王宏飛，王 紅，蔡延強(qiáng)

（陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林）

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）110 萬t/a 聚氯乙烯綜合利用項(xiàng)目分兩期建設(shè)，一期裝置于2010年建成投產(chǎn)，二期裝置于2012年建成投產(chǎn)。 公司采用水溶法采鹵工藝，將淡水或淡鹽水注入地下鹽層中，氯化鈉等鹽分溶解后得到飽和氯化鈉溶液返回地面鹵水池，鹵水經(jīng)過精制得到精鹽水，將精制鹽水輸送至電解槽中，在直流電的作用下鹽水電解生成氯氣、氫氣及32%燒堿，32%燒堿含鹽低，可直接銷售，也可蒸發(fā)濃縮為50%以上的成品燒堿銷售；產(chǎn)生的氯氣、氫氣在冷卻、除水、加壓后輸送至合成爐中燃燒，生成氯化氫氣體作為聚氯乙烯的生產(chǎn)原料，生產(chǎn)過程中可生產(chǎn)液氯和鹽酸等副產(chǎn)品。 電解核心裝置電解槽采用伍德-迪諾拉公司第四代、五代、六代復(fù)極式自然循環(huán)電解槽，離子膜為美國杜邦公司、日本旭化成公司、日本旭硝子公司、中國山東東岳高分子材料有限公司生產(chǎn)的全氟磺酸/羧酸復(fù)合膜；液堿蒸發(fā)采用瑞士博特三效逆流降膜蒸發(fā)器工藝；氯化氫合成采用三合一和二合一石墨合成爐，反應(yīng)熱加熱純水變?yōu)檎羝┥a(chǎn)需要；同時(shí)公司為了解決氯堿生產(chǎn)中副產(chǎn)液氯的難題，配套了制氫裝置。 為了降低生產(chǎn)成本及減少環(huán)境污染，公司配套了硫酸裂解裝置、硫酸提濃裝置、亞硫酸生產(chǎn)裝置和碳酸鈉生產(chǎn)裝置。

1 包裝機(jī)升級(jí)改造

1.1 改造背景

公司片堿包裝機(jī)升級(jí)改造前全部為半自動(dòng)包裝機(jī)，片堿包裝過程中需要人工套袋、封口、碼垛。包裝過程中不僅人員需求大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、勞務(wù)費(fèi)用高， 而且因鏈板機(jī)傳輸距離較短且冷卻效果不好，造成片堿結(jié)塊，嚴(yán)重影響片堿的形態(tài)質(zhì)量。 為了解決以上問題，公司在原半自動(dòng)包裝機(jī)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)了片堿全自動(dòng)包裝機(jī)。

1.2 改造內(nèi)容

1.2.1 將振動(dòng)送料升級(jí)改造為螺旋強(qiáng)制給料加振動(dòng)給料

由于片堿吸潮特性，片堿在包裝前盡量少與空氣接觸，需要將現(xiàn)有振動(dòng)輸送改為二螺旋或者三螺旋強(qiáng)制給料。 由于片堿的分散性較差，需要振動(dòng)進(jìn)行精確給料，所有自動(dòng)包裝機(jī)給料方式選擇振動(dòng)給料加螺旋給料的方式。

1.2.2 新增全自動(dòng)供袋系統(tǒng)

人工將成摞的空袋， 整齊地放在裝袋單元的供袋裝置上， 真空吸盤從包裝袋上方將一套空袋吸住拖到擴(kuò)口位置，空袋到達(dá)擴(kuò)口位置后，真空吸盤分布于包裝袋上方和下方將袋子口撐開， 抓袋機(jī)械手從袋口左右側(cè)夾取空袋，回轉(zhuǎn)90°傳遞給開套袋機(jī)構(gòu)。開套袋機(jī)構(gòu)與抓袋機(jī)械手完成對(duì)接后，拉開袋口、上移，套在橢圓形下料口上。 當(dāng)監(jiān)測(cè)到掛袋就緒后，稱重料倉打開，片堿經(jīng)夾袋下料口流入包裝袋。

1.2.3 新增自動(dòng)封口系統(tǒng)

經(jīng)熱合后的片堿包裝袋進(jìn)入縫紉機(jī)內(nèi)，縫紉機(jī)的針固定在針桿上，針桿由電機(jī)通過一系列的齒輪和凸輪牽引做上下運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)針的尖端穿過織物時(shí)，它在一面向另一面拉出一個(gè)小線圈。 織物下面的裝置會(huì)抓住這個(gè)線圈，然后將其包住另—根線或者同一根線的另一個(gè)線圈，交替進(jìn)行線圈縫合。

1.2.4 新增碼垛系統(tǒng)

電控系統(tǒng)的核心部分包括機(jī)器人控制系統(tǒng)IRC5，可編程控制器PLC、檢測(cè)元件（光電開關(guān)、接近開關(guān)）、操作面板（包括觸摸屏、按鈕開關(guān)和指示燈）、控制元件（伺服驅(qū)動(dòng)器、交流接觸器和電磁閥）以及執(zhí)行元件（電動(dòng)機(jī)和氣缸）等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)碼垛。 全自動(dòng)片堿包裝機(jī)系統(tǒng)見圖1。

圖1 全自動(dòng)片堿包裝機(jī)系統(tǒng)

1.3 改造效果

升級(jí)改造前單臺(tái)包裝機(jī)每班配置勞務(wù)人員3名（共3 個(gè)班），費(fèi)用為4500 元/（人·月），8 臺(tái)包裝機(jī)產(chǎn)生的勞務(wù)人員費(fèi)用為32.4 萬元/月， 一年費(fèi)用約為388.8 萬元。 升級(jí)改造后增加用電總功率約為200 kW，每天的總費(fèi)用為60 元/h。 每年8000 h 計(jì)費(fèi)用為48 萬元。 升級(jí)改造后每條包裝線每班只需配置勞務(wù)人員1 名，每年可節(jié)約費(fèi)用211.2 萬元，同時(shí)避免了片堿包裝過程中堿塵對(duì)包裝人員的身體傷害。

2 離子膜電解槽升級(jí)改造

2.1 改造背景

離子膜電解槽為燒堿裝置核心設(shè)備，且離子膜電解槽電耗占整個(gè)氯堿生產(chǎn)電耗的70%，直接決定燒堿生產(chǎn)成本。 公司采用意大利伍德-迪諾拉離子膜電解槽，升級(jí)改造核心是將電解槽內(nèi)的四代電解槽拆卸，重新安裝六代電解槽，四代離子膜電解槽陰陽極極距為3 mm 左右， 六代電解槽為零極距電解槽，改造后膜極距無間隔條，增大了有效面積，同等電流密度下零極距電槽單元槽電壓降低180 mV。

2.2 改造內(nèi)容

2.2.1 電解槽單元槽升級(jí)

將四代電解槽拆卸，重新組裝六代電解槽。 與四代和五代不同，六代電解槽陰極極網(wǎng)由“菱形網(wǎng)”升級(jí)為 “菱形網(wǎng)+彈性元件+編織網(wǎng)”， 陽極極網(wǎng)由“百葉窗”和“C 形網(wǎng)”升級(jí)為“菱形網(wǎng)”，單元槽頂部由平整絕緣墊升級(jí)為滑輪移動(dòng)懸掛，電解槽槽框頂端絕緣機(jī)構(gòu)由絕緣板升級(jí)為絕緣導(dǎo)軌。

2.2.2 工藝升級(jí)改造

因六代電解槽與四代和五代不同，四代和五代電解槽陽極進(jìn)料為自然循環(huán)方式，六代電解槽陽極進(jìn)料為強(qiáng)制循環(huán)方式， 為控制進(jìn)入電解槽鹽水溫度， 需要在鹽水進(jìn)入電解槽前增加1 臺(tái)換熱器，用于控制進(jìn)口電解槽鹽水溫度。 六代電解槽陰極進(jìn)料方式與四代和五代一致。 同時(shí)為了在失電狀態(tài)下保護(hù)電解槽，將原系統(tǒng)高位槽出口與六代電解槽進(jìn)口管線連接，當(dāng)系統(tǒng)失電后可打開高位槽與六代單元槽連通閥，及時(shí)置換電解槽中的電解液。

2.3 升級(jí)改造后槽電壓對(duì)比

電解槽運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，運(yùn)行電流為14.85 kA 時(shí)六代槽電壓平均為2.944 V，對(duì)標(biāo)行業(yè)槽電壓趨勢(shì)一致，六代電解槽與公司四代、五代槽電壓相比，六代電解槽槽電壓分別下降219 mV 和110 mV， 六代電解槽整體槽電壓穩(wěn)定性高； 運(yùn)行電流在16.3 kA 時(shí)進(jìn)行測(cè)試，六代槽電壓平均為2.967 V，對(duì)標(biāo)行業(yè)槽電壓趨勢(shì)一致，六代電解槽與公司四代、五代、槽電壓相比六代電解槽槽電壓分別下降274 mV、211 mV，應(yīng)用質(zhì)量I-MR 大數(shù)據(jù)庫分析工具得出結(jié)果見圖2。

圖2 公司六代電解槽和四代、五代電解槽在14.85 kA及16.3 kA運(yùn)行電壓對(duì)比

2.4 改造效果

經(jīng)濟(jì)效益：降低噸堿耗電，按照單條線六代電解槽更換前后數(shù)據(jù)對(duì)比，噸堿耗電節(jié)約量為55 kW·h，每月可節(jié)電99 萬kW·h， 每月合計(jì)節(jié)約生產(chǎn)成本29.7 萬元。

社會(huì)效益：降低能源消耗，每年可節(jié)電1188 萬kW·h，按照每產(chǎn)1 kW·h 電消耗標(biāo)煤360 g，1 g 標(biāo)煤釋放2.7 g 二氧化碳計(jì)算， 每年可少排放二氧化碳約4278 t， 六代單元槽更換前后整條生產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比表見表1。

表1 六代單元槽更換前后整條生產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比表

3 合成爐升級(jí)改造

3.1 改造背景

公司內(nèi)部蒸汽管網(wǎng)分中壓蒸汽管網(wǎng)和低壓蒸汽管網(wǎng)，中壓蒸汽主要來自熱電分公司鍋爐所產(chǎn)蒸汽，低壓蒸汽主要來自氯氫處理裝置合成爐副產(chǎn)蒸汽及固堿和硫酸裝置煙氣冷卻系統(tǒng)。 由于公司內(nèi)部低壓蒸汽富余，而中壓蒸汽不足，富余的低壓蒸汽進(jìn)行排空處理， 系統(tǒng)所需的中壓蒸汽從熱電分公司鍋爐蒸汽包引入約500 t/d。 為了避免低壓蒸汽浪費(fèi)及提高中壓蒸汽利用率， 公司將副產(chǎn)0.4 MPa 合成爐升級(jí)改造為副產(chǎn)1.13 MPa 合成爐。

3.2 改造內(nèi)容

淘汰副產(chǎn)0.4 MPa 蒸汽合成爐及閃蒸罐，在原副產(chǎn)0.4 MPa 蒸汽合成爐基礎(chǔ)上安裝副產(chǎn)1.130 MPa 蒸汽合成爐， 在合適的高度安裝蒸汽閃蒸罐及純水強(qiáng)制循環(huán)罐并配備純水給水泵和純水強(qiáng)制循環(huán)泵。 其工作原理為氫氣與氯氣按一定的比例進(jìn)入合成爐在合成爐燈頭處燃燒，生成的氯化氫氣體經(jīng)過合成爐爐頂冷卻器冷卻后一路進(jìn)入氯化氫緩沖罐，經(jīng)冷卻除霧干燥后送入下游工序；另一路經(jīng)石墨吸收器及尾氣吸收塔與吸收水接觸生成鹽酸，進(jìn)入鹽酸儲(chǔ)罐。 合成爐在燃燒過程中產(chǎn)生的熱量將來自給水泵的純水在合成爐高溫段加熱，生成過熱純水后進(jìn)入蒸汽閃蒸罐，部分水氣化成蒸汽送至蒸汽管網(wǎng)，部分熱水進(jìn)行自循環(huán)。 由強(qiáng)制循環(huán)泵加壓送入合成爐爐底循環(huán)（視鏡段、過渡段）換熱后，再回到強(qiáng)制循環(huán)罐進(jìn)行自循環(huán)。 合成爐純水冷卻系統(tǒng)工藝流程見圖3。

圖3 合成爐純水冷卻工藝流程圖

3.3 改造效果

經(jīng)濟(jì)效益：副產(chǎn)1.13 MPa 蒸汽合成爐高溫區(qū)利用純水分段冷卻工藝副產(chǎn)蒸汽，生產(chǎn)1 t 100%氯化氫能副產(chǎn)0.9 t 以上的蒸汽，按照單臺(tái)合成爐每天生產(chǎn)150 t 100%氯化氫核算，單臺(tái)合成爐可副產(chǎn)蒸汽135 t/d； 副產(chǎn)的1.13 MPa 蒸汽并入公司中壓蒸汽管網(wǎng)供公司內(nèi)部使用， 以單臺(tái)合成爐氯化氫產(chǎn)能50000 t/a 計(jì)算， 每年可副產(chǎn)1.13 MPa 蒸汽約45000 t，按照目前蒸汽83.46 元/t 計(jì)算， 副產(chǎn)蒸汽直接經(jīng)濟(jì)效益375.57 萬元/a，同時(shí)可滿足公司中壓蒸汽的需求。

社會(huì)效益：45000 t 副產(chǎn)蒸汽量相當(dāng)于4268.98 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱值，減少二氧化碳排放量約13770.9 t，公司目前已投用2 臺(tái)副產(chǎn)1.13 MPa 蒸汽合成爐，每年可減排二氧化碳27541.8 t。

4 固堿裝置熔鹽爐升級(jí)改造

4.1 改造背景

固堿裝置一條生產(chǎn)線熔鹽爐頂部盤管及熔鹽集箱因腐蝕導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度下降，為避免發(fā)生局部或全部盤管坍塌事故，公司將原甲公司提供的熔鹽爐升級(jí)改造為乙公司提供的熔鹽爐。 升級(jí)改造前后熔鹽爐主要不同見表2。

表2 熔鹽爐升級(jí)改造前后對(duì)照表

4.2 改造內(nèi)容評(píng)價(jià)

升級(jí)改造前爐墻由耐火磚砌筑而成，升級(jí)改造后爐墻為合金鋼套（12Cr1MoV）。升級(jí)改造后熔鹽爐的密封性更好，有效避免了環(huán)境中的冷空氣通過爐墻進(jìn)入煙氣系統(tǒng)（熔鹽爐煙氣系統(tǒng)負(fù)壓運(yùn)行），使煙氣溫度降低，導(dǎo)致熔鹽換熱量不足，同時(shí)也降低了煙氣脫硫脫硝負(fù)荷。 熔鹽爐盤管壁厚由5 mm 變?yōu)?.5 mm，可以有效延長盤管使用周期。 盤管外徑由108 mm 變?yōu)?14 mm， 使熔鹽爐換熱面積增加，有效延長熔鹽換熱時(shí)間。 升級(jí)改造后的熔鹽爐煙氣出口位置較高，且頂部盤管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，使煙氣在盤管層內(nèi)分布更加均勻，提高換熱效果。

4.3 改造效果

通過收集升級(jí)改造前后熔鹽爐原煤消耗及片堿產(chǎn)量， 核算出熔鹽爐升級(jí)改造前后每噸片堿耗煤。 具體見表3。

表3 東線熔鹽爐更換前后固堿整體煤耗統(tǒng)計(jì)

經(jīng)濟(jì)效益：從表3 可以看出，熔鹽爐升級(jí)改造后原煤?jiǎn)魏南陆盗?.0042 t，按照設(shè)計(jì)固堿單線年產(chǎn)20 萬t計(jì)算，東線熔鹽爐升級(jí)改造后每年可節(jié)約840t 原煤。

社會(huì)效益： 按照每噸煤產(chǎn)生2.7 t 二氧化碳估算，每年可減少2268 t 二氧化碳排放。

5 酸堿輸送泵改造

5.1 更換背景

公司原輸送酸堿介質(zhì)全部使用IHF 型氟塑料離心泵， 該類型泵全部使用單端面機(jī)械密封， 故障率高，維修頻繁，當(dāng)機(jī)械密封故障后容易因酸堿噴濺造成人員灼傷。 為降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高設(shè)備可靠性， 公司將酸堿輸送泵由IHF 型氟塑料泵更換為IMC 型磁力泵。由于磁力泵由外磁轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子及不導(dǎo)磁的隔離套組成。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)， 磁場(chǎng)能穿透空氣間隙和非磁性物質(zhì)隔離套，帶動(dòng)與葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子作同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的無接觸同步傳遞， 將容易泄漏的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為零泄漏的靜密封結(jié)構(gòu)， 可實(shí)現(xiàn)輸送介質(zhì)零泄漏。 更換前后部分酸堿輸送泵檢維修周期見表4。

表4 部分酸堿輸送泵更換前后檢維修周期比對(duì)表

5.2 更換后運(yùn)行效果總結(jié)

將酸堿輸送泵由IHF 型氟塑料離心泵更換為IMC 型磁力泵后， 不僅避免了普通氟塑料離心泵在輸送酸堿介質(zhì)時(shí)因機(jī)械密封故障導(dǎo)致的酸堿泄漏，而且在設(shè)備更換過程中將原有的高能耗電機(jī)更換為一級(jí)能耗電機(jī)，減少電能損耗，間接減少碳排放，同時(shí)降低了備品備件消耗、人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了檢維修次數(shù)。 隨機(jī)選型的21 臺(tái)酸堿輸送泵，對(duì)其更換前后數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 21臺(tái)酸堿輸送泵更換前后能耗及備件消耗對(duì)比表

由表5 可以看出，21 臺(tái)氟塑料離心泵更換為磁力泵后，每年可節(jié)約備品備件費(fèi)用2.56 萬元，每年危險(xiǎn)性作業(yè)數(shù)量可減少84 項(xiàng)， 每年可節(jié)約檢修工時(shí)821 個(gè)， 每年可節(jié)電12.13 萬kW·h，按照每產(chǎn)1 kW·h 電消耗標(biāo)煤360 g，1 g 標(biāo)煤釋放2.7 g 二氧化碳計(jì)算， 每年可減少排放二氧化碳約43.67 t。

6 結(jié)語

完成了酸堿介質(zhì)輸送泵、電解槽、合成爐、熔鹽爐、片堿包裝機(jī)等的升級(jí)改造后，生產(chǎn)的安全可靠、自動(dòng)化程度都得到提升，符合國家的節(jié)能減排、安全環(huán)保政策。同時(shí)局部系統(tǒng)升級(jí)改造為公司安全穩(wěn)定發(fā)展奠定了可靠的基礎(chǔ)，為后續(xù)自動(dòng)化、智能化改造提供了條件，為公司實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了有力保障。