離子膜電解系統(tǒng)節(jié)能降耗工藝優(yōu)化措施及效果

蘇發(fā)東，劉 姍

（甘肅稀土新材料股份有限公司，甘肅 白銀730922）

甘肅稀土新材料股份有限公司2萬t/a離子膜燒堿于2011年3月投入運行，企業(yè)追求安全、高效、穩(wěn)定運行，降低產(chǎn)品成本，氯堿產(chǎn)品的成本主要在電、蒸汽及精制劑消耗上。通過工藝優(yōu)化，穩(wěn)定鹽水濃度，降低鹽水中的鈣鎂雜質(zhì)，穩(wěn)定電解槽電壓；利用濕熱氯氣預(yù)熱一次鹽水；利用成品堿預(yù)熱進電解槽陰極純水；真空脫氯鹽水取消亞硫酸鈉加入直接返回化鹽工序作為化鹽配水；氯酸鹽分解淡鹽水回用于電解工序作電解鹽水等措施，能源節(jié)約顯著，降低了自用堿、酸及精制劑用量，降低了檢維修成本，經(jīng)濟效益顯著。

1 原工藝流程

一次鹽水回收配水（包括脫氯淡鹽水、壓濾濾液、螯合樹脂塔再生水等），通過汽水混合器與蒸汽預(yù)熱后，進入化鹽池溶解原鹽，形成粗鹽水。粗鹽水流經(jīng)折流槽依次加入次氯酸鈉、氯化鋇、碳酸鈉及氫氧化鈉后，經(jīng)充分反應(yīng)后形成粗鹽水，進入粗過濾器和陶瓷膜過濾器過濾，形成一次鹽水。

離子膜電解陽極產(chǎn)生的濕熱氯氣和淡鹽水經(jīng)氣液分離后，淡鹽水自流至陽極液循環(huán)槽，在陽極液循環(huán)槽中加入鹽酸將其pH值調(diào)節(jié)為2.0~2.5，淡鹽水經(jīng)陽極液循環(huán)泵后分3部分，一部分與二次鹽水混合后進電解槽陽極室電解，一部分去真空脫氯加氫氧化鈉、亞硫酸鈉調(diào)節(jié)pH值為8.0～11.0，游離氯為零后送化鹽工序作為化鹽配水，一部分去氯酸鹽分解后再與淡鹽水經(jīng)真空脫氯。濕熱氯氣經(jīng)氯氣冷卻洗滌，氯水與循環(huán)水經(jīng)鈦板換熱器換熱，經(jīng)鈦冷器一段、二段冷卻，水霧捕集器捕集氯水水霧，三級硫酸干燥后去氯氣泵。

離子膜電解陰極產(chǎn)生的濕熱氫氣和堿液經(jīng)氣液分離后，堿液自流至陰極液循環(huán)槽，堿液經(jīng)陰極液循環(huán)泵后分2路，一路經(jīng)板式換熱器循環(huán)水冷卻后去成品堿槽，一路與純水混合并加熱進電解陰極室電解。濕熱氫氣經(jīng)氫氣洗滌塔循環(huán)水冷卻洗滌，洗滌水回循環(huán)水池，用作水環(huán)式氫氣輸送泵冷卻介質(zhì)和機封水，氫氣輸送去合成爐。

2 原工藝存在的問題

（1）影響鹽水質(zhì)量。回收廢水酸堿不均勻，主要是螯合樹脂塔再生廢水，酸堿含量不穩(wěn)定，在使用時極易造成化鹽池出來酸性鹽水；氯化鋇加入點與碳酸鈉加入點比較近，氯化鋇與硫酸根反應(yīng)完全后，剩余鋇離子與碳酸根反應(yīng)，形成碳酸鋇，造成氯化鋇消耗高；部分鋇離子進入后續(xù)電解槽系統(tǒng)，影響電解槽穩(wěn)定運行；雖使用皮帶運輸上鹽，但由于產(chǎn)量小（25.0~26.0 m3/h），鹽水濃度和鈣鎂離子波動頻繁，導(dǎo)致電解槽運行淡鹽水濃度不穩(wěn)定，易造成堿濃度和電解槽槽電壓的波動和上升。

（2）余熱沒有充分利用。溫度較高的物料必須進行冷卻降溫，需要大量循環(huán)水，且冷卻效果不佳。如電解產(chǎn)生的濕熱氯氣溫度高達85℃，氯氣洗滌塔氯水溫度達到65℃，氯水冷卻板換極易結(jié)垢，冷卻效果不好，鈦冷器冷卻負荷大，硫酸干燥系統(tǒng)耗酸量大；其次，出電解槽成品堿溫度達85℃，堿冷卻板換采用循環(huán)水冷卻，板換結(jié)垢嚴(yán)重，且造成大量熱量浪費。

（3）氯酸鹽分解酸性淡鹽水經(jīng)真空脫氯需加NaOH調(diào)節(jié)pH值至8.0～11.0后返回化鹽工序作為化鹽配水，需消耗大量自用堿。

（4）離子膜電解產(chǎn)生的酸性淡鹽水游離氯較高，需真空脫氯再化學(xué)脫氯，脫氯淡鹽水通過加入NaOH調(diào)節(jié)pH值為8.0～11.0，再加入亞硫酸鈉去除淡鹽水中剩余的游離氯，回化鹽工序作為化鹽配水，在配水化鹽時還需加次氯酸鈉去除菌藻類及氧化分解有機物。鹽水系統(tǒng)在脫氯工序加亞硫酸鈉除次氯酸根離子而在化鹽工序加次氯酸鈉去除菌藻，造成亞硫酸鈉、次氯酸鈉及氯化鋇等精制劑消耗大。

（5）氫氣洗滌冷卻塔冷卻介質(zhì)原采用循環(huán)水冷卻，3塔開2備1，塔內(nèi)部噴嘴為縮口型，由于循環(huán)水水質(zhì)硬，濕熱氫氣為堿性，塔內(nèi)部、噴嘴及下部結(jié)垢嚴(yán)重，3個月必須清理一次，而且堿性冷凝水不能回用而進入循環(huán)水系統(tǒng)，長期運行循環(huán)水也為堿性，造成其他冷卻設(shè)備也結(jié)垢。水環(huán)式氫氣輸送泵的冷卻介質(zhì)及機封冷卻水也是循環(huán)水，泵體、機封結(jié)垢嚴(yán)重，需定期用酸性水清洗。氯水板式換熱器采用循環(huán)水冷卻，結(jié)垢速率快。以上設(shè)備檢維修頻繁，崗位工勞動強度大，夏季系統(tǒng)溫度高更易結(jié)垢，生產(chǎn)系統(tǒng)不能高效穩(wěn)定運行。

3 工藝優(yōu)化思路及措施

3.1 工藝優(yōu)化的思路

（1）鹽水質(zhì)量是電解系統(tǒng)最核心的指標(biāo)，也是電解槽能夠在較低槽電壓下運行的關(guān)鍵，是節(jié)能降耗的重中之重。如何提高鹽水質(zhì)量，降低鹽水中鈣鎂離子含量，使粗鹽水濃度穩(wěn)定在305~310 g/L，解決長期化鹽配水酸堿不穩(wěn)定性，降低氯化鋇消耗，減少進入電解槽二次鹽水鋇離子帶入量問題。故在原工藝基礎(chǔ)上，在化鹽池折流槽增加淡鹽水微調(diào)鹽水濃度；為確保化鹽配水穩(wěn)定性，增加回收酸堿廢水儲罐1臺，將螯合樹脂塔再生、檢修液堿機泵和酸堿管線閥門時的酸堿廢水回收至廢水儲罐，中和后自流進入雜水池混合使用，在原有雜水池加裝1臺流量為10 m3/h廢水輸送泵，連續(xù)24 h運轉(zhuǎn)，解決間斷性大流量輸送回收水至配水罐，導(dǎo)致回收水鹽濃度變化波動大，鹽濃度不穩(wěn)定問題；將氯化鋇、氫氧化鈉及碳酸鈉加入點距離延長及調(diào)整，由原加入距離0.5 m延長至1.5 m，各精制劑與雜質(zhì)離子反應(yīng)完全后，避免精制劑之間相互反應(yīng)，造成精制劑浪費。

（2）利用離子膜電解系統(tǒng)產(chǎn)生濕熱氯氣預(yù)熱一次鹽水，降低氯氣洗滌塔運行負荷，同時降低一次鹽水預(yù)熱使用蒸汽消耗。利用電解槽部分成品堿與進入電解槽純水進行熱交換，降低成品堿冷卻循環(huán)水量，提高進入電解槽純水溫度，降低電解槽蒸汽消耗量。

（3）氯酸鹽分解后酸性鹽水溫度高，鹽酸含量在20~30 g/L，進入脫氯淡鹽水系統(tǒng)，耗堿量高，每小時需80~90 L的30%成品堿，月可消耗折百堿20 t，如果將該部分酸性鹽水部分回收用至調(diào)節(jié)陽極循環(huán)淡鹽水使用，既減少電解槽鹽酸消耗，又減少脫氯淡鹽水液堿消耗。

（4）脫氯淡鹽水經(jīng)過真空脫氯泵后，淡鹽水游離氯含量為10~30 mg/L。為脫除粗鹽水中有機物及氨氮類腐殖物，需要在反應(yīng)折流槽加入次氯酸鈉，降解粗鹽水中有機物及氨氮類腐殖物。如果脫氯淡鹽水控制游離氯在10~30 mg/L，直接回用至化鹽工序，不用加入亞硫酸鈉，能夠滿足要求，不僅降低亞硫酸鈉的消耗，又降低了氯化鋇和次氯酸鈉消耗。

（5）氫氣洗滌塔使用軟水閉路循環(huán)冷卻，一部分脫出多余水分排至化鹽工序回收利用；一部分經(jīng)與循環(huán)水冷卻后，進入氫氣洗滌塔進行冷卻，大大減少氫氣洗滌塔清潔，解決了自來水洗滌結(jié)垢的問題；另一部分氫氣洗滌軟水與氯水經(jīng)板式換熱器交換熱量，不僅可降低氯水洗滌塔溫度，同時可避免使用循環(huán)水冷卻氯水存在板式換熱器板片結(jié)垢及換熱效率下降，冷卻溫度不佳及清洗維護困難等問題。

3.2 工藝優(yōu)化措施

（1）鹽水質(zhì)量提升。將螯合樹脂塔再生酸堿廢水、酸堿系統(tǒng)維修回收廢水回收至利舊配水罐，充分中和后自流至雜水池，雜水池廢水通過輸送泵以7.0~8.0 m3/h回收至配水罐，與回收淡鹽水混合后進入化鹽池化鹽。精制劑加入順序為氯化鋇、氫氧化鈉及碳酸鈉，在化鹽池折流槽前端內(nèi)增加DN25淡鹽水管線及閥門，穩(wěn)定鹽水濃度。廢水回收工藝流程示意圖見圖1。

圖1 酸堿廢水回收工藝流程示意圖

（2）在電解工序至氯氣輸送的濕熱氯氣管線上安裝1臺90 m3全鈦列管式換熱器，濕氯氣走殼程、一次鹽水走管程，提高一次鹽水溫度，降低高溫濕氯氣溫度。正常運行時，一次鹽水使用蒸汽加熱工藝僅在開車時使用。改造后的工藝流程示意圖見圖2。

圖2 高溫濕氯氣預(yù)熱鹽水工藝流程示意圖

將電解槽陰極加入的純水先通過板式換熱器使用成品堿加熱至70℃后，再與循環(huán)堿混合后進入電解槽，降低陰極進電解槽堿蒸汽消耗量。改造后工藝流程示意圖見圖3。

圖3 高溫成品堿熱量的再利用工藝流程示意圖

（3）通過將電解至化鹽淡鹽水輸送管線改為CPVC管，化鹽鹽水管道鈦化及化鹽配水罐改為玻璃鋼貯罐后，將脫氯真空泵壓力控制在55～65 kPa，脫氯淡鹽水只加入NaOH調(diào)節(jié)pH值為8.0～11.0，控制淡鹽水中游離氯含量小于30 mg/L后輸送至化鹽工序，減少了亞硫酸鈉和次氯酸鈉的消耗，也降低了氯化鋇的消耗。

（4）將適量的循環(huán)淡鹽水和鹽酸送入氯酸鹽分解槽混合，通入蒸汽加熱至90～95℃，分解后的淡鹽水用高溫磁力鈦泵送入陽極液循環(huán)槽與二次鹽水混合后進電解槽陽極室電解，減少自用堿和自用酸消耗。增加磁力泵1臺，流量3 m3/h，增加電磁流量計1臺。改造后的工藝流程示意圖見圖4。

圖4 氯酸鹽分解淡鹽水回用電解工藝流程示意圖

（5）將濕熱氫氣自身冷凝的堿性水作為氫氣洗滌冷卻塔冷卻介質(zhì)。新增2臺較大的氫氣洗滌冷卻塔，塔內(nèi)采用螺旋噴頭，拆除原3臺氫氣洗滌塔，增加1臺中間槽，2臺清水泵（開1備1）、1臺螺旋板式換熱器及部分管線，均利舊。用清水泵將氫氣冷凝水輸送至螺旋板式換熱器，經(jīng)循環(huán)水冷卻分別去氫氣洗滌冷卻塔洗滌冷卻氫氣和氯水板式換熱器冷卻氯水，然后均回至中間槽循環(huán)使用。將水環(huán)式氫氣泵及機封的冷卻介質(zhì)改為純水冷卻，泵腔及機封結(jié)垢消除。

4 工藝優(yōu)化措施實施后經(jīng)濟效益

工藝優(yōu)化后，一次鹽水濃度穩(wěn)定控制在305~310 g/L，鈣鎂離子總量穩(wěn)定控制在1 mg/L以下（ICP分析），二次鹽水鈣鎂離子總量控制在14×10-9以下（ICP分析），確保了進電解槽鹽水質(zhì)量的穩(wěn)定，離子膜電解槽大修已達三年半，在電解電流密度5.35kA/m2運行，槽電壓由2.89 V逐步上升至2.95 V，上升緩慢，確保離子膜電解噸堿直流電耗在2 130 kW·h以下運行；鹽水質(zhì)量的穩(wěn)定確保了電解槽液堿質(zhì)量穩(wěn)定。

通過核算，電解產(chǎn)生的濕熱氯氣每小時可釋放熱量10.7×108kJ，此熱量用于加熱鹽水，每小時可節(jié)約蒸汽0.468 t，年可節(jié)約蒸汽3 744 t，按照蒸汽費用130元/t，年可節(jié)約蒸汽費用約48.67萬元。

純水溫度在15~20℃，CP=4 168 kJ/（m3·℃），提升溫度至75℃以上。通過實際運行，純水溫度為78~80℃，能夠滿足生產(chǎn)要求，且降低電解槽汽耗，電解槽加入純水量為2.8 m3/h。

折算成蒸汽為0.369 t蒸汽（0.35 MPa蒸汽汽化潛熱為2 147.9 kJ/kg），年可節(jié)約蒸汽2 955 t，年可節(jié)約蒸汽費用約38.42萬元。余熱利用后年節(jié)約蒸汽總費用約87.09萬元。

回收螯合樹脂塔酸性廢水經(jīng)中和使用，由間歇式輸送方式改為連續(xù)性輸送，化鹽池折流槽微調(diào)濃度，調(diào)整精制劑加入位置及順序后，使得鹽水濃度穩(wěn)定，精制劑消耗降低。脫氯淡鹽水經(jīng)真空脫氯后直接回化鹽工序使用，對脫氯淡鹽水的游離氯指標(biāo)優(yōu)化，原需要消耗次氯酸鈉、亞硫酸鈉和氯化鋇，現(xiàn)僅消耗亞硫酸鈉和氯化鋇，且脫氯工序無需加入亞硫酸鈉。通過工藝優(yōu)化大大減少亞硫酸鈉、次氯酸鈉和氯化鋇精制劑消耗，次氯酸鈉自產(chǎn)節(jié)約費用不做計算，亞硫酸鈉和氯化鋇噸堿單耗較改造前分別降低了0.636 kg和5.96 kg，亞硫酸鈉1.66元/kg、氯化鋇4.3元/kg，年可節(jié)約亞硫酸鈉和氯化鋇精制劑費用約72.37萬元。

通過氯酸鹽分解鹽水工藝優(yōu)化，分解后淡鹽水回用量為1.15 m3/h，通過氯水罐進入脫氯系統(tǒng)的流量約為200 L/h，陽極液加酸量由110 L/h降至45 L/h，脫氯加堿量由110 L/h降至30 L/h。既保證了真空脫氯的效果，又降低了自用酸堿的消耗。每月可節(jié)約自用堿23.4 t，按堿成本價1 500元/t計算，月降成本3.5萬元，年降成本42萬元。每月可節(jié)約高純酸54 t，按工業(yè)合成鹽酸市場價350元/t計算，每月降成本0.68萬元，年降成本22.68萬元。年可節(jié)約自用酸堿費用約64.68萬元。

軟水循環(huán)冷卻改造后，氫氣洗滌冷卻塔、氯水板式換熱器、水環(huán)式氫氣輸送泵泵腔及機封不再有結(jié)垢情況，減輕了崗位人員的勞動強度，濕熱氫氣的含堿性水回用至化鹽工序配水，循環(huán)水水質(zhì)變好，外加自來水量大幅度降低。

5 結(jié)語

節(jié)能降耗是氯堿行業(yè)永遠的追求，提高鹽水質(zhì)量、余熱利用、系統(tǒng)軟水冷卻、調(diào)整精制劑加入點、優(yōu)化系統(tǒng)工藝等都是離子膜電解系統(tǒng)節(jié)能降耗的有效手段，可有效減輕崗位人員的勞動強度，降低生產(chǎn)系統(tǒng)的運行成本和檢維修成本。