項目成果/簡介:

簡 介

一、項目背景

自20世紀80年代我國有色金屬工業提出“優先發展鋁工業”的戰略發展方針以來，我國鋁工業有了長足的發展，電解鋁工業的發展更是突飛猛進。經過近30多年堅持不懈的努力，實現了跨越式發展。從引進“日輕”160kA預焙槽技術到自主開發280kA特大型鋁電解槽的開發成功，使電解鋁整體技術與裝備水平進入世界先進行列。目前，500kA~600kA以上超大型電解槽已實現了工業規?；茝V應用。40年來由于技術的進步，電解鋁單位能耗下降1000kWh/tAl。

（1）高耗能仍是主要特點。盡管鋁工業技術上取得了極大的進步，然而時至今日，鋁電解的能量利用率仍然僅僅50%，大約有一半的能量都以熱量形式散發在大氣中（圖1）。作為高耗能產業電解鋁工業的節能減排仍將是今后相當一個時期的核心任務。

（2）電解鋁是碳排放大戶。進入21世紀以后，中國電解鋁產量的增長速度明顯加快，從2000年的279.41萬噸增加至2020年3731.7萬噸，連續多年成為世界第一原鋁生產大國，同時電解鋁的節能減排受到廣泛關注。2020年，電解鋁行業二氧化碳總排放量約為4.26億噸，約占全社會二氧化凈排放總量的5%。

（3）對供電質量要求高，不利于可再生能源電力發展。作為用電大戶的鋁冶煉企業，傳統技術不具備調峰能力，這是由于其核心裝備鋁電解槽是在預設的熱平衡條件下設計的，任何偏離預設熱平衡的電力供給都可能導致嚴重過熱或凍結。由于這一限制，現代鋁電解槽的運行對供電質量要求相當苛刻（95%一級負荷），因此，作為用電大戶的電解鋁行業，基本沒有調峰能力，對供電系統的適應性和靈活性小。

國際能源署發布的《電力系統轉型現狀2018》指出：電力系統靈活性已經成為全球優先發展方向。鋁冶煉企業急需增加調峰能力，不僅可以適應未來新能源比例逐漸提升帶來的電網供電波動，而且能主動調峰成為電力系統靈活電源點運行。

2020年12月16日，習近平主席在2020年中央經濟工作會議上指出，要做好碳達峰、碳中和工作，要抓緊制定2030年前碳達峰行動方案。2021年3月15日，習近平總書記在中央財經委員會第九次會議中強調，“要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設總體布局”，指出“要構建清潔安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。”

“雙碳目標”的提出，給電解鋁行業提出了新的課題。開展大型鋁電解槽能量平衡及余熱回收技術的工業系列化應用，通過國內外技術的集成創新，形成一整套的生產工藝技術和先進的裝備，大幅提高電解鋁行業的能源利用率，對于實現電解鋁行業“雙碳目標”具有重大歷史性意義。

二、技術簡介及工作基礎

鄭州輕冶科技股份有限公司與鄭州大學在15年研究成果積累的基礎上，從2017年開始，在鋁電解槽能量流優化及輸出端節能（余熱回收）領域聯合國內外多家企業和科研單位，啟動鄭州市協同創新重大專項，目前“鋁電解槽能量流優化與輸出端節能（余熱回收）技術及成套工業系統（HORRS系統）”已完成工業化試驗，進入工業化示范運行階段。

開創了電解鋁工業輸入端與輸出端“雙端節能”的先河，并為進一步工業應用奠定了基礎。

1、主要內容

建立獨立的鋁電解能量流在線優化調節模型（HORR技術），實現控制變量與控制目標的“解耦”，為進一步實現電解鋁“輸入端節能”的極限優化工藝生產奠定了基礎，進一步降低電能消耗；

成功研制了電解鋁專用“高效集熱裝置”，通過國際合作開發成功國際領先的核心技術，并實現了關鍵設備的量產。在此基礎上，進一步開發了鋁冶煉過程散熱回收系統（HORRS系統），實現大幅節能；鋁電解槽能量利用率可由原來的不到50%提升到60%。

研制鋁電解槽多參數傳感器與快速檢測分析系統，并開發了鋁電解槽數字化基礎上的能量平衡智能化系統；

采用能量流調節系統，為電解鋁柔性生產提供了技術保障，初步實現了利用電解鋁廠巨大電能容量協助當地電網實現蓄能調峰運行，調峰能力達到±20%。

2、當前工作進展

2019年起，在河南中孚實業股份有限公司4臺400kA大型鋁電解槽上，開展了“鋁電解槽能量流優化及智能調控技術開發”協同創新重大專項工業示范應用。2021年3月11日，首臺400kA電解槽余熱已成功與鞏義示城市供熱網實現互聯，回收利用熱量約占電解槽總耗能8~10%，預計到2021年5月底，全部4臺電解槽將整體投運。

三、經濟及社會效益

（1）技術指標

本項目工業試驗完成后，可實現電流效率≧94%；槽電壓低于3.9V，折合噸鋁節電800~1000kWh以上,電解鋁能量利用率提升8~10%

實現電解槽調峰運行

該技術應用后，鋁電解槽可實現蓄能調峰20%，有利支持新能源電力負荷的消納，減小新能源電源增加后帶來的峰谷差，為國家構建新型電力系統提供支撐。

實現電解鋁廠與區域、城市融合發展

根據電解鋁行業（火-電-鋁）的特點，將回收余熱資源供入城市供熱系統用于冬季居民采暖；夏季并入配套發電廠會熱系統，用于發電；也可用于根據產業園區布局，可為周邊工業用戶（如鋁加工、氧化鋁廠等）提供工業生產用熱源或大規模工業制冷，實現余熱資源的高效利用。

社會效益

按照未來推廣應用2500萬噸計算：

年可節電250億kWh；

年可減排：2492.5萬噸二氧化碳;

年可消納新能源電量：675億kWh。

效益分析:

（1）技術指標

本項目工業試驗完成后，可實現電流效率≧94%；槽電壓低于3.9V，折合噸鋁節電800~1000kWh以上,電解鋁能量利用率提升8~10%

實現電解槽調峰運行

該技術應用后，鋁電解槽可實現蓄能調峰20%，有利支持新能源電力負荷的消納，減小新能源電源增加后帶來的峰谷差，為國家構建新型電力系統提供支撐。

實現電解鋁廠與區域、城市融合發展

根據電解鋁行業（火-電-鋁）的特點，將回收余熱資源供入城市供熱系統用于冬季居民采暖；夏季并入配套發電廠會熱系統，用于發電；也可用于根據產業園區布局，可為周邊工業用戶（如鋁加工、氧化鋁廠等）提供工業生產用熱源或大規模工業制冷，實現余熱資源的高效利用。

社會效益

按照未來推廣應用2500萬噸計算：

年可節電250億kWh；

年可減排：2492.5萬噸二氧化碳;

年可消納新能源電量：675億kWh。

知識產權類型:

發明專利

知識產權編號:

202010575520.0 202010575597.8 202021168838.9

技術先進程度:

達到國際領先水平

成果獲得方式:

與國（境）外合作

獲得政府支持情況:

省級以下

計劃/專項類別:

鄭州市協同創新重大專項

獲得經費:

1000.00萬元

自籌資金:

1000.00萬元

自籌資金來源:

企業自籌