趙利軍

摘 要：節(jié)能降耗的化工行業(yè)深化改革已成為下步行業(yè)的明確發(fā)展方向。如何進(jìn)行當(dāng)前工況下的優(yōu)化，在不擴(kuò)建、少改建的前提下保證產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，能耗進(jìn)一步降低成為各生產(chǎn)企業(yè)急需解決的問(wèn)題。以膜過(guò)濾技術(shù)、膜法脫硝技術(shù)和離子膜法電解槽制燒堿技術(shù)為代表的低成本解決方案為規(guī)模以上的企業(yè)提供了解決方案。而中小型企業(yè)可以通過(guò)工藝優(yōu)化和附屬產(chǎn)品充分利用提高運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)，在后期項(xiàng)目上馬時(shí)順便進(jìn)行節(jié)能降耗產(chǎn)品的更替或者添加，形成中長(zhǎng)期目標(biāo)對(duì)企業(yè)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：氯堿;生產(chǎn)過(guò)程;節(jié)能控制技術(shù)

1 氯堿生產(chǎn)工藝

在流程工業(yè)中，氫氧化鈉（NaOH）、氯（Cl2）和氫（H2）是使用電解飽和的氯化鈉溶液制備的，該溶液用作氯堿工業(yè)的原料，用于生產(chǎn)一系列化學(xué)產(chǎn)品。氯堿工業(yè)是最基礎(chǔ)的化學(xué)工業(yè)之一，不僅廣泛用于化學(xué)工業(yè)，而且廣泛用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石化工業(yè)和公共設(shè)施。主要過(guò)程有三個(gè)：隔膜法、雙電解池法和汞電解池法。中國(guó)最早的氯堿工廠是上海天元化工廠（現(xiàn)為上海天元化工廠的前身），該廠于1930年投入運(yùn)營(yíng)，每天生產(chǎn)2t苛性鈉。1949年解放時(shí)，氯堿工廠很少，苛性鈉的年產(chǎn)量?jī)H為15000t，氯產(chǎn)品僅是鹽酸，液氯和漂白粉，典型氯堿生產(chǎn)工藝流程圖（圖1）。

反應(yīng)原理為電解，而具體反應(yīng)式為：陽(yáng)極反應(yīng)：2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反應(yīng)）H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并在氫分子的結(jié)合過(guò)程中成陰極釋放趨勢(shì)。相關(guān)的陰極反應(yīng)：2H++2e-=H2↑（還原反應(yīng)）在上述反應(yīng)中，H+是由水的電離生成的，由于H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續(xù)電離出H+和OH-，H+又不斷得到電子變成H2，結(jié)果在陰極區(qū)溶液里OH-的濃度相對(duì)地增大，使酚酞試液變紅?？偡磻?yīng)可以表示為：

2NaCl+2H2O=通電=2NaOH+Cl2↑+H2↑

依據(jù)該原理可以借助相關(guān)設(shè)備進(jìn)行燒堿、氯氣和氫氣的工業(yè)化連續(xù)制取。在中國(guó)限于歷史原因，主要運(yùn)用食鹽水溶液的電解方法進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的制備。而較為典型的辦法有隔膜法，其工業(yè)化生產(chǎn)流程為：通過(guò)相關(guān)多孔隔膜在固定反應(yīng)槽中將陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)進(jìn)行分割并開(kāi)始獨(dú)立電化學(xué)反應(yīng)。其中為促進(jìn)充分反應(yīng)過(guò)程需要避免任何情況下的兩極產(chǎn)物混合。飽和鹽水通過(guò)管匯灌入陽(yáng)極區(qū)，陰極區(qū)隨即開(kāi)始產(chǎn)生堿半產(chǎn)品，同時(shí)保證一定流量的未分解鹽水陸續(xù)外排。通過(guò)工藝控制調(diào)節(jié)鹽水流量，確保相關(guān)陽(yáng)極區(qū)的液位顯著高于陰極最低液面，確保靜壓差連續(xù)而適中，使陽(yáng)極液透過(guò)隔膜流向陰極室，其流向恰與陰極區(qū)OH-向陽(yáng)極區(qū)的電遷及擴(kuò)散方向相反，從而大大減少進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)的OH-數(shù)量，抑制析氧反應(yīng)及其他副反應(yīng)的發(fā)生，陽(yáng)極效率提高到90%以上。而陰極區(qū)由于OH-流失減少，堿液質(zhì)量濃度可提高到100～140g/L。

2 濕氯氣預(yù)熱過(guò)濾鹽水

2.1 工藝流程簡(jiǎn)述

電解槽陽(yáng)極室產(chǎn)出的濕氯氣和淡鹽水經(jīng)氣液分離器分離后，氯氣進(jìn)入氯氣總管，溫度約在80℃，并且被水蒸氣所飽和，內(nèi)含大量熱能不但沒(méi)有被利用，而且要消耗大量自來(lái)水將這部分熱能移除。另一方面進(jìn)螯合樹(shù)脂塔過(guò)濾鹽水溫度需達(dá)到60～65℃，而從化鹽工序輸送到二次鹽水精制工序的過(guò)濾鹽水溫度約50℃，要用大量蒸汽將其加熱至63℃左右。在電解槽至氯氣洗滌塔之間安裝鈦材質(zhì)（Φ500mm×6754mm，F(xiàn)=90m2）列管換熱器1臺(tái)，鹽水走管程，氯氣走殼程，利用從電解槽產(chǎn)出的高溫濕氯氣預(yù)熱過(guò)濾鹽水，將過(guò)濾鹽水溫度提升至65℃左右，不再使用蒸汽加熱。

2.2 濕氯氣預(yù)熱過(guò)濾鹽水經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

改造完成投入使用后，氯水洗滌塔溫度由原來(lái)60℃降至40～45℃，過(guò)濾鹽水經(jīng)濕氯氣預(yù)熱后，溫度由原來(lái)50℃提升至62～65℃，降低蒸汽消耗，且氯水洗滌塔冷卻負(fù)荷大大降低。

改造后過(guò)濾鹽水平均溫升為13℃，每小時(shí)利用熱量Q=24×13×3886kJ/（m3·℃）=1212432（kJ）。折0.3MPa

低壓蒸汽計(jì)（汽化潛熱為2163.7kJ/kg），每小時(shí)節(jié)汽G=

1212432÷2163=560.41（kg）。年可節(jié)約蒸汽0.56×8000=

4480（t），年降成本約為62.7萬(wàn)元。設(shè)備及安裝總投資21.4萬(wàn)元，半年內(nèi)即可收回投資。

3 膜法脫硝技術(shù)

膜法脫硝技術(shù)原理簡(jiǎn)單，分為濃縮和冷凍解除兩大部分。原料液（鹽水）首先通過(guò)膜過(guò)濾將SO42-離子進(jìn)行濃縮液阻斷。使其原液中原始狀態(tài)下的10g/L濃度進(jìn)行處理后40g/L的Na2SO4溶液濃縮強(qiáng)化。然后經(jīng)過(guò)機(jī)械過(guò)濾后進(jìn)入冷凍換熱器解除Na2SO4溶液中濃度SO42-將其結(jié)晶分離。以至于徹底脫除SO42-并得到重要中間產(chǎn)品芒硝。運(yùn)用濃縮阻斷原理能為后續(xù)的原料液冷凍提供充要條件，且減少硫酸鋇和鹽泥的排放和消耗。

4 離子膜法電解槽制燒堿

隨著膜技術(shù)的成熟，以濃度可調(diào)，附屬工藝可選擇的靈活搭配工藝全面體現(xiàn)在離子膜法電解槽制燒堿的相關(guān)工藝當(dāng)中。相關(guān)工藝的運(yùn)行能在整流、二次鹽水精制和后續(xù)的電解、脫氯環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。全面提升系統(tǒng)利用率，其中作為系統(tǒng)核心元件的全氟離子膜是電解槽的運(yùn)行關(guān)鍵。相關(guān)行業(yè)中杜邦公司的膜產(chǎn)品能在SPE（固體聚合物電解法）環(huán)節(jié)優(yōu)化降低30%的電耗。而在工藝上進(jìn)一步優(yōu)化還可以基于當(dāng)前工況進(jìn)行反應(yīng)液雜質(zhì)、原液濃度、電解液酸度、陽(yáng)極液濃度、工藝控制溫度、流程操作連貫性等方面進(jìn)行因素分析并進(jìn)行動(dòng)態(tài)工況優(yōu)化，確保工藝指標(biāo)完善，各控制點(diǎn)參數(shù)穩(wěn)定，系統(tǒng)工程安全運(yùn)行。

5 氯堿生產(chǎn)節(jié)能控制展望

添加冷水箱并泵入冷水箱。DCS控制系統(tǒng)用于自動(dòng)調(diào)節(jié)冷水箱中的水溫和液位。開(kāi)車(chē)后在生產(chǎn)過(guò)程中完全重復(fù)使用多余的回收水。后續(xù)隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和更多設(shè)備的安裝，電能消耗繼續(xù)增加。當(dāng)前的主要方法是拆除不必要的單元設(shè)備，減少了電力浪費(fèi)。也可以采用跨多個(gè)鏈路使用具有相同功能的設(shè)備的節(jié)能方法。修改輸水輸送系統(tǒng)也是一種更有效的方法。通常這包括引入管道。它是通過(guò)完成堿板式換熱器的出口在電解部分實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)安裝了一個(gè)閥以連接電解部分和干燥部分，并且管道通常安裝在室內(nèi)以節(jié)省壓縮空氣并確保堿性液體的輸送。換句話(huà)說(shuō)，它消除了不必要的設(shè)備來(lái)發(fā)電和節(jié)約用水。同時(shí)，減少壓縮空氣以節(jié)省能源。

在生產(chǎn)工藝余熱利用方面，根據(jù)季節(jié)的不同，剩余的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)使用過(guò)多的熱量。氯乙烯和合成熱水可以為其他設(shè)備和冬季提供足夠的火力。來(lái)自合成爐的熱水和氯乙烯可以為工廠提供熱量。因此，在合成HCl時(shí)，不會(huì)在氯堿生產(chǎn)過(guò)程中浪費(fèi)熱能。發(fā)出的熱水高于所需溫度，多余的熱水可為其他設(shè)備供電。熱水為生產(chǎn)工廠提供熱量。使用逆流循環(huán)采取的主要措施是安裝廢熱利用設(shè)備，包括循環(huán)水泵，用于加熱的熱水箱和輸送泵。同時(shí)，可以根據(jù)季節(jié)選擇不同類(lèi)型的蒸汽爐，實(shí)現(xiàn)蒸汽的回收利用，并向工廠區(qū)域供熱。在氯乙烯的過(guò)程中，熱水箱中的熱水為轉(zhuǎn)換器和預(yù)熱器提供足夠的熱量。當(dāng)合理保證溫度時(shí)，可獲得最佳熱量。轉(zhuǎn)爐運(yùn)行過(guò)程中氯乙烯的熱廢熱可確保冬季使用溴化鋰裝置。氯乙烯熱水還可以在生產(chǎn)工廠的較小區(qū)域內(nèi)提供加熱。

6 結(jié)論

降低生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗不僅是企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的需要，也是響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能減排”和“可持續(xù)發(fā)展”的需要。通過(guò)技術(shù)改造將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能源再利用到生產(chǎn)過(guò)程中去實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹亞格.膜極距改造的降耗效果和經(jīng)濟(jì)分析[J].氯堿工業(yè)，2019，51（1）：20-21.

[2]李向青，田廣.國(guó)產(chǎn)高電密離子膜電解槽的應(yīng)用[J].中國(guó)氯堿，2018（6）：30-31+46.