裴允彤，單明月，謝 楠，楊婉瑩

（藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176）

氯堿工業(yè)以氯化鈉為原料， 通過電解工藝制成燒堿、鹽酸、氯氣和氫氣，氯氣進一步制成以聚氯乙烯為代表的多種耗氯產(chǎn)品。 進入21 世紀后，中國的氯堿工業(yè)獲得了長足的發(fā)展與進步， 生產(chǎn)的高質量氯堿開始走向世界，成為最主要的氯堿產(chǎn)品輸出地。八十年代，藍星（北京）化工機械有限公司（以下稱藍星北化機）將離子膜電解裝置國產(chǎn)化后[1]，經(jīng)過四十多年的潛心研究和持續(xù)發(fā)展， 藍星北化機現(xiàn)已成為全球三大離子膜電解裝置成套供應商之一， 具有年產(chǎn)200 萬t燒堿裝置和300 萬t電極生產(chǎn)能力。 截至2022 年，國內氯堿市場占有率已達到40%，產(chǎn)業(yè)分布在北美、歐洲、南美、東南亞等全球二十多個國家。而今， 面對不斷發(fā)展的國際經(jīng)濟形勢及全球節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展策略，氯堿行業(yè)改革已勢在必行，國外已逐步對氯堿成套裝置實現(xiàn)撬裝化， 但國內氯堿行業(yè)卻鮮有研究。為貫徹實施中國碳達峰、碳中和的政策要求，加快推進氯堿工業(yè)“智能化、數(shù)字化”發(fā)展，以及解決國內外氯堿項目施工周期長的困境，從而提高氯堿產(chǎn)品的低價競爭力， 氯堿工業(yè)撬裝化已迫在眉睫。

1 撬裝裝置的特點

撬裝化的設計理念最早出現(xiàn)于六七十年代，主要是用于英、美等國家的油氣田建設，特別是計量站和集氣站等， 如今已逐步成為石油化工行業(yè)和精細化工行業(yè)對“集成化裝置”的共識。 撬裝化裝置是將閥門、儀表、泵等設備，利用管道連接集成到一套由結構鋼組合成的撬塊中[2]。 撬裝裝置主要在工廠內部進行組裝，再運輸至施工現(xiàn)場。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工安裝方式相比，撬裝裝置具有以下優(yōu)點：

（1）占地面積小。 撬裝裝置具有結構緊湊的特點， 在滿足相關規(guī)范要求的前提下可以充分利用三維空間進行集成，可最大限度地節(jié)約占地面積。對于年產(chǎn)量小于2 萬t的燒堿工藝，傳統(tǒng)設計布置下綜合占地面積約為510 m2， 而在撬裝設計下占地僅為375 m2，比常規(guī)工藝減少20%以上。

（2）現(xiàn)場施工周期短。 在實際工程建設中，通常整個工程項目耗時最長的便是工藝管道和設備的安裝，而撬裝裝置主要在工廠內完成大部分安裝工作，再運送至施工現(xiàn)場進行撬塊間的組合拼接， 無需再安裝閥門、儀表等設備，現(xiàn)場工作量少。同時，在工廠組撬安裝進行的過程中， 現(xiàn)場可以同步進行土建基礎的建設及設備就位等工作， 大大減少了現(xiàn)場安裝的時間，提升了整體工程進度，節(jié)約了施工成本。

（3）設備再利用率高。 撬裝裝置的管道、閥門及設備全部安裝在結構鋼制成的撬體中， 撬塊可以進行整體拆解和遷移，這種高流動性的特點，使工廠在對設備進行搬遷和改造時節(jié)省了大量成本， 設備的循環(huán)利用也減少了企業(yè)重復投資問題的發(fā)生。

（4） 安裝調試費用低。 撬裝裝置在出廠前就已經(jīng)進行了如管道試壓、除銹防腐、儀表測試等各種檢查工作，現(xiàn)場調試工作量少，現(xiàn)場安裝調試費用較傳統(tǒng)方式減少約10%～20%。

但撬裝化裝置同時也存在一些不可避免的缺點。 常規(guī)模式下的安裝方式，設備布置較為寬松，方便后期巡檢維修操作，同時在工程實踐中，如果遇到各種特殊狀況，可以對設備安裝進行適當調整。而撬裝化緊湊的結構布局，使其很難進行局部整改，在設備的安裝調試工作中存在靈活性不足的缺陷， 同時也增加了檢修工作的難度。 這也是下一步工藝優(yōu)化的重點， 如何在撬裝化設計的前提下盡可能保證設備、閥門等的維修操作空間。

2 成套燒堿裝置撬裝化方案研究

2.1 電解工藝簡介-離子膜法

氯堿工業(yè)是指工業(yè)上用電解飽和食鹽水的方法制取氫氧化鈉、氯氣和氫氣，并以其為原料生產(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，其廣泛應用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石化工業(yè)等。離子交換膜法是世界上較為先進的電解制堿技術， 這一技術在20 世紀50 年代開始研究，80 年代開始工業(yè)化生產(chǎn)。 離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導電銅棒等組成， 每臺電解槽由若干個單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成[3]。 其中，陽離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽極室兩部分。 此外， 該離子膜還有一種特殊的性質，即只允許陽離子通過，阻止陰離子和氣體通過，也就是說只允許Na+通過，而Cl-、OH-和氣體則不能通過[4]。 這樣既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的Cl2相混合引起爆炸， 又能避免Cl2和NaOH 溶液反應生成NaClO 而影響燒堿的質量。

精制的飽和氯化鈉溶液進入陽極室；純水（加入一定量的NaOH 溶液）加入陰極室。 通電時，H2O 在陰極表面放電生成H2，Na+穿過離子膜由陽極室進入陰極室，導出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽極表面放電生成Cl2。 電解后的淡鹽水從陽極導出，可重新用于配制食鹽水循環(huán)利用。

經(jīng)過40 多年的工業(yè)化發(fā)展和行業(yè)競爭，離子膜法現(xiàn)多以復極式電解槽作為燒堿裝置的核心設備。作為國內最早制造膜極距電解槽的企業(yè)， 藍星北化機對電解槽結構和電極技術潛心研究多年。 自2010年成功推出NBZ-2.7 膜極距電解槽以來，不斷進行結構改進和電極的研發(fā)，2014 年推出NBZ-2.7（Ⅱ）膜極距電解槽，運行更穩(wěn)定，性能更優(yōu)異，電極壽命更長久。從2017 年開始，為降低氯堿企業(yè)能源消耗，藍星北化機技術研發(fā)人員將工作重心集中在電極性能的提升上，經(jīng)過反復試驗，不斷改進，于2021 年推出NBZ-2.7（Ⅱ）Plus 膜極距電解槽，不僅降低了電解槽電壓， 電解槽電壓的穩(wěn)定性和均一性也得到了顯著的改善，電解槽間的電壓差異明顯減少，同時抵抗反向電流的能力顯著提高[5]。 因此，NBZ-2.7（Ⅱ）Plus 膜極距電解槽推出以來， 深受廣大氯堿企業(yè)的歡迎和認可。

2.2 撬裝化布置方案概述及工藝優(yōu)化

依托藍星北化機行業(yè)領先的電解槽生產(chǎn)技術和多年的氯堿工藝設計經(jīng)驗， 公司已先后完成了年產(chǎn)燒堿百噸級別以下的一系列廢鹽電解評價裝置等小型化撬裝項目。但這遠遠不足以滿足市場需求，所以自2020 年起，開始推進年產(chǎn)5 000 t 至2 萬t左右的燒堿工藝撬裝化設計研究。

在撬裝化布置方案的探討中， 考慮到國內撬裝裝置主要是通過公路運輸?shù)姆绞?，因此撬裝化布置首先要滿足公路運輸方面的要求。 調研發(fā)現(xiàn)，公路運輸中要求高度低于4.2 m（涵蓋車高，普高1.2 m），寬度低于2.5 m，長度低于18 m。而對于海外項目，為保證運輸過程中的安全性及海上運輸中惡劣天氣的影響，則需要撬塊尺寸滿足進集裝箱的要求。國際標準集裝箱共有13 種規(guī)格，其寬度一樣均為2 438 mm、長度有四種（12 192 mm、9 125 mm、6 058 mm、2 991 mm）、高度有四種（2 896 mm、25 911 mm、2 438 mm、＜2 438 mm）[6]。如果撬塊尺寸超出公路運輸或集裝箱運輸?shù)囊?guī)定要求， 則可以選擇分層或分塊的方式將撬塊運輸至施工現(xiàn)場，再進行撬塊與撬塊之間的組裝。 此外，在運輸條件允許的情況下， 為滿足各項目對操作空間和工藝技術的不同需求， 在實際安裝過程中需要對撬內裝置進行合理布局，以提高整體安裝的靈活性。

對于年產(chǎn)5 000 t、100%wt 燒堿撬裝式電解生產(chǎn)裝置，為滿足撬裝需求，在傳統(tǒng)電解工藝基礎上進行了工藝改進。電解裝置電解所需的電解液，改為由增加了變頻控制的精制鹽水泵和堿液循環(huán)泵直接供給。 通過變頻控制泵保持穩(wěn)定的出口壓力， 實現(xiàn)電解液進入電解槽壓力和流量的穩(wěn)定， 從而取代了傳統(tǒng)電解工藝中由鹽水高位槽、 堿液高位槽的液位來控制電解液進入電解槽壓力和流量的穩(wěn)定的方法。離子交換樹脂塔和電解槽在生產(chǎn)全過程中產(chǎn)生的廢液，通過共用回收鹽水槽、廢水槽進行回收，取消設置陽極液排放槽、陰極液排放槽。 最終減少了設備、管道、儀表及閥門的資金投入，降低了整套生產(chǎn)系統(tǒng)安裝框架結構高度[7]。 后經(jīng)技術研討，將整個燒堿工藝區(qū)分成了多個集成化撬裝單元一樹脂塔撬裝單元，廢液處理、精制鹽水、純水撬裝單元，淡鹽水脫氯、電解循環(huán)撬裝單元（分為上下兩層），成品堿撬裝單元等。對撬裝單元內的設備、管道、儀表、閥門等進行預組裝， 各個撬裝單元主要借助地腳螺栓在混凝土基礎中進行固定， 并通過法蘭等連接件連接各個撬塊。 其中較大的槽、罐設備包括電解槽、離子交換樹脂塔，回收鹽水槽，廢水槽，精制鹽水槽，淡鹽水循環(huán)槽，堿液循環(huán)槽，脫氯塔，脫氯淡鹽水槽，成品堿槽，高純鹽酸槽，純水槽等可根據(jù)不同情況作為獨立設備進行運輸或安裝。由于上述設備體積較大，可以不必進行撬裝式封裝，而單獨進行相應管道及儀表、泵等的安裝，以方便生產(chǎn)商安裝使用。單獨安裝設置的較大槽、罐等設備，由于體積相對較小，也更方便運輸。 同時擬定對電解設備和脫氯設備分別在框架結構上進行現(xiàn)場安裝， 整套生產(chǎn)系統(tǒng)占地面積約為300 m2，最大安裝高度為6 m。 基于此技術方案的電解裝置， 生產(chǎn)商的施工現(xiàn)場在滿足土建條件要求的基礎上，即可實現(xiàn)撬裝式快速、便捷地安裝施工。

2.3 撬塊結構設計和三維建模

經(jīng)過對燒堿工藝的優(yōu)化，在設計全階段，對整套燒堿撬裝裝置進行了三維建模和結構設計。 由于撬裝裝置空間有限， 為保證工藝的合理性和布置方案的經(jīng)濟節(jié)約原則， 在設計初階段就對全套撬裝設備進行了多次三維建模和修改， 實現(xiàn)了撬裝裝置設計的可視化。 同時結合儀表、電氣等各專業(yè)經(jīng)驗，對電儀橋架進行預設計，保證了撬裝工藝設計的完整性。通過三維建模能夠將管道和設備的整體安裝狀態(tài)直觀、全面地展現(xiàn)出來，使設計、施工、操作人員一目了然地熟悉撬裝設備的安裝、管道的布置、空間布局，方便設計人員自檢和各專業(yè)的會審， 能有效避免相互碰撞現(xiàn)象的發(fā)生。 部分撬塊的三維模型圖見圖1。

圖1 撬塊三維模型圖

在橇裝設計中撬架設計是關鍵， 其結構合理設計是難點，即要結構簡單美觀滿足功能要求（如管支架，線槽橋架等合理布置），又要滿足撬內安裝、檢修及操作空間的要求， 還要使整撬安裝空間滿足施工場地的要求。 為此，在完成初步的三維建模后，為保證撬塊結構的合理性及起吊和運輸過程的安全性，借助ANSYS Workbench 軟件對撬體結構進行模擬，通過對有限元分析結果的對比、優(yōu)化，選擇合理的鋼材型號。 本文僅選擇其中一個撬塊進行模擬結果展示，結果如圖2，其中撬體主框架鋼材選用的材質為Q235-B。

圖2 撬塊結構模擬結果圖

由于撬塊與撬塊之間的管道由法蘭連接， 為保證施工精度，撬架結構的變形量不得超過3 mm。 由上圖結果可知， 在模擬條件下撬塊的最大變形量約為0.6 mm，滿足撬裝設計的結構要求。 同時，在撬裝設計中還需要注意撬體與土建基礎的連接方式。 本方案預采用預埋地腳螺栓的方式， 與撬柱底板進行現(xiàn)場連接，但此方式對土建施工的精度要求較高。因此在撬裝設計中， 應綜合考慮施工現(xiàn)場情況及施工方的施工水平，合理設計撬塊與撬塊之間、撬塊與基礎之間的連接形式。

2.4 撬裝項目成果展示

憑借前述的研發(fā)技術和設計理念， 藍星北化機成功簽訂了國內首套撬裝式燒堿裝置。 經(jīng)工藝技術人員商討，決定進行全撬裝設計，安裝時在廠內預制了15 個撬塊進行現(xiàn)場組裝，全套裝置的管道、閥門及設備車間安裝完成率達90%。 在出廠前，撬裝裝置已在工廠內進行了焊接、除銹防腐和無損檢測，避免了現(xiàn)場惡劣氣候對焊接和防腐質量的不利影響，有效保證了工程質量。撬塊運輸進廠后，現(xiàn)場施工人員僅需將各個撬塊與土建基礎進行固定安裝， 并進行撬塊間的組裝、 少量直管段的連接及部分儀表電氣的連接工作即可， 較常規(guī)現(xiàn)場安裝方式工期縮短約50%。 該裝置現(xiàn)已順利交付，通過撬裝式設計有效降低了項目投資成本，得到了客戶的廣泛好評。

3 結語

與傳統(tǒng)氯堿工藝安裝模式相比， 撬裝式裝置具有明顯優(yōu)勢，特別是對于部分人力資源緊張、施工工期短或征地存在較大困難的工程項目， 適合應用撬裝化設計。 本文通過對氯堿工業(yè)的撬裝化進行應用研究，深入探討燒堿裝置撬裝方案，成功完成了國內首套撬裝式燒堿項目， 填補了國內氯堿撬裝化設計的空白，為氯堿工業(yè)的持續(xù)化發(fā)展提供了新的思路。