原鋁提取工業(yè)的技術(shù)革新與研發(fā)工作都是圍繞著節(jié)能減排進(jìn)行，或者說(shuō)其目標(biāo)都是為了節(jié)能減排、改善工作環(huán)境與提高安全保障，以及延長(zhǎng)槽壽命等等。2017年中國(guó)原鋁的平均直流電耗13577kWh/噸，全世界的為14100kWh/噸，中國(guó)每提取1噸原鋁少用電523kWh，2017年中國(guó)生產(chǎn)原鋁比國(guó)外的少用電約1657MWh，溫室氣體排放量也相應(yīng)地減少。中國(guó)原鋁工業(yè)在用電方面已居世界先進(jìn)行列，但是中國(guó)鋁電解槽的壽命卻比國(guó)外的短不少。
據(jù)相關(guān)資料顯示，發(fā)達(dá)國(guó)家預(yù)焙槽目前的平均壽命為2435d，而中國(guó)的僅為1957d，約比國(guó)外的短478d，這個(gè)差距還是不小的。當(dāng)下，國(guó)外最長(zhǎng)槽壽命約為4000d，而中鋁貴州分公司160kA槽的壽命已達(dá)4893d，比國(guó)外的長(zhǎng)22.3%。
我國(guó)已是世界原鋁生產(chǎn)大國(guó)，也成為了一個(gè)原鋁初級(jí)強(qiáng)國(guó)，更應(yīng)是世界原鋁節(jié)能減排的領(lǐng)跑者，因此，宜集中人力、財(cái)力、物力對(duì)如何大幅度降低原鋁的能源消耗與非炭惰性陽(yáng)極展開(kāi)大規(guī)模研究，力爭(zhēng)在2025年將全國(guó)原鋁提取平均能耗降到12500kWh/tAl，即比2017年的13577kWh/tAl降低1077kWh/tAl，也就是說(shuō)減少8%，如果不能達(dá)到8%，那么降低5%也是非常了不起的。
為此，筆者建議能在某個(gè)大型鋁廠的技術(shù)中心建一個(gè)研發(fā)非炭惰性陽(yáng)極研究所，國(guó)家為大股東，其他鋁廠與有關(guān)單位可入股，集中全國(guó)的精兵強(qiáng)將，與技術(shù)世界領(lǐng)先的鋁業(yè)公司進(jìn)行一次“萬(wàn)米賽”。
以下介紹原鋁工業(yè)近期在技術(shù)方面兩項(xiàng)有里程碑意義的工作：一是海德魯鋁業(yè)公司（Hydro）的HAL 4e及HAL 4e ULTRA技術(shù)；二是伊利希斯公司（Elysis）正在研發(fā)的非炭陽(yáng)極鋁電解技術(shù)。
HAL 4e及HAL 4e ULTRA型槽
HAL 4e及HAL 4e ULTRA技術(shù)是海德魯鋁業(yè)公司研發(fā)的，前者已進(jìn)行了中試生產(chǎn)，后者正在研發(fā)中。中試生產(chǎn)線建在公司的挪威卡莫鋁廠，2017年1月生產(chǎn)出了首批厚鋁，是目前世界上最環(huán)保和能源效率最高的，它的能耗與CO2排放量均比目前世界平均值低15%，只有11985kWh/噸鋁，這是很了不起的，2017年全世界的平均能耗為14100kWh/噸鋁。目前中試生產(chǎn)線的原鋁生產(chǎn)能力75kt/a，海德魯鋁業(yè)公司計(jì)劃HAL 4e槽2020年產(chǎn)量增加到200kt/a。這是全世界空前的紀(jì)錄水平，恐怕2025年以前很難有其他鋁業(yè)公司在工業(yè)化提取原鋁能達(dá)到此水平。
HAL 4e技術(shù)的發(fā)展
長(zhǎng)期以來(lái)，海德魯鋁業(yè)公司就把原鋁提取工藝的技術(shù)創(chuàng)新置于一個(gè)非常重要的地位，早在上世紀(jì)70年代就與加拿大鋁業(yè)公司開(kāi)發(fā)成功ASV170技術(shù)。自此以后，海德魯鋁業(yè)公司從未停止創(chuàng)新步伐，不但擁有一支陣容強(qiáng)大的技術(shù)革新團(tuán)隊(duì)，而且與挪威科技大學(xué)密切合作，1981年在挪威霍揚(yáng)格鋁廠投產(chǎn)了HAL220槽；1988年在委內(nèi)瑞納鋁廠研制成功HAL230型槽，此槽型1995年又在斯洛伐克鋁業(yè)公司有效地運(yùn)轉(zhuǎn)；2009年卡塔爾鋁業(yè)公司也采用該公司的HAL300型槽。
2004年，海德魯鋁業(yè)公司決定發(fā)展HAL 4e及HAL 4e ULTRA型槽技術(shù)，從阿達(dá)爾鋁廠、卡莫鋁廠、波什格倫鋁廠與位于德國(guó)的諾伊斯鋁廠抽調(diào)了一批技術(shù)骨干，充分調(diào)動(dòng)了各研究中心的積極性，發(fā)揮各自的專長(zhǎng)，有的從事槽型設(shè)計(jì)，有的從事工藝過(guò)程控制，有的從事材料學(xué)與工程研究，有的專注模型建立與分析。
經(jīng)過(guò)幾年這種分工明確又集中一切技術(shù)力量的聯(lián)合攻關(guān)，終于在2008年取得了近二三十年來(lái)原鋁工業(yè)技術(shù)進(jìn)步最顯赫的成就，在阿達(dá)爾鋁廠選建成了第一批HAL 4e試驗(yàn)槽，并為技術(shù)更先進(jìn)、效率更高、能耗更低與更環(huán)保的HAL 4e ULTRA型槽的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，此種槽的定型持續(xù)到2016年。由于對(duì)磁場(chǎng)的精準(zhǔn)控制、電解液電阻的降低與先進(jìn)控制系統(tǒng)的采用，使陽(yáng)極間距有所減小，從而取得了良好的綜合效益。
現(xiàn)在研究人員在繼續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新工作，使模型更加合理，工藝過(guò)程控制更加完善，工藝參數(shù)調(diào)控更加有效與快捷，并采用新的陽(yáng)極，盡快進(jìn)入大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，創(chuàng)造世界能效最高的鋁電解企業(yè)。
卡莫鋁廠HAL 4e中試電解槽系列的建設(shè)
HAL 4e型槽生產(chǎn)廠建在卡莫鋁廠電解車間旁，至2017年卡莫鋁廠已有50年的歷史，卡莫鋁廠原鋁生產(chǎn)能力125kt/a，中試廠原鋁生產(chǎn)能力75kt/a，用的電全為綠色的水電。
中試電解槽系列建在已廢棄的老自焙槽舊址上，因環(huán)保原因自焙槽電解線于2009年停產(chǎn)。新中試線由60臺(tái)新槽組成，其中48臺(tái)為可工業(yè)化試生產(chǎn)的HAL 4e型，電流強(qiáng)度450kA，電流效率95%，能耗12.3kWh/kgAl，比世界平均能耗14.1kWh/kgAl與海德魯鋁業(yè)公司平均能耗13.8kWh/kgAl低得多。與海德魯鋁業(yè)公司林塔爾鋁廠（Sunndal）Su4型槽和卡塔爾鋁業(yè)公司的HAL 300槽相比，卡莫鋁廠中試線每臺(tái)槽的原鋁產(chǎn)量可多50%。
其余的12臺(tái)槽用于試驗(yàn)HAL 4e ULTRA技術(shù)，它們的電流強(qiáng)度略低一些，為415kA~450kA，海德魯鋁業(yè)希望此項(xiàng)技術(shù)的能耗能達(dá)到11.5kWh/kgAl~11.8kWh/kgAl，世界上其他任何廠都不可能在近期內(nèi)達(dá)到。
HAL 4e槽的直接CO2排放量比世界平均排放量低0.8kg/kgAl，同時(shí)直接CO2當(dāng)量排放量可減至1.40kg/kgAl~1.45kg/kgAl，卡莫鋁廠可在一年內(nèi)少排放60ktCO2。海德魯鋁業(yè)公司規(guī)劃將卡莫鋁廠電解槽全部升級(jí)為HAL 4e型與HAL 4e ULTRA型，使它成為最節(jié)能最減排與效率最高的原鋁生產(chǎn)企業(yè)，成為世界鋁電解工業(yè)的一面旗幟。
伊利希斯公司的無(wú)炭原鋁提取技術(shù)
自1888年鋁的工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，每1kg原鋁都是用霍爾-埃羅法（Hall-Heroalt）電解法提取的。電解法生產(chǎn)1噸原鋁可釋放15.4噸CO2，所以全世界鋁電解工業(yè)每年釋放的CO2非常驚人，為了保護(hù)環(huán)境，科學(xué)家都在苦苦追求不用炭陽(yáng)電解提取原鋁的陽(yáng)極材料，可是非常遺憾的是，至今尚未找到一種極具實(shí)用價(jià)格的非炭質(zhì)陽(yáng)極材料，伊利希斯公司就是為了研發(fā)這種非炭陽(yáng)極材料組建的專業(yè)公司。
伊利希斯公司
伊利希斯公司（Elysis）組建于今年早些時(shí)候，位于加拿大魁北克省蒙特利爾市，是美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）、力拓-加鋁集團(tuán)（Rio Tinto-Alcan）的合資企業(yè)，專門致力于無(wú)炭電解鋁工藝的研發(fā)。該公司是在蘋果公司的牽線搭橋力促下成立的，兩公司計(jì)劃在今后3年投資5500萬(wàn)加元；蘋果也將投資1300萬(wàn)加元，并提供技術(shù)支持；魁北克省和蒙特利爾市政府將各投資6000萬(wàn)加元。
美國(guó)鋁業(yè)公司已研發(fā)成功一種新的不受電解液侵蝕的金屬陽(yáng)極材料，自2009年以來(lái)，已在公司的匹茲堡技術(shù)中心進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了可靠的成果。如果加拿大鋁電解工業(yè)全部采用非炭陽(yáng)極，則可減少溫室氣體直接排放量6500kt/a，大致相當(dāng)于180萬(wàn)輛小型乘用車1年的排放量，可為加拿大創(chuàng)造數(shù)千個(gè)工作崗位，并進(jìn)一步繁榮魁北克省的鋁制造工業(yè)；對(duì)鋁產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)有歷史性意義的時(shí)候。
金屬惰性陽(yáng)極
惰性陽(yáng)極就是我們說(shuō)的非炭陽(yáng)極，可分為陶瓷型與金屬型，美國(guó)鋁業(yè)公司研發(fā)前者，瑞士麥爾特奇（Meltech）公司著重研發(fā)后者，經(jīng)過(guò)近30年的創(chuàng)新研究，取得了不少成就，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但尚未取得有歷史意義的突破成就。中國(guó)一些科研院所和大專院校也進(jìn)行了一些研究，但由于種種原因，主要是經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，進(jìn)展不大。無(wú)論哪種非炭陽(yáng)極，都必須在其表面涂一層氧化物，一是為了導(dǎo)電，二是為了降低金屬在冰晶石電解質(zhì)中的溶解速度。麥爾特奇公司也對(duì)金屬惰性陽(yáng)極作了不少研究。
研發(fā)非炭惰性陽(yáng)極大多集中在Ni-Fe合金和Ni-Fe-Co合金，其中有代表性的是得·諾拉（De Nora）博士的Fe-Ni-Cu合金，此種陽(yáng)極又稱維羅尼卡（Veronica）合金金屬陽(yáng)極，其表面涂有一層氧化鈷活性結(jié)殼。
惰性金屬陽(yáng)極必須具有幾個(gè)條件才有實(shí)用價(jià)值：它的壽命成本應(yīng)與同期炭陽(yáng)極的相當(dāng)或即使高一些，但有其他措施可以得到補(bǔ)償；金屬惰性陽(yáng)極在電解質(zhì)中溶解的元素應(yīng)對(duì)原鋁的品質(zhì)無(wú)影響；電耗必須少于炭陽(yáng)極的或至少與其相當(dāng)；電解槽能夠直接更換金屬惰性陽(yáng)極而不必對(duì)現(xiàn)有電解槽進(jìn)行較大規(guī)模的改造。
大家對(duì)陶瓷都有較多了解，因此對(duì)陶瓷型惰性陽(yáng)極不再警言。