郑州大学梁学民教授团队在《Sustainability》上发表重要研究成果，可进一步促进电解铝节能降碳

在当前全球气候变化和能源危机日益严峻的背景下，铝电解行业的节能降耗显得尤为重要。近日，郑州大学梁学民、陈昱冉为通讯作者，韩锦峰为第一作者在JCR2区《Sustainability》期刊发表题为“Simulation and Application of a New Type of Energy-Saving Steel Claw for Aluminum Electrolysis Cells”的研究论文，该论文创造性的提出一种新型铝电解槽阳极钢爪结构，显著改善了阳极钢爪电流分布，降低了阳极组压降，该技术具有普遍适用性，为电解铝行业的节能降碳提供了新技术。论文DOI：https://doi.org/10.3390/su16188061。

全文摘要：

电解铝工业作为典型的高能耗行业，其节能技术的进步对于推动生态环境的可持续发展具有显著影响。在传统铝电解槽中，由于钢爪的电流密度分布不均匀，常常造成电能的大量损失，增加了电解铝生产的能耗。为了应对这一挑战，本研究设计了一种新型的均流式阳极钢爪（CESC）。通过ANSYS模拟研究，梁学民教授团队发现CESC相较于传统钢爪（TSC）能够实现更加均匀的电流密度分布，并且能够降低约36毫伏的电压。此外，CESC的应用还优化了钢爪的温度分布，有效减少了因温度不均而引发的开裂和变形风险。工业应用测试的结果与模拟研究高度吻合，验证了模拟结果的准确性。经济效益分析表明，采用CESC技术，理论上每生产一吨铝可以节省114.1千瓦时的电能。若该技术在中国得到广泛推广，预计每年能够节省高达47.5亿千瓦时的电能。因此，CESC的开发不仅前景广阔，而且对于提升铝电解行业的整体技术水平具有重要的意义。

核心内容：

在铝电解槽中，由于电流分布不均，传统钢爪（TSC）常常导致能量损失和爆炸焊连接易脱落的问题。为了解决这些问题，研究团队引入了导流块（CGB）将铝导杆和钢爪直接连接，如图1所示。这一创新设计巧妙地利用了铝的高导电性，无需改变现有电解槽的结构，便实现了电流的均匀分布。图2和图3分别展示了传统钢爪与均流式阳极钢爪（CESC）的电流密度分布仿真结果和钢爪路径的电流分布情况。

图1 均流式钢爪示意图

图2 传统钢爪（a）和均流式阳极钢爪（b）电流密度分布仿真图

图3 传统钢爪和均流式阳极钢爪的路径电流密度分布图

在图4中展示的传统钢爪（a）与均流式阳极钢爪（b）的电流走向示意图中，我们可以观察到CESC的设计通过优化电流的路径，促进了电流在钢爪中的均匀分布。这种设计不仅减少了能量损失，还有效降低了钢爪的电压降。

图4 传统钢爪（a）和均流式阳极钢爪（b）电流走向示意图

CESC的设计通过复合材料将钢爪和铝导杆直接连接，实现了电流更直接、更均匀地流向钢爪的各个部分，有效减少了钢爪内部的横向流动和电流集中。这种电流路径的优化策略，使得电压降在钢爪横梁和钢爪头分别降低了32mV和4mV，压降仿真结果见图5。

图5 传统钢爪（a）和均流式阳极钢爪（b）压降仿真图

这种改进不仅降低了能耗，还减少了因电流集中而产生的过热风险，从而延长了钢爪的使用寿命（见图6）。此外，CESC的使用还显著降低了导杆与钢爪之间的温差，使得最大温度和温度梯度分别降低了50℃和19℃，这进一步增强了电解槽的运行稳定性（见图7）

图6 传统钢爪（a）和均流式阳极钢爪（b）温度仿真图

图7 传统钢爪和均流式阳极钢爪路径1（a）和路径2（b）温度分布图

研究结论：

（1）在CESC中，CGB的引入有效减少了钢爪横梁和钢爪头内的电流路径，优化了电流密度分布。相较于TSC，CESC分别降低了钢爪横梁和钢爪头的电压降32 mV和4mV。

（2）CESC的应用显著改善了温度控制，导杆与钢爪之间的温差减少了49℃。此外，钢爪横梁的最大温度降低了50℃，温度梯度降低了19℃，显著降低了钢爪因长期暴露于高温环境而发生变形和脱落的风险。

（3）若CESC技术在中国铝电解行业得到广泛应用，预计每年可节省约47.5亿千瓦时电能，相当于减少了58万吨标准煤的消耗和470万吨二氧化碳的排放。

本研究不仅在理论上证实了CESC设计的可行性，而且在实际工业应用中也展现了显著的节能潜力。CESC的推广有望为铝电解行业带来能效提升的新机遇，并为实现全球节能减排目标做出贡献。

作者简介

韩锦峰，博士，主要从事铝电解槽仿真设计优化研究及铝电解工业节能相关领域研究。发表学术论文2篇。

梁学民，1962年9月生于山西新绛，我国著名铝冶金专家，享受国务院政府特殊津贴。现任郑州大学特聘教授，铝冶金学科带头人，中国有色金属学会常务理事。曾任贵阳铝镁设计研究院总设计师，河南中孚实业股份有限公司总工程师、董事、总经理，郑州轻冶科技股份有限公司董事长、总工程师、首席专家，湖南中大冶金设计院院长等职；先后兼任中南大学教授、“难冶有色金属资源高效利用国家重点实验室”副主任、中国有色金属工业协会专家委员会委员、全轻金属冶金学术委员会副主任委员、科技部“高效节能铝电解科技创新战略联盟”专家委员会主任、中科院973项目专家、国家863项目评审专家、国家科技奖励评审专家等。

在铝电解槽物理特性对电化学过程影响机理研究、大型铝电解槽设计以及铝电解系列连续运行工艺与装备开发领域做出了重要贡献。是我国“铝电解槽热、电、磁及磁流体力学数学模型与计算机仿真技术”（简称“三场”）的创始人之一；是我国一系列现代大型铝电解工业原型槽（180kA、280kA、320~500kA）的设计者和技术的开创者；是大型铝电解系列不停电（全电流）停/开槽技术（赛尔开关）的发明人，完成“大型铝电解系列连续、稳定运行工艺与成套技术装备”的研制，破解了电解铝工业大型化“卡脖子”技术难题。提出概念并系统构建了铝电解槽“双端节能”理论与技术体系，开辟了电解铝工业节能降碳技术的新领域。

多次担任国家重大科技攻关技术总负责人。获国家技术发明二等奖1项，中国专利金奖1项；国家科技进步一等奖1项、二等奖2项，省部级科技进步一、二等奖17项；获得国家设计金奖、省部级工程设计奖一、二等奖4项；获授权国家专利146件，其中发明专利28件,发表学术论文60余篇，主要著作有《现代铝电解生产技术与管理》、《现代铝电解设计与智能化》等,入选国际铝协”全球铝工业50年50位代表人物”榜单。

陈昱冉，郑州大学直聘副教授，硕士生导师，主持或参与国家自然科学基金2项，省部级及市厅级基金6项。研究方向：1）铝工业固废处理及资源化利用；2）超声波基础理论及超声团聚研究；3）微细矿物浮选工艺及设备。担任《Seperation》期刊特刊编辑，担任期刊《Frontiers in Chemistry》评审编辑，在国内外学术期刊发表学术论文32篇，其中第一或通讯作者论文24篇，授权发明专利6项。