说，HAL 4e电解工艺的优点：是一种真正的先进工艺，能耗低；电流密度大即生产率高；低的CAPEX（由于接地面积相距甚短（compact footprint）），低的温室气体排放，还有良好的可认识性（goodunderstanding）和磁场控制，以及为了降低电阻采用低毫伏级电压（milli-volt）。按瓦特的意见，接地面积少的HAL4e电解槽本身就有不少挑战，450kA电流通入电解槽时就会产生极强电磁场，会对邻近的电解槽运转起干扰破坏作用，对此研究者采取的措施是，幽电磁力于槽内，稳定电解质，以使电解能耗降低，达到希望的值。

　　HAL 4e项目的实施为保证过程的平稳顺利进行，应开发一个工艺过程控制系统（图3）,平稳操控实现电解槽运转和氧化铝添加。海德鲁铝业公司科技人员开发的这套系统达到了全盘计算机化与数字化，能掌控热平衡、精准添加氧化铝、能耗降到最低，所开发的模型对了解电解全过程极为便捷。

　　在现行的实验中，研究人员还在做进一步的研究改进工作，创造出了更加完善的与先进的工艺，这就是HAL 4e Ultra。另外，还在对环保置（Environmental Boxes）与槽上吸气系统作完善工作，以达到工业化生产程度；对新阳极及原材料进行试验，创造出世界上能源效率最高电解工艺与槽型。

　　2中间试验

　　海德鲁铝业公司卡莫伊HAL 4e技术中间试验厂建在卡莫伊铝厂之旁。至2019年，卡莫伊铝厂已有52年的历史，有一个铝电解车间；3个铸造车间，其中，圆锭与扁锭各一个，还有一个生产高压电线的线杆车间；一个板带车间和一个研发中心。电解车间原铝生产能力200kt/a，中间试验厂的原铝产量75kt/a。工厂用的电全部为水电，因此原铝的碳排放甚低。

　　试验厂建设总投资约544M美元，并得到政府和环保部门的赞助，支持新能源和改善气候变化项目建设的公众机构埃诺瓦（ENOVA）损赠190M美元，挪威创新事业局支撑2.8M美元。

　　试验电解槽系列在电解车间之旁，原电解系列为自焙槽，由于环保原因于2009年关闭。HAL 4e电解槽系列位于新建的厂房内。试验电解槽系列共有60台槽，其中有48台工业规模试验的，电流强度450kA，电流效率95%，电耗12.3kWh/kg Al，远低于全球电解铝的平均电耗14.1kWh/kg Al和海德鲁铝业公司的平均13.8kWh/kg Al。另外，新槽连续处于高生产率之下，与海德鲁铝业公司松达尔厂（Sunndal）的Su4槽和卡塔尔铝业公司的HAL300槽相比，HAL 4e槽大了50%，每台槽的原铝产量也多50%。其余的12台槽采用的HAL 4eUltra工艺，是以HAL 4e槽为平台开发的，用于研发，但电流强度稍低，为415kA-450kA。海德鲁铝业公司的设想是，将HAL 4e Ultra的能耗能低到11.5kWh/kg Al-11.8kWh/kg Al，这是迄今世界铝工业尚未达到的低水平。

　　新槽型的也可以作为铝工业减少温室气体排放的新标杆，它的直接CO2排放量比世界平均水平低0.8吨/吨Al。该试验厂的吨铝CO2直接排放量可望达到1.40-1.45吨（注：直接排放是指厂内直接排放，不包括外购电力和原材料等间接排放）。如果世界其他地区铝厂也能使用海德鲁此技术生产铝，则节省的能源几乎相当于整个挪威的水力发电量。

　　3结束语

　　卡莫伊铝电解中试工艺槽是世界铝工业的领跑者，能耗低，生产率高，碳排放低。最可喜的是，该中试电解槽系列于一年多前进入工业化生产阶段，一切都在朝着既定的目标前进。同时实验电解槽系列的建成，还为当地解决了50个新就业岗位。海德鲁铝业公司除了对现有的技术继续进行研发、提高外，还有一些成果与先进经验及技术推广到公司隶属的其他工厂。

　　该中试厂的成功运作及所取得的经验对全世界工业的发展都是有益的，当然对中国铝电解产业也不无裨益。