楊振軍 劉慶平 趙學(xué)軍

濱化集團(tuán)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(tuán)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)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(guó)燒堿產(chǎn)量為3 028.1萬(wàn)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(jì)約655.58億（kW·h）。2016年1～10月份，我國(guó)燒堿產(chǎn)量累計(jì)達(dá)到2 697.2萬(wàn)t，比2015年同期的2 516.9萬(wàn)t增加7.2%左右，從產(chǎn)量來(lái)看，2016年全年燒堿消耗交流電將呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(jì)“新常態(tài)”的形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)氯堿行業(yè)經(jīng)營(yíng)壓力較大，主要產(chǎn)品價(jià)格紛紛下跌。在國(guó)家相關(guān)政策的引導(dǎo)下，我國(guó)燒堿行業(yè)步入轉(zhuǎn)型升級(jí)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(fèi)量下滑。

2015年國(guó)內(nèi)燒堿總產(chǎn)能達(dá)3977.5萬(wàn)t/a，退出產(chǎn)能104.5萬(wàn)t/a，新增產(chǎn)能172萬(wàn)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(guó)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(shí)施過(guò)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(dá)標(biāo)的氯堿企業(yè)將退出市場(chǎng)。2016年燒堿的供需關(guān)系為：供應(yīng)面上，在“十三五”化解過(guò)剩產(chǎn)能、去庫(kù)存等政策的引導(dǎo)下，后續(xù)擴(kuò)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(shì)，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(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)“新常態(tài)”是必然，燒堿下游的印染、化纖、造紙等主要消費(fèi)行業(yè)對(duì)燒堿的消費(fèi)能力不足，而氧化鋁行業(yè)在2016年的擴(kuò)能計(jì)劃，給燒堿帶來(lái)一定支撐。

2016年國(guó)內(nèi)燒堿價(jià)格持續(xù)處于高位，且穩(wěn)中有漲。國(guó)內(nèi)燒堿裝置生產(chǎn)正常，開(kāi)工率在80%以上，產(chǎn)量保持穩(wěn)定，下游氧化鋁市場(chǎng)運(yùn)行良好，市場(chǎng)貨源供應(yīng)平穩(wěn)，成交節(jié)奏正常。在供需利好的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)燒堿企業(yè)發(fā)展勢(shì)頭較好。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)節(jié)能技術(shù)、配置先進(jìn)設(shè)備，進(jìn)一步促使氯堿行業(yè)節(jié)能減排水平不斷提高，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

2.1 氧去極化陰極（ODC）技術(shù)的應(yīng)用

隨著對(duì)燃料電池開(kāi)發(fā)研究的深入，人們開(kāi)始意識(shí)到可以將其使用的氣體擴(kuò)散電極（GDE）技術(shù)引入到氯堿工業(yè)中來(lái)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(kuò)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(guó)，氯堿工業(yè)的總耗電量占整個(gè)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(guó)也積極加入到國(guó)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(tuán)黃驊氯堿有限責(zé)任公司所屬的中國(guó)化工離子膜電解技術(shù)產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)培訓(xùn)基地內(nèi)，建成的國(guó)內(nèi)首臺(tái)5000噸級(jí)的ODC離子膜電解槽實(shí)驗(yàn)裝置，已于2012年6月30日通過(guò)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的專家72 h考核，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到課題任務(wù)書(shū)提出的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，尤其是氯堿電解節(jié)電達(dá)到35%左右。目前藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司正與國(guó)內(nèi)幾家氯堿企業(yè)進(jìn)行探討，以確定更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目。

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

ODC離子膜電解槽因?yàn)殛帢O沒(méi)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(jià)格按0.7元/千瓦時(shí)計(jì)算，從電解單元的直流電耗來(lái)看，噸堿可節(jié)約成本420～490元，其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。2015年國(guó)內(nèi)燒堿產(chǎn)量為3 028.1萬(wàn)t，若將其中的30%改為ODC離子膜法燒堿，每年節(jié)電價(jià)值達(dá)38.15億～44.51億元，單從電能來(lái)看ODC電解具有很大的經(jīng)濟(jì)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(fèi)用；另一方面需考慮H2的性質(zhì)和市場(chǎng)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(wàn)t/a燒堿就少產(chǎn)生H297.5萬(wàn)t/a。若企業(yè)生產(chǎn)的H2自身無(wú)法消耗的話，采用ODC技術(shù)將會(huì)給其帶來(lái)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(guó)氯堿行業(yè)積極推動(dòng)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(duì)鹽水精制質(zhì)量提出非常高的要求。

陶瓷膜法直接過(guò)濾工藝是近年新興的一次鹽水精制技術(shù)，其過(guò)濾技術(shù)獨(dú)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(guò)濾工藝的優(yōu)點(diǎn)明顯：相對(duì)傳統(tǒng)工藝和有機(jī)膜法過(guò)濾，減少了澄清桶、砂濾和預(yù)處理工序，簡(jiǎn)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(lái)的硅污染，且無(wú)需對(duì)粗鹽水進(jìn)行分段復(fù)雜的前處理，只要過(guò)堿量控制穩(wěn)定，反應(yīng)停留時(shí)間足夠，經(jīng)過(guò)陶瓷膜過(guò)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(duì)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(guò)濾裝置（3臺(tái)過(guò)濾器），鹽水精制量為120 m3/h；1套第3代陶瓷膜鹽水過(guò)濾裝置（1臺(tái)過(guò)濾器），鹽水精制量為40 m3/h。對(duì)二者進(jìn)行對(duì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求；（2）陶瓷膜的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于凱膜；（3）凱膜出鹽水量和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)受原鹽質(zhì)量的影響較大，而陶瓷膜過(guò)濾精度高，鹽水質(zhì)量較穩(wěn)定[4]。

唐山三友氯堿有限責(zé)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(dá)到產(chǎn)能最大的目標(biāo)[5]。

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

2.3 二次鹽水精制樹(shù)脂壽命延長(zhǎng)

二次鹽水中Ca2+、Mg2+含量超標(biāo)會(huì)造成電解槽離子膜污染，Ca2+含量超標(biāo)會(huì)使離子膜電解槽電流效率下降，Mg2+含量超標(biāo)會(huì)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(yán)重者甚至報(bào)廢，給企業(yè)帶來(lái)不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

天津渤天化工有限責(zé)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(shù)脂塔的運(yùn)行環(huán)境，使離子交換樹(shù)脂能夠在較長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)了樹(shù)脂塔的運(yùn)行周期。

采用二次鹽水精制離子交換樹(shù)脂塔運(yùn)行周期延長(zhǎng)技術(shù)后，對(duì)于旭化成株式會(huì)社的二次鹽水精制工藝而言，進(jìn)槽鹽水質(zhì)量得到改善，對(duì)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(gè)燒堿系統(tǒng)水平衡得到進(jìn)一步優(yōu)化，降低了污水處理費(fèi)用，對(duì)促進(jìn)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(zé)任公司已將樹(shù)脂塔每天再生一臺(tái)次改為每10天再生一臺(tái)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(diǎn)。其基本原理為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%的堿液通過(guò)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(jìn)行間接換熱使溫度升至沸點(diǎn)，蒸發(fā)濃縮后的堿液由Ⅱ效堿泵送到Ⅰ效加熱器進(jìn)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(jìn)行間接換熱使溫度升至沸點(diǎn)，最后從Ⅰ效加熱器底部流出進(jìn)入Ⅰ效蒸發(fā)罐。沸點(diǎn)狀態(tài)下的堿液進(jìn)入Ⅰ效蒸發(fā)罐后急劇濃縮，這時(shí)堿液質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行間接換熱冷卻，最后從成品冷卻器出來(lái)的即為成品堿液，堿液質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)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(kāi)車成功。蒸發(fā)裝置穩(wěn)定高效運(yùn)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(jìn)的三效逆流降膜蒸發(fā)裝置已運(yùn)行了4年多的時(shí)間，充分體現(xiàn)了該工藝運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定、操作運(yùn)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(diǎn)[8]。

2.5 其他技術(shù)

淡鹽水膜法脫硝技術(shù)通過(guò)膜過(guò)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(tuán)股份有限公司都采用了膜法脫硝技術(shù)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。根據(jù)性能測(cè)試的數(shù)據(jù)分析，按10萬(wàn)t/a燒堿計(jì)算，采用氯化鋇法費(fèi)用約750萬(wàn)元/年，采用膜法除硝技術(shù)費(fèi)用約250萬(wàn)元/年，節(jié)約生產(chǎn)成本約500萬(wàn)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(wàn)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(jìn)入噴射泵形成真空，進(jìn)行真空脫氯，該技術(shù)在濱化集團(tuán)股份有限公司已被采用。后來(lái)發(fā)展的鈦機(jī)械真空泵直接抽真空，在負(fù)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(lái)進(jìn)口較多，現(xiàn)在國(guó)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(guò)程中大量采用透平機(jī)，其自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、震動(dòng)小、調(diào)節(jié)范圍大，實(shí)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(shì)。

新疆中泰化學(xué)股份有限公司依托PI Processbook軟件開(kāi)發(fā)了一鍵巡檢系統(tǒng)，自系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，為產(chǎn)能提升、節(jié)能降耗、效果評(píng)估等項(xiàng)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(shí)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(dòng)采用先進(jìn)的節(jié)能管理方法和節(jié)能技術(shù)，實(shí)施能源利用全過(guò)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(tái)萬(wàn)華氯堿有限責(zé)任公司開(kāi)始著手建立能源管理體系。2012年試運(yùn)行，目前已運(yùn)行穩(wěn)定，取得了較好的績(jī)效。

2010年，32%燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗（折標(biāo)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(zhǔn)年相比較，2012年煙臺(tái)萬(wàn)華氯堿有限責(zé)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(dá)到了公司2012年單位產(chǎn)品綜合能耗下降3%的目標(biāo)[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

氯堿企業(yè)通過(guò)采用先進(jìn)技術(shù)、裝置及管理工具，實(shí)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(yíng)成本，增加了經(jīng)濟(jì)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(jià)格不斷上漲時(shí)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的國(guó)際、國(guó)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(guò)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(jìn)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(tuán)股份有限公司總經(jīng)理助理