燒堿電解槽膜極距技術(shù)改造的節(jié)能效益

李慧敏，楊永利

(1.晉中市能源綜合行政執(zhí)法隊，山西 晉中 030600； 2.榆社化工股份有限公司，山西 晉中 031800))

燒堿生產(chǎn)屬于高耗能行業(yè)，尤其是電解過程中需要消耗大量的直流電[1]。低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排要求日益嚴(yán)格，燒堿生產(chǎn)過程的節(jié)能降耗迫在眉睫。近年來，氯堿行業(yè)通過電解槽膜極距技術(shù)改造，有效降低噸堿直流電耗和單位產(chǎn)品能耗，從而獲得良好的節(jié)能效益。

榆社化工股份有限公司(以下簡稱“榆社化工”)通過電解槽膜極距節(jié)能技術(shù)改造實現(xiàn)了燒堿直流電耗由2 353.26 kW·h/t降到2 228.97 kW·h/t，燒堿單位產(chǎn)品能耗由481.60 kgce/t降到429.09 kgce/t。按照20萬t/a的燒堿產(chǎn)量計算，可以實現(xiàn)年節(jié)直流電2 480萬kW·h，年節(jié)能1.05萬tce，為企業(yè)帶來了良好的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益，提升了企業(yè)競爭力。

1 燒堿生產(chǎn)工藝簡介

燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)主要工藝如圖1所示。

圖1 離子膜法燒堿生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Production process of ion-exchange membrane caustic soda

由圖1可見：燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括一次鹽水精制、二次鹽水精制、離子膜電解槽電解、氯氫處理、燒堿蒸發(fā)等工序。原鹽進(jìn)入化鹽池，與配水逆流接觸獲得粗鹽水，經(jīng)過一次精制和螯合樹脂塔二次精制后，與淡鹽水混合，含鹽質(zhì)量濃度約260 g/L的鹽水進(jìn)入電解槽的陽極室，精制鹽水在直流電的作用下，在陽極產(chǎn)生氯氣；Na+通過具有選擇性的離子膜進(jìn)入陰極室，水經(jīng)電解在陰極側(cè)放電產(chǎn)生氫氣，溶液中的OH-與陽極室遷移來的Na+結(jié)合生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)32%的NaOH[2]。每臺電解槽分離出的氯氣和氫氣分別匯總后進(jìn)入氯氣和氫氣處理系統(tǒng)，NaOH堿液送入蒸發(fā)工序或直接送入堿儲罐進(jìn)行銷售。

2 主要用能情況

在整個燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)中，主要耗能物質(zhì)是電力和蒸汽(來源于煤炭)。主要用能設(shè)備是電解槽，在電解過程中需要消耗大量的直流電，幾乎占燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)中電力消耗的90%，能源消耗的60%～70%。該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，還會吸收大量的熱量。

3 電解槽膜極距節(jié)能技改方法

電解單元的陰陽極間距(極距)是一項非常重要的技術(shù)指標(biāo)，其極距越小，單元槽電解電壓越低，相應(yīng)的直流電耗也越低，當(dāng)極距達(dá)到離子膜厚度時，即為膜極距[1]。膜極距改造主要是改進(jìn)陰極側(cè)結(jié)構(gòu)，以原陰極網(wǎng)作為集電板，增加陰極彈性構(gòu)件，使得陰極網(wǎng)貼向陽極網(wǎng)，縮短陰陽極間的距離，有效降低槽電壓[2]。

榆社化工原有20萬t/a離子膜法燒堿生產(chǎn)線，合計電解槽8臺，共960個單元槽，屬于高電流密度自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽。為保障燒堿產(chǎn)量，膜極距改造逐臺進(jìn)行，歷時13個月，陽極仍采用原極網(wǎng)，重新涂層，陽極密封面更換成鈦鈀材質(zhì)，切去原密封面，重?fù)Q鈦鈀板密封面。在原陰極網(wǎng)上開焊接孔，在彈簧間焊接鎳條，在陰極網(wǎng)上鋪上鎳絲編織的彈性緩沖網(wǎng)、覆蓋網(wǎng)，與陰極網(wǎng)之間采用電阻焊固定，表面采用細(xì)鎳絲編織網(wǎng)，陰極活性網(wǎng)用鎳條壓焊在陰極法蘭面上。陰極涂層采用貴金屬熱氧化法活性涂層，不會磨損離子膜。

4 電解槽膜極距節(jié)能改造帶來的節(jié)能效益

4.1 運行參數(shù)的改變

技改前后電解槽運行參數(shù)如表1所示。

由表1可見：技改后，槽電壓由3.22 V降低到3.03 V，降低了0.19 V；同時陰極效率有所升高。

表1 技改前后運行指標(biāo)對比表Table 1 Comparison of operational indexes before and after technical transformation

4.2 月平均直流電耗變化情況

燒堿月平均直流電耗如圖2所示。

圖2 月平均直流電耗Fig.2 Monthly average direct current consumption

由圖2可見：隨著技改進(jìn)度的完成，前3個月平均直流電耗小幅度降低，隨后月平均直流電耗開始大幅度降低，最低到2 200 kW·h/t左右。技改全部完成后初期(歷時8個月)運行平穩(wěn)，月直流電耗約2 225 kW·h/t。隨著電解槽運行時間的延長，燒堿月平均電耗有所升高，但升高幅度不大，幾乎穩(wěn)定在2 250 kW·h/t左右。可見，膜極距改造可以有效降低燒堿的直流電耗。

4.3 單位產(chǎn)品能耗變化情況

燒堿月平均產(chǎn)品單位能耗如圖3所示。

圖3 燒堿月平均產(chǎn)品能耗Fig.3 Monthly average energy consumption of caustic soda

由圖3可見：隨著技改的進(jìn)行，產(chǎn)品能耗逐月降低，改造完成后，月產(chǎn)品單耗穩(wěn)定在430 kgce/t以下，隨著運行時間的延長，月產(chǎn)品單耗雖有所升高，但穩(wěn)定在440 kgce/t以下，與改造前相比降幅明顯，膜極距改造可有效降低燒堿單位產(chǎn)品的能耗。

4.4 改造后的節(jié)能效益分析

經(jīng)過膜極距節(jié)能技改后，燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)槽電壓、月平均直流電耗和月單位產(chǎn)品能耗都有所降低，現(xiàn)以改造前后1年的能耗指標(biāo)為基礎(chǔ)，具體分析膜極距改造帶來的節(jié)能效益。技改前后節(jié)能指標(biāo)對比如表2所示。

表2 技改前后節(jié)能指標(biāo)對比表Table 2 Comparison of energy indexes before and after technical transformation

由表2可見：膜極距節(jié)能改造后，燒堿年平均直流電耗由2 353.26 kW·h/t降到2 228.97 kW·h/t左右，降幅約124 kW·h/t。按照20萬t/a燒堿產(chǎn)量計算，可節(jié)電2 480萬kW·h；單位產(chǎn)品能耗由481.6 kgce/t降到429.09 kgce/t，降幅約52.5 kgce/t，即每生產(chǎn)1 t燒堿可節(jié)約能耗52.5 kgce，按照20萬t/a燒堿產(chǎn)量計算，可節(jié)能1.05萬tce。可見通過膜極距節(jié)能改造，可以獲得良好的節(jié)能降耗效果。

5 能耗降低原因分析

膜極距改造后，彈性網(wǎng)彈性均勻，陰極網(wǎng)、離子膜與陽極網(wǎng)柔性貼合，陰陽電極間距實現(xiàn)膜極距；彈性網(wǎng)、活性網(wǎng)接觸面積大，電流分布均勻；陰極網(wǎng)采用細(xì)密鎳絲網(wǎng)，增大了電解比表面積，陰極涂層采用貴金屬熱氧化法活性涂層，其性能有所提高，且表面光滑，不會磨損離子膜。綜上所述，改造后極距減小，涂層性能提高，電解比表面積增大，有效降低了電解槽電壓，從而降低了直流電耗和單位產(chǎn)品能耗，最終達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

6 結(jié)語

燒堿電解槽膜極距節(jié)能技術(shù)改造可以有效降低槽電壓，降低電解電耗和生產(chǎn)能耗，可有效節(jié)省電解電量及相關(guān)能源使用量，獲得良好的節(jié)能效益，同時有利于提升企業(yè)在同行業(yè)間的競爭力。