楊振軍 劉慶平 趙學(xué)軍

濱化集團股份有限公司（山東 濱州 256600）

節(jié)能環(huán)保

氯堿行業(yè)節(jié)能降耗技術(shù)分析

楊振軍 劉慶平 趙學(xué)軍

濱化集團股份有限公司（山東 濱州 256600）

介紹了氯堿行業(yè)能源消耗現(xiàn)狀及相關(guān)政策，分析了氯堿行業(yè)中最新的節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用前景。

氯堿節(jié)能降耗技術(shù)能源管理體系

氯堿的生產(chǎn)在我國經(jīng)濟發(fā)展過程中具有十分重要的作用，最近幾年，氯堿作為一種基礎(chǔ)性的化工產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。氯堿行業(yè)屬于能源密集型行業(yè)，主要體現(xiàn)在燒堿生產(chǎn)的電耗方面。2015年我國燒堿產(chǎn)量為3 028.1萬t，同比下降1.4%，若燒堿電解單元單位產(chǎn)品交流電消耗量為2165（kW·h）/t，則2015年燒堿消耗交流電共計約655.58億（kW·h）。2016年1～10月份，我國燒堿產(chǎn)量累計達到2 697.2萬t，比2015年同期的2 516.9萬t增加7.2%左右，從產(chǎn)量來看，2016年全年燒堿消耗交流電將呈增長趨勢，較高的能源消耗狀態(tài)，提供了行業(yè)節(jié)能減排空間[1]。

1 氯堿生產(chǎn)現(xiàn)狀

2015年，在經(jīng)濟“新常態(tài)”的形勢下，國內(nèi)氯堿行業(yè)經(jīng)營壓力較大，主要產(chǎn)品價格紛紛下跌。在國家相關(guān)政策的引導(dǎo)下，我國燒堿行業(yè)步入轉(zhuǎn)型升級階段。燒堿作為氯堿產(chǎn)品中唯一有明顯盈利能力的產(chǎn)品，受節(jié)能環(huán)保、淘汰落后產(chǎn)能等因素的影響，其消費量下滑。

2015年國內(nèi)燒堿總產(chǎn)能達3977.5萬t/a，退出產(chǎn)能104.5萬t/a，新增產(chǎn)能172萬t/a，增速為1.73%。按照《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》（2011版）的要求，隔膜法燒堿屬于淘汰類產(chǎn)業(yè)，目前國內(nèi)也已基本淘汰，絕大部分為能耗更低的離子膜法燒堿產(chǎn)能。在新環(huán)保法的實施過程中，產(chǎn)能規(guī)模較小、環(huán)保設(shè)施建設(shè)不全、污染物排放不達標的氯堿企業(yè)將退出市場。2016年燒堿的供需關(guān)系為：供應(yīng)面上，在“十三五”化解過剩產(chǎn)能、去庫存等政策的引導(dǎo)下，后續(xù)擴能也僅限于大型氯堿生產(chǎn)廠家，中小氯堿廠家被淘汰出局或兼并重組是大趨勢，但燒堿整體供應(yīng)量將維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)；需求面上，國內(nèi)經(jīng)濟“新常態(tài)”是必然，燒堿下游的印染、化纖、造紙等主要消費行業(yè)對燒堿的消費能力不足，而氧化鋁行業(yè)在2016年的擴能計劃，給燒堿帶來一定支撐。

2016年國內(nèi)燒堿價格持續(xù)處于高位，且穩(wěn)中有漲。國內(nèi)燒堿裝置生產(chǎn)正常，開工率在80%以上，產(chǎn)量保持穩(wěn)定，下游氧化鋁市場運行良好，市場貨源供應(yīng)平穩(wěn)，成交節(jié)奏正常。在供需利好的推動下，國內(nèi)燒堿企業(yè)發(fā)展勢頭較好。在激烈的市場競爭環(huán)境下，節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本仍然是氯堿企業(yè)生存和發(fā)展的有效途徑。

2 節(jié)能降耗技術(shù)分析

隨著氯堿行業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)紛紛引進節(jié)能技術(shù)、配置先進設(shè)備，進一步促使氯堿行業(yè)節(jié)能減排水平不斷提高，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。

2.1 氧去極化陰極（ODC）技術(shù)的應(yīng)用

隨著對燃料電池開發(fā)研究的深入，人們開始意識到可以將其使用的氣體擴散電極（GDE）技術(shù)引入到氯堿工業(yè)中來降低電耗，應(yīng)用于氯堿工業(yè)中的GDE稱為ODC。借鑒燃料電池的原理，使用多孔氣體擴散材料作為陰極，使O2在陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成OH-，從而抑制H2的形成。ODC型電解示意圖如圖1所示。

ODC電解的主要電化學(xué)反應(yīng)如下：

圖1 ODC氯堿電解示意圖

在我國，氯堿工業(yè)的總耗電量占整個工業(yè)用電的5%左右，其電能主要消耗在氯堿工業(yè)的核心裝備電解槽上，因此我國也積極加入到國際行列，研究新型電解槽——ODC離子膜電解槽的制備技術(shù)。

在河北滄州大化集團黃驊氯堿有限責任公司所屬的中國化工離子膜電解技術(shù)產(chǎn)業(yè)化試驗培訓(xùn)基地內(nèi)，建成的國內(nèi)首臺5000噸級的ODC離子膜電解槽實驗裝置，已于2012年6月30日通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的專家72 h考核，各項指標達到課題任務(wù)書提出的相關(guān)設(shè)計要求，尤其是氯堿電解節(jié)電達到35%左右。目前藍星（北京）化工機械有限公司正與國內(nèi)幾家氯堿企業(yè)進行探討，以確定更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化示范項目。

2014年2月，濱化集團股份有限公司和伍德迪諾拉公司在山東濱州簽訂了8萬t/a燒堿裝置合同，這是伍德迪諾拉公司全球第一個鹽水氧陰極電解專利技術(shù)裝置合同工廠。該項目分為兩期實施，一期4萬t/a裝置于2015年9月安裝完成，現(xiàn)已開車成功。

ODC離子膜電解槽因為陰極沒有H2析出，降低了陰極放電電位，一般可使單槽電壓下降0.85～1.00 V，噸堿直流電耗下降600～700 kW·h，若工業(yè)用電價格按0.7元/千瓦時計算，從電解單元的直流電耗來看，噸堿可節(jié)約成本420～490元，其經(jīng)濟效益十分顯著。2015年國內(nèi)燒堿產(chǎn)量為3 028.1萬t，若將其中的30%改為ODC離子膜法燒堿，每年節(jié)電價值達38.15億～44.51億元，單從電能來看ODC電解具有很大的經(jīng)濟效益。

ODC技術(shù)的應(yīng)用需根據(jù)企業(yè)的自身情況而定，一方面需考慮新技術(shù)的成本，包括ODC電極、新型電解槽和所需O2的費用；另一方面需考慮H2的性質(zhì)和市場利用前景。采用ODC技術(shù)，每生產(chǎn)1 t燒堿就少產(chǎn)生285 m3H2，若全球30%的氯堿電解改為ODC技術(shù)，則生產(chǎn)3900萬t/a燒堿就少產(chǎn)生H297.5萬t/a。若企業(yè)生產(chǎn)的H2自身無法消耗的話，采用ODC技術(shù)將會給其帶來巨大的效益[2]。

2.2 陶瓷膜的應(yīng)用

在日益重視節(jié)能減排、技術(shù)革新的今天，我國氯堿行業(yè)積極推動產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源配置優(yōu)化。離子膜制堿工藝在行業(yè)內(nèi)的迅速推廣，對鹽水精制質(zhì)量提出非常高的要求。

陶瓷膜法直接過濾工藝是近年新興的一次鹽水精制技術(shù)，其過濾技術(shù)獨特、投資低、占地少、操作彈性優(yōu)良，倍受廣大氯堿企業(yè)的青睞[3]。

陶瓷膜法直接過濾工藝的優(yōu)點明顯：相對傳統(tǒng)工藝和有機膜法過濾，減少了澄清桶、砂濾和預(yù)處理工序，簡化了流程，有效降低投資成本，減少占地面積，避免了傳統(tǒng)工藝帶來的硅污染，且無需對粗鹽水進行分段復(fù)雜的前處理，只要過堿量控制穩(wěn)定，反應(yīng)停留時間足夠，經(jīng)過陶瓷膜過濾之后即可得到合格的精鹽水，且不受原鹽中鈣鎂比例偏差大的影響，降低對原鹽的要求。

福建湄洲灣氯堿工業(yè)有限公司現(xiàn)有1套凱膜鹽水過濾裝置（3臺過濾器），鹽水精制量為120 m3/h；1套第3代陶瓷膜鹽水過濾裝置（1臺過濾器），鹽水精制量為40 m3/h。對二者進行對比，結(jié)果顯示：（1）凱膜工藝和陶瓷膜工藝鹽水精制鹽水出水量和質(zhì)量均可達到設(shè)計要求；（2）陶瓷膜的多項技術(shù)指標均優(yōu)于凱膜；（3）凱膜出鹽水量和各項技術(shù)指標受原鹽質(zhì)量的影響較大，而陶瓷膜過濾精度高，鹽水質(zhì)量較穩(wěn)定[4]。

唐山三友氯堿有限責任公司的一次鹽水生產(chǎn)裝置采用了陶瓷膜鹽水精制技術(shù)，該裝置占地面積小、流程短，能有效節(jié)約精制劑，滿足了企業(yè)在有限空間內(nèi)達到產(chǎn)能最大的目標[5]。

經(jīng)過最近5年大規(guī)模的推廣，陶瓷膜過濾工藝已經(jīng)趨于完善，獲得業(yè)界認可。

2.3 二次鹽水精制樹脂壽命延長

二次鹽水中Ca2+、Mg2+含量超標會造成電解槽離子膜污染，Ca2+含量超標會使離子膜電解槽電流效率下降，Mg2+含量超標會造成離子膜電解槽槽電壓升高、電流效率下降，并縮短離子膜使用壽命，嚴重者甚至報廢，給企業(yè)帶來不可挽回的經(jīng)濟損失。

天津渤天化工有限責任公司采用南通三圣化工科技有限公司技術(shù)充分改善樹脂塔的運行環(huán)境，使離子交換樹脂能夠在較長時間內(nèi)保持良好的活性，螯合吸附能力得到最大發(fā)揮，從而大幅度延長了樹脂塔的運行周期。

采用二次鹽水精制離子交換樹脂塔運行周期延長技術(shù)后，對于旭化成株式會社的二次鹽水精制工藝而言，進槽鹽水質(zhì)量得到改善，對降低槽電壓、提高電流效率起到積極作用。另外，酸性、堿性廢水排放量也同步減少，使整個燒堿系統(tǒng)水平衡得到進一步優(yōu)化，降低了污水處理費用，對促進企業(yè)節(jié)能環(huán)保、低碳發(fā)展具有積極作用。

天津渤天化工有限責任公司已將樹脂塔每天再生一臺次改為每10天再生一臺次[6]。

2.4 三效逆流離子膜燒堿蒸發(fā)濃縮技術(shù)

三效逆流蒸發(fā)工藝中，蒸發(fā)的操作流程為逆流，即堿液的流向與加熱蒸汽的流向相反。因其充分利用了蒸汽的熱量，與傳統(tǒng)的二效蒸發(fā)及三效順流工藝相比，三效逆流及多效蒸發(fā)具有汽耗低的顯著特點。其基本原理為：質(zhì)量分數(shù)為32%的堿液通過原液堿泵送到Ⅲ效加熱器，蒸發(fā)濃縮后的堿液由Ⅲ效堿泵送到Ⅱ效加熱器，堿液在Ⅱ效加熱器里與殼程加熱蒸汽進行間接換熱使溫度升至沸點，蒸發(fā)濃縮后的堿液由Ⅱ效堿泵送到Ⅰ效加熱器進行間接加熱并升溫蒸發(fā)，堿液在Ⅰ效加熱器里與管間加熱蒸汽進行間接換熱使溫度升至沸點，最后從Ⅰ效加熱器底部流出進入Ⅰ效蒸發(fā)罐。沸點狀態(tài)下的堿液進入Ⅰ效蒸發(fā)罐后急劇濃縮，這時堿液質(zhì)量分數(shù)為50%，堿液溫度約為170℃，由Ⅰ效堿泵出料并經(jīng)成品冷卻器與循環(huán)冷卻水進行間接換熱冷卻，最后從成品冷卻器出來的即為成品堿液，堿液質(zhì)量分數(shù)為50%，堿液溫度在45℃以下。

目前，三效逆流降膜蒸發(fā)工藝已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。以生產(chǎn)50%離子膜燒堿為例，三效逆流降膜堿蒸發(fā)技術(shù)與現(xiàn)有雙效堿蒸發(fā)技術(shù)相比，噸堿平均汽耗由約0.72 t降至約0.52 t，生產(chǎn)1 t 50%的NaOH溶液可節(jié)約蒸汽約0.20 t；與單效堿蒸發(fā)技術(shù)相比，每噸50%堿液可節(jié)約蒸汽量0.55～0.60 t。

2011年6月份,天津大沽化工股份有限公司對49%燒堿生產(chǎn)裝置采用三效逆流降膜蒸發(fā)工藝，10月份一次開車成功。蒸發(fā)裝置穩(wěn)定高效運行后，提高了49%燒堿的產(chǎn)量，降低了49%燒堿的生產(chǎn)成本[7]。

新疆中泰化學(xué)股份有限公司從瑞士Bertrams公司引進的三效逆流降膜蒸發(fā)裝置已運行了4年多的時間，充分體現(xiàn)了該工藝運行指標穩(wěn)定、操作運行安全可靠、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、能源消耗低、管理方便的特點[8]。

2.5 其他技術(shù)

淡鹽水膜法脫硝技術(shù)通過膜過濾將硫酸根離子去除，改變了傳統(tǒng)的利用氯化鋇與硫酸反應(yīng)生成硫酸鋇沉淀而除去硫酸根離子的方法，從而大大降低了環(huán)境污染、減少了鹽泥的的排放量，比鋇法除硫酸根工藝可降低處理成本45%～50%。

寧夏英力特化工股份有限公司和濱化集團股份有限公司都采用了膜法脫硝技術(shù)，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著。根據(jù)性能測試的數(shù)據(jù)分析，按10萬t/a燒堿計算，采用氯化鋇法費用約750萬元/年，采用膜法除硝技術(shù)費用約250萬元/年，節(jié)約生產(chǎn)成本約500萬元/年。目前膜法脫硝技術(shù)在燒堿行業(yè)已有多家企業(yè)應(yīng)用，總處理能力在800萬t/a左右[9]。

淡鹽水脫氯采用噴射泵法，該工藝采用氯水加壓或蒸汽直接進入噴射泵形成真空，進行真空脫氯，該技術(shù)在濱化集團股份有限公司已被采用。后來發(fā)展的鈦機械真空泵直接抽真空，在負壓狀態(tài)下淡鹽水沸騰脫氯，抽取的氯氣經(jīng)冷卻分離后被回收到氯氣總管中。鈦真空泵原來進口較多，現(xiàn)在國內(nèi)鈦真空泵技術(shù)已成熟，完全可滿足各類規(guī)模的燒堿生產(chǎn)脫氯要求。

氯氣和氫氣處理過程中大量采用透平機，其自動化程度高、運行穩(wěn)定、震動小、調(diào)節(jié)范圍大，實際交流電耗大大降低，從而取代了硫酸納式泵，成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。

新疆中泰化學(xué)股份有限公司依托PI Processbook軟件開發(fā)了一鍵巡檢系統(tǒng)，自系統(tǒng)運行以來，為產(chǎn)能提升、節(jié)能降耗、效果評估等項目提供了數(shù)據(jù)支持和技術(shù)手段，并且分布式控制系統(tǒng)（DCS）的操作人員由8人減為6人，實現(xiàn)了減員增效的目的[10]。

3 能源管理體系的應(yīng)用

建立能源管理體系，按照體系的要求規(guī)范能源管理，積極主動采用先進的節(jié)能管理方法和節(jié)能技術(shù)，實施能源利用全過程的管理，做到有效、合理地使用能源，提高能源利用效率，降低能源消耗，是氯堿企業(yè)節(jié)能管理的必然選擇。

2011年8月，煙臺萬華氯堿有限責任公司開始著手建立能源管理體系。2012年試運行，目前已運行穩(wěn)定，取得了較好的績效。

2010年，32%燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗（折標煤，下同）為357.16 kg/t；48%燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗為475.09 kg/t；離子膜法電解單元單位產(chǎn)品交流電耗為2235（kW·h）/t。2012年，32%燒堿單位產(chǎn)量綜合能耗為337.115 kg/t；48%燒堿單位產(chǎn)量綜合能耗為458.557 kg/t；離子膜法電解單元單位產(chǎn)品交流電耗為2145（kW·h）/t。與2010年能源管理基準年相比較，2012年煙臺萬華氯堿有限責任公司32%燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗下降了5.61%，48%燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗下降了3.48%，達到了公司2012年單位產(chǎn)品綜合能耗下降3%的目標[11]。

4 結(jié)語

氯堿企業(yè)通過采用先進技術(shù)、裝置及管理工具，實現(xiàn)了能源的節(jié)約和合理利用，提高了能源效率，降低了能源消耗和生產(chǎn)經(jīng)營成本，增加了經(jīng)濟效益，緩解了能源供應(yīng)與需求之間的矛盾，提高了企業(yè)在能源資源價格不斷上漲時的市場競爭力，使企業(yè)在競爭日益激烈的國際、國內(nèi)環(huán)境中立于不敗之地，永葆青春和活力。

隨著氯堿行業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能降耗的觀念不斷深入人心，氯堿生產(chǎn)必須注重節(jié)能降耗措施的應(yīng)用和發(fā)展。在氯堿的生產(chǎn)過程中使用節(jié)能設(shè)備、創(chuàng)新節(jié)能降耗技術(shù)、采用節(jié)能降耗措施，能夠有效地指導(dǎo)氯堿工業(yè)的生產(chǎn)，促進其科學(xué)、高效、可持續(xù)地發(fā)展。

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Analysis of Energy Saving Technology in Chlor-alkali Industry

Yang Zhenjun Liu Qingping Zhao Xuejun

The energy consumption status and related policies of chlor-alkali industry were introduced,and the latest energy saving technologies and their application prospects were analyzed.

Chlor-alkali;Energy saving technology;Energy management system

TK01+8

2016年11月

楊振軍男1970年生本科工程師現(xiàn)任濱化集團股份有限公司總經(jīng)理助理