铝电解槽柔性生产技术

一、基本概述

铝电解槽柔性生产技术（flexible production technology for aluminum electrolysis cells）是指在铝电解生产过程中，通过优化设备配置及控制系统，动态调节散热功率与下料速率，使生产系统能够灵活适应产能调整、能源波动及市场需求变化等场景的生产模式。

二、分类信息

三、详细解释

铝电解槽是电解铝厂的核心设备，电解槽的稳定运行需严格保持能量平衡（即输入电能=反应消耗的能量+散失的热量）以维持槽内温度稳定，保证铝的纯度和生产效率。

图1 铝电解槽结构示意图（参考来源[5]）

传统铝电解槽生产灵活性极差，依赖恒定电流运行，一旦电流发生波动，易导致电解槽散热异常，破坏槽内关键的保护层“炉帮”（即凝固在槽壳内壁的固态电解质）：散热不足时，炉帮变薄，侧壁温度过高，漏槽风险剧增；散热过度则炉帮增厚，侵占反应空间。

同时，我国电解铝行业电力结构仍以煤电为主。在“双碳”战略下，转向水电、风电、光伏等清洁能源是行业绿色发展的必由之路。然而，清洁能源具有天然的波动性和季节性（如水电的丰枯期和光伏的昼夜变化等因素导致波动），其供电波动极易打破电解槽的能量平衡，传统电解槽调节功能极为有限且过程缓慢，难以快速应对电流变化。

面对这些挑战，铝电解槽柔性生产技术应运而生。该技术通过赋予电解槽动态调节能力，使其在电流变化时能实时调节散热功率和下料速率，维持温度稳定，从而灵活适应并有效消纳波动性的绿色能源。

铝电解槽柔性生产通过在槽壳侧壁、炉帮、电解质熔体和阳极等关键部位部署高精度传感器（包括热电偶、超声波炉帮测厚仪、电流/电压互感器以及烟气成分分析仪等），持续采集温度分布、炉帮厚度、电流电压以及烟气成分等数据，对电解槽状态进行实时、全面的监测。当监测到电流变化时，智能控制系统将综合分析上述数据，自动生成最优方案，调控各分区散热功率与下料速率。这些决策将由各分区的装置执行：在槽壳侧方部署的独立调节散热系统（例如由变频风机和智能风阀构成的分布式风冷网络）可在短时间内作出反应，对炉帮薄弱区域加大风量散热降温，对炉帮过厚区域则减小风量进行保温；高精度的智能下料系统将按照指令调整下料量和位置，确保电解质中氧化铝浓度稳定。

上述环节紧密结合，使铝电解槽生产系统能够较为迅速而精确地应对电流变化，保证其能在较大电流范围内稳定运行，显著增强了对波动性绿色能源的消纳能力，为电解铝行业的绿色转型和深度脱碳提供了有力支撑。

四、应用领域/前景

铝电解槽柔性生产技术的应用价值主要体现在对能源波动的适应性上。

随着清洁能源在电力结构中占比日益提高，其固有的间歇性和波动性对要求稳定用电的电解铝行业构成巨大挑战。而柔性生产技术对不稳定电力具有较好适应性，这对绿色电力的高效消纳具有积极意义，其具体应用成效已在多个工业实践中得到验证：郑州轻冶科技与郑州大学联合开发的“铝电解槽能量流优化与输出端节能技术”，通过动态调节电解槽散热功率和下料速率，成功实现±20%的电流调峰能力，并将电解槽能量利用率从不足50%提升至60%，协助当地电网消纳风电、光伏的波动性电力，成为国内首个实现“双端节能”（输入端与输出端）的工业案例；2022年，中铝集团开展了“铝电解柔性生产关键技术的开发与应用”的研究，实现了电流强度±20%的柔性生产模式下电解槽正常低耗生产，避免了停槽运行，在电力丰富时可快速转入正常生产，有效降低了生产运行成本；中南大学研发的“大型双层密闭惰性阳极铝电解槽”，采用惰性阳极配合密闭分区控温设计，将电流调节响应速度提升至分钟级，单槽碳排放降低85%，烟气含氟物减排90%，为“绿电铝”生产奠定了设备基础。

随着全球对“碳中和”目标的追求以及碳边境调节机制的实施，利用铝电解槽柔性技术消纳绿电生产低碳铝的经济和环境价值将更加凸显，各国政府推动能源转型和工业绿色发展的政策将持续为铝电解槽柔性生产技术的研发与应用提供强大支持和激励。2024年7月，国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、市场监管总局、国家能源局等部门制定并发布了《电解铝行业节能降碳专项行动计划》（发改环资〔2024〕972号），鼓励电解铝企业参与建设以消纳可再生能源为主的微电网，探索应用铝电解虚拟储能及柔性调控技术，提高项目用电负荷调节匹配能力。

五、绿色应用难点

铝电解槽柔性生产技术在提升制造业弹性与效率方面展现出较大潜力，但其实际推广仍面临多重掣肘：

第一，在技术层面：动态调度难以突破实时性瓶颈，尤其在机器故障或订单突变时响应迟滞；不同设备的异构性导致数据难以互通，使跨系统协同控制难以实现。

第二，在成本层面：模块化产线与智能化改造的高额投入对中小企业构成沉重负担，需较长时间才能通过节能收益覆盖成本；复杂的系统依赖高端技术来维护，提高了隐性运营成本。

第三，在质量层面：产品质量与批次稳定性是应用市场的重要要求，柔性生产技术需要经过长时间的研发与试验才能获得关键控制技术参数，以满足市场对产品的要求。

未来，铝电解槽柔性生产技术的发展还需在技术可靠性、成本分摊机制与组织变革等方面寻求平衡。

本词条贡献者：

董文钧 北京科技大学材料科学与工程学院教授

本词条审核专家：

梁宇 贵州大学材料与冶金学院教授

参考来源：

[1] 中华人民共和国国家发展改革委，工业和信息化部，生态环境部，市场监管总局，国家能源局.《电解铝行业节能降碳专项行动计划》（发改环资〔2024〕972号）.2024.

[2] 王延庆,乔荣来,章烈荣,等.铝电解车间厂房通风对铝电解槽槽体热平衡的影响[J].轻金属,2024,(11):17-23.

[3] 张健.铝电解槽绿色低碳新技术的应用[J].绿色矿冶，2025,41(02):63-67.

[4] 王延庆,詹磊,乔荣来,等.柔性生产条件下铝电解槽磁流体稳定性仿真分析[J].轻金属,2025,(03):1-7.

[5] 杨健壮,李万利.铝电解槽余热回收利用技术的研究[J].有色冶金节能,2020,36(04):44-46+61.DOI:10.19610/j.cnki.cn11-4011/tf.2020.04.009.