氯堿行業節能降耗技術分析

楊振軍 劉慶平 趙學軍

濱化集團股份有限公司（山東 濱州 256600）

節能環保

氯堿行業節能降耗技術分析

楊振軍 劉慶平 趙學軍

濱化集團股份有限公司（山東 濱州 256600）

介紹了氯堿行業能源消耗現狀及相關政策，分析了氯堿行業中最新的節能技術及其應用前景。

氯堿節能降耗技術能源管理體系

氯堿的生產在我國經濟發展過程中具有十分重要的作用，最近幾年，氯堿作為一種基礎性的化工產業得到了快速的發展。氯堿行業屬于能源密集型行業，主要體現在燒堿生產的電耗方面。2015年我國燒堿產量為3 028.1萬t，同比下降1.4%，若燒堿電解單元單位產品交流電消耗量為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，提供了行業節能減排空間[1]。

1 氯堿生產現狀

2015年，在經濟“新常態”的形勢下，國內氯堿行業經營壓力較大，主要產品價格紛紛下跌。在國家相關政策的引導下，我國燒堿行業步入轉型升級階段。燒堿作為氯堿產品中唯一有明顯盈利能力的產品，受節能環保、淘汰落后產能等因素的影響，其消費量下滑。

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

2016年國內燒堿價格持續處于高位，且穩中有漲。國內燒堿裝置生產正常，開工率在80%以上，產量保持穩定，下游氧化鋁市場運行良好，市場貨源供應平穩，成交節奏正常。在供需利好的推動下，國內燒堿企業發展勢頭較好。在激烈的市場競爭環境下，節能減排、降低生產成本仍然是氯堿企業生存和發展的有效途徑。

2 節能降耗技術分析

隨著氯堿行業的快速發展，企業紛紛引進節能技術、配置先進設備，進一步促使氯堿行業節能減排水平不斷提高，實現可持續發展的目標。

2.1 氧去極化陰極（ODC）技術的應用

隨著對燃料電池開發研究的深入，人們開始意識到可以將其使用的氣體擴散電極（GDE）技術引入到氯堿工業中來降低電耗，應用于氯堿工業中的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在陰極發生還原反應生成OH-，從而抑制H2的形成。ODC型電解示意圖如圖1所示。

ODC電解的主要電化學反應如下：

圖1 ODC氯堿電解示意圖

在我國，氯堿工業的總耗電量占整個工業用電的5%左右，其電能主要消耗在氯堿工業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。

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產業化試驗培訓基地內，建成的國內首臺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工業聯合會組織的專家72 h考核，各項指標達到課題任務書提出的相關設計要求，尤其是氯堿電解節電達到35%左右。目前藍星（北京）化工機械有限公司正與國內幾家氯堿企業進行探討，以確定更大規模的產業化示范項目。

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，噸堿可節約成本420～490元，其經濟效益十分顯著。2015年國內燒堿產量為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電解具有很大的經濟效益。

ODC技術的應用需根據企業的自身情況而定，一方面需考慮新技術的成本，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的性質和市場利用前景。采用ODC技術，每生產1 t燒堿就少產生285 m3H2，若全球30%的氯堿電解改為ODC技術，則生產3900萬t/a燒堿就少產生H297.5萬t/a。若企業生產的H2自身無法消耗的話，采用ODC技術將會給其帶來巨大的效益[2]。

2.2 陶瓷膜的應用

在日益重視節能減排、技術革新的今天，我國氯堿行業積極推動產品結構調整、資源配置優化。離子膜制堿工藝在行業內的迅速推廣，對鹽水精制質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，其過濾技術獨特、投資低、占地少、操作彈性優良，倍受廣大氯堿企業的青睞[3]。

陶瓷膜法直接過濾工藝的優點明顯：相對傳統工藝和有機膜法過濾，減少了澄清桶、砂濾和預處理工序，簡化了流程，有效降低投資成本，減少占地面積，避免了傳統工藝帶來的硅污染，且無需對粗鹽水進行分段復雜的前處理，只要過堿量控制穩定，反應停留時間足夠，經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有限公司現有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量均可達到設計要求；（2）陶瓷膜的多項技術指標均優于凱膜；（3）凱膜出鹽水量和各項技術指標受原鹽質量的影響較大，而陶瓷膜過濾精度高，鹽水質量較穩定[4]。

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

經過最近5年大規模的推廣，陶瓷膜過濾工藝已經趨于完善，獲得業界認可。

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，給企業帶來不可挽回的經濟損失。

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充分改善樹脂塔的運行環境，使離子交換樹脂能夠在較長時間內保持良好的活性，螯合吸附能力得到最大發揮，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，使整個燒堿系統水平衡得到進一步優化，降低了污水處理費用，對促進企業節能環保、低碳發展具有積極作用。

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濃縮技術

三效逆流蒸發工藝中，蒸發的操作流程為逆流，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，與傳統的二效蒸發及三效順流工藝相比，三效逆流及多效蒸發具有汽耗低的顯著特點。其基本原理為：質量分數為32%的堿液通過原液堿泵送到Ⅲ效加熱器，蒸發濃縮后的堿液由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，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效蒸發罐。沸點狀態下的堿液進入Ⅰ效蒸發罐后急劇濃縮，這時堿液質量分數為50%，堿液溫度約為170℃，由Ⅰ效堿泵出料并經成品冷卻器與循環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，堿液質量分數為50%，堿液溫度在45℃以下。

目前，三效逆流降膜蒸發工藝已經被廣泛應用。以生產50%離子膜燒堿為例，三效逆流降膜堿蒸發技術與現有雙效堿蒸發技術相比，噸堿平均汽耗由約0.72 t降至約0.52 t，生產1 t 50%的NaOH溶液可節約蒸汽約0.20 t；與單效堿蒸發技術相比，每噸50%堿液可節約蒸汽量0.55～0.60 t。

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

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

2.5 其他技術

淡鹽水膜法脫硝技術通過膜過濾將硫酸根離子去除，改變了傳統的利用氯化鋇與硫酸反應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，產生的經濟效益顯著。根據性能測試的數據分析，按10萬t/a燒堿計算，采用氯化鋇法費用約750萬元/年，采用膜法除硝技術費用約250萬元/年，節約生產成本約500萬元/年。目前膜法脫硝技術在燒堿行業已有多家企業應用，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，該技術在濱化集團股份有限公司已被采用。后來發展的鈦機械真空泵直接抽真空，在負壓狀態下淡鹽水沸騰脫氯，抽取的氯氣經冷卻分離后被回收到氯氣總管中。鈦真空泵原來進口較多，現在國內鈦真空泵技術已成熟，完全可滿足各類規模的燒堿生產脫氯要求。

氯氣和氫氣處理過程中大量采用透平機，其自動化程度高、運行穩定、震動小、調節范圍大，實際交流電耗大大降低，從而取代了硫酸納式泵，成為行業發展的趨勢。

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

3 能源管理體系的應用

建立能源管理體系，按照體系的要求規范能源管理，積極主動采用先進的節能管理方法和節能技術，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，是氯堿企業節能管理的必然選擇。

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，目前已運行穩定，取得了較好的績效。

2010年，32%燒堿單位產品綜合能耗（折標煤，下同）為357.16 kg/t；48%燒堿單位產品綜合能耗為475.09 kg/t；離子膜法電解單元單位產品交流電耗為2235（kW·h）/t。2012年，32%燒堿單位產量綜合能耗為337.115 kg/t；48%燒堿單位產量綜合能耗為458.557 kg/t；離子膜法電解單元單位產品交流電耗為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%燒堿單位產品綜合能耗下降了5.61%，48%燒堿單位產品綜合能耗下降了3.48%，達到了公司2012年單位產品綜合能耗下降3%的目標[11]。

4 結語

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

隨著氯堿行業的不斷發展，節能降耗的觀念不斷深入人心，氯堿生產必須注重節能降耗措施的應用和發展。在氯堿的生產過程中使用節能設備、創新節能降耗技術、采用節能降耗措施，能夠有效地指導氯堿工業的生產，促進其科學、高效、可持續地發展。

[1]李素改.氯堿行業能源消耗現狀及節能技術應用進展[J].中國氯堿,2014(3):1-3.

[2]趙學軍,袁瑋.氧陰極氯堿電解的發展現狀及經濟分析[J].中國氯堿,2016(3):3-10.

[3]張蘭貴.一次鹽水精制技術發展現狀[J].化工管理.2014 (5):127.

[4]戴榮輝.凱膜和陶瓷膜鹽水過濾技術應用比較[J].氯堿工業.2015,51(7):3-6.

[5]孔令媛.鹽水精制技術改進[J].中國氯堿,2016(2):8-9.

[6]孫俊艷,張軍,周龍東等.二次鹽水精制樹脂塔運行周期延長技術的應用[J].中國氯堿.2016(3):16-19.

[7]張守特,趙軍軍,劉立勤.12萬t/a三效逆流降膜蒸發裝置運行評價分析[J].天津化工,2014,28(3):18-21.

[8]任曉佳.三效逆流降膜蒸發裝置運行總結[J].氯堿工業, 2016,52(9):28-30.

[9]解傳明,王樹成,王真松.節能環保新技術新產品在氯堿企業中的應用及經濟價值分析[C]//第八屆寧夏青年科學家論壇論文集.寧夏,2012.

[10]冉世軍,劉昌盛,祝輝年,等.PI Processbook在離子膜電解工藝中的應用[J].氯堿工業,2016,52(9):40-42.

[11]馮旭光.能源管理體系在氯堿企業的實施[J].氯堿化工, 2014,50(6):1-3.

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年生本科工程師現任濱化集團股份有限公司總經理助理