燒堿生產系統節能優化總結

劉 超

（唐山三友氯堿有限責任公司河北省聚氯乙烯技術創新中心，河北 唐山）

唐山三友氯堿有限責任公司作為三友集團循環經濟的中軸， 積極響應國家節能減排政策號召，綜合考慮離子膜燒堿生產系統工藝和自動化水平，對生產過程中廢水回用以及熱能回收利用進行優化改造，達到了降低生產成本，提高生產效率及節能減排的目的。

公司燒堿生產系統包含一次鹽水精制工序、二次鹽水精制工序、電解工序、氯氫處理工序、氯化氫合成工序和蒸發工序。 工藝流程簡要概括為原鹽通過化鹽池化鹽生成粗鹽水， 粗鹽水中加入燒堿、次氯酸鈉、三氯化鐵等精制劑后經過預處理器+凱膜、陶瓷膜精制生成一次鹽水，生產的一次鹽水經鹽酸調整pH 值， 指標合格后通過管道送入螯合樹脂塔二次精制，進一步除去一次鹽水中的鈣、鎂等金屬離子及其他有害雜質，處理后的合格鹽水送入離子膜電解槽，在直流電的作用下，電解槽陰極側產生氫氣和燒堿，陽極側產生氯氣，氯氣和氫氣經過氯氫處理工序冷卻除霧、干燥、壓縮加壓等一系列處理，處理合格的氫氣和氯氣大部分送入氯化氫合成工段在蒸汽合成爐內燃燒生成氯化氫，冷卻降溫后供給氯乙烯裝置和有機硅裝置作為原料使用。 電解槽生產的32%液體燒堿一部分通過換熱器降溫后直接輸送至罐區作為產品出售，另一部分進入蒸發系統經一、二、三效降膜蒸發器濃縮為50%濃堿后作為成品出售。 梳理整個生產工藝流程，可利用的“廢物”資源很多，如合成爐排水、樹脂塔再生酸堿廢水、燒堿生產過程中的余熱、合成爐副產蒸汽、氯化氫冷卻輸送過程中的冷凝酸等，有效利用生產過程中的“廢物”、“廢熱”，在降低生產成本的同時還可以解決環保問題。

1 合成爐一段循環冷卻水階梯利用

合成爐一段循環冷卻水為工業用水，長期閉路循環會富集氯根。 高濃度的氯根會對合成爐鋼制筒體和循環冷卻水管道產生嚴重腐蝕，使管道強度降低，存在較大安全隱患。 避免氯根富集對設備和管道的腐蝕，消除生產安全風險最直接的方法是通過排水再補充新水來降低循環冷卻水中的氯根含量。排出的廢水屬于工業用水，水質較好，但排入廢水地溝后只能通過無機廢水系統回收至一次鹽水作為化鹽水，其價值不能充分得到利用。

為了充分發揮工業用水的效能及價值，實現此部分水的階梯利用，減少工業用水消耗量，降低生產成本，結合燒堿系統生產工藝，優化工藝流程，將此部分排水引入各機泵機封冷卻水系統。 關閉鹽水精制工序精制劑配制原有的生產水引進通道，從合成爐一段循環冷卻水管道上引出工業用水，進入電解工序各機泵機封冷卻水管，給各機泵冷卻降溫后回收至緩沖廢水罐，通過泵輸送至一次鹽水精制劑配制槽進行精制劑配制。 同時，各機泵原有的來自管網的冷卻水閥門關閉，精制劑原有的管網生產水管線切除，改造后的“合成爐爐底冷卻—機封冷卻水—碳酸鈉配制”流程見圖1。

圖1 “合成爐爐底冷卻—機封冷卻水—碳酸鈉配制”流程圖

工藝流程優化后，提高了生產系統中的中水回用率，有效降低了廢水排放量，解決了生產水配制精制劑管線結垢、流量計堵塞等問題。

2 燒堿系統低溫余熱利用

氯堿公司生產過程中能源消耗量大，可供回收的低溫熱源較多。 自投產以來，氯堿公司相繼實施了溴化鋰機組、副產蒸汽式氯化氫合成爐等一系列節能工藝生產技術和設備改造，有效降低了產品的綜合能耗，取得了顯著的效益。

在整個離子膜燒堿生產過程中存在較多冷卻、加熱的交叉需求，并且溫度區間重合度較大，具有工藝優化和能耗降低的空間。

原有工藝流程：電解槽生產的32%高溫液堿經過板式換熱器，利用循環水冷卻降溫后，輸送至成品罐區外售。 換熱后的循環水經過管道返回涼水塔降溫后循環使用。 一次鹽水工序化鹽使用的化鹽水需要外補生產水，為提高化鹽效率及一次鹽水含鹽量，需要利用蒸汽將生產水升溫后再使用。

綜合實際生產情況發現，電解工序需要降溫，一次鹽水生產需要升溫來滿足其生產需求。 離子膜燒堿生產系統中冷卻、 加熱的溫度區間重合度較高，尤其是燒堿生產部分低溫熱源可回收利用的空間較大。 因此，優化生產工藝、合理布局，充分利用燒堿產品余熱，實現節能、降耗、減排是企業發展所需。

優化后生產工藝流程：在原有燒堿冷卻器前串聯可以獨立切入、 切出的燒堿冷卻器及附屬管線，配置流量計、壓力表、調節閥等，實現生產水流量、溫度的定量調節， 冷卻電解槽生產的高溫32%燒堿；換熱提溫后的生產水匯入生產水儲槽，用于一次鹽水工序化鹽，降低了蒸汽消耗。 優化后的余熱利用流程圖見圖2。

圖2 低溫余熱利用流程圖

3 樹脂塔再生廢水的分步利用

現階段國家逐步加大對水資源的管理控制，生產過程中廢水的排放和中水的回收利用，成為可持續發展的瓶頸。 在燒堿生產工藝中，一次鹽水中的鈣、鎂離子和其他多價金屬離子對離子膜性能損害很大，這些多價金屬離子通過化學沉淀并經預處理器和凱膜過濾器處理可減少到一定程度（×10-6數量級）。 為保證離子膜電解性能的優質穩定，需要通過離子交換樹脂進行二次鹽水精制來達到電解槽運行的要求。 在此過程中，螯合樹脂會吸附鹽水中的Ca2+、Mg2+等二價金屬離子，隨著吸附的進行，樹脂的吸附量會達到飽和，失去吸附作用。 為確保進槽鹽水質量，避免離子膜損壞，需要定期對螯合樹脂進行酸堿再生， 以保證螯合樹脂的離子交換吸附能力。 樹脂的再生分步進行在酸再生、水洗二、堿再生、水洗三等步驟中會產生酸堿性廢水[1，2]。

深挖燒堿生產工藝各工序的生產需求及潛力，拓展思路， 充分發揮集團循環經濟模式的優勢，通過技術改造嘗試將樹脂塔再生酸堿廢水分步回收利用。 利用再生過程中各步驟工藝特性及在線監測手段，對螯合樹脂塔堿再生過程中的堿性水回收至電解槽陰極液放凈槽，用于一次鹽水生產過程中除去鎂離子精制劑燒堿溶液配制時使用，降低成品燒堿的消耗；將樹脂塔再生過程中產生的酸性廢水在燒堿生產系統予以自用。 在不增加脫氯系統自用堿耗的前提下，將樹脂塔再生過程的酸性廢水回收至陽極液放凈槽，在脫氯系統中使用，有效降低了廢水處理難度，提高了廢水的綜合利用率。 通過酸堿廢水分類回收，提高了廢水中鹽酸、燒堿的利用價值，實現了樹脂塔廢水零排放的目標。

根據樹脂塔再生過程中廢水的不同性質，對廢水進行分類收集、分類處理，有針對性地制定不同的回收再利用措施，實現了離子膜燒堿生產過程無廢水排放，降低了污水處理的負荷及難度，減輕了廢水處理的環保壓力， 促進了企業的健康持續發展。

4 蒸發蒸汽冷凝液用于蒸汽合成爐補水

管網來的中壓蒸汽經Ⅲ效降膜蒸發器與燒堿換熱后變成蒸汽冷凝液進入生蒸汽冷凝液罐，此時蒸汽冷凝液溫度約180 ℃，含有極高的熱能。為降低蒸發系統的生產能耗， 充分利用蒸汽冷凝液的熱能， 將冷凝水依次送到蒸發系統中各級堿液預熱器，換熱后，從板換出來的較低溫度的冷凝液送至氯化氫合成工序，并入工業用水儲罐作為副產蒸汽合成爐補水，生產副產蒸汽。 在回收蒸汽冷凝液的熱量降低蒸發系統蒸汽單耗的同時又降低了蒸汽合成爐工業用水的消耗。

5 合成冷凝酸取代高純鹽酸用于電解脫氯及一次鹽水凱膜酸洗

氯化氫生產過程中會產生一定量的冷凝酸，改造前冷凝酸通過管道輸送至單體車間的副產酸罐，作為工業廢酸低價出售。 一次鹽水精制過程中生成的碳酸鈣、氫氧化鎂等雜質會附著在凱膜、陶瓷膜的膜管表面，影響膜過濾通量。 為確保凱膜、陶瓷膜的正常過濾效率及過濾量， 需要定期對凱膜過濾器、陶瓷膜過濾器進行酸洗，除去過濾膜上的鈣鎂結垢等影響膜過濾效率的雜質。 電解脫氯系統需要用鹽酸來調節pH 值以提高脫氯效率， 改造前電解脫氯系統及一次鹽水凱膜、陶瓷膜酸洗用酸一直使用價格相對較高的高純鹽酸。 通過對回收的冷凝酸進行指標分析，冷凝酸完全可滿足電解脫氯系統pH值調節及一次鹽水凱膜、 陶瓷膜酸洗用酸指標要求， 改造后電解脫氯系統pH 值調節及一次鹽水凱膜、陶瓷膜酸洗用酸全部使用回收冷凝酸，不再作為廢酸處理，降低了生產成本，提高了冷凝酸的附加值。

6 副產蒸汽優化利用

日常生產中蒸汽合成爐副產蒸汽的壓力控制在0.4 MPa 左右，所有蒸汽合成爐副產蒸汽通過管道匯聚到蒸汽分配臺，通過蒸汽分配臺穩定壓力后送入聚合車間流化床、燒堿車間一次鹽水使用。 合成爐點爐初期，蒸汽閃蒸罐壓力控制在0.25 MPa 穩定運行6 h， 逐步升壓至0.4 MPa 后并入蒸汽分配臺。 蒸汽壓力由0.25 MPa 升至0.4 MPa 需要10 h以上，此時閃蒸罐所產蒸汽壓力低于蒸汽分配臺壓力，無法并入蒸汽分配臺，此部分蒸汽需要放空排至大氣，造成嚴重的浪費。

一次鹽水崗位日常生產時使用蒸汽對化鹽水、鹽泥池升溫，達到系統溫度要求，但對蒸汽壓力要求不高， 將蒸汽合成爐點爐初期副產的0.4 MPa 以下的蒸汽通過管道輸送至一次鹽水崗位，用于鹽水崗位化鹽水、鹽泥池日常生產使用。 解決了鹽水崗位日常生產的需求， 減少了點爐初期蒸汽的浪費，降低了公司蒸汽的日常采購費用。

7 對鹽水凱膜過濾器使用的撓性閥改型，降低儀表氣消耗

凱膜過濾器作為鹽水工序去除鈣離子的核心設備，鹽水精制過程中凱膜過濾器通過反沖排渣將附著在凱膜表面的碳酸鈣沉淀沖掉，從而保持膜的使用效率，凱膜反沖周期為30 min/次。 凱膜所用的自動控制閥為撓性閥，主體材質為橡膠，頻繁開關造成撓性閥變形或破損，撓性閥內膽變形造成凱膜反沖排渣效果差，降低了凱膜利用率，由于撓性閥結構特殊容易出現閥門漏氣，浪費儀表氣，影響鹽水過濾器的正常運行， 嚴重時會導致鹽水產量受限，增加運行成本。

內膽更換需將過濾器內鹽水全部放凈，過濾器內基本為合格的鹽水，放凈的鹽水雖然回收但仍造成資源浪費，另外，更換DN200 的內膽需4 名鉗工，作業時間需要兩三個小時。進口DN200 的內膽單價為10000 元/個左右，增加了生產成本。 撓性閥內膽單價高，更換檢修造成人力資源浪費，工藝處理造成鹽水資源浪費，內膽變形造成凱膜過濾器利用率降低，內膽漏氣造成儀表氣浪費。 鈦材具有良好的延展性，鈦的重要特點是密度小、強度高、耐高溫、抗腐蝕， 高溫鹽水具有溫度高腐蝕性強的特點，因此鈦材質自動閥為撓性閥的理想代替品。 切斷閥使用原有撓性閥的氣源及控制電纜，原有控制程序不變。 項目投用前后的生產運行情況分析如下。

（1）勞動強度。 安裝完畢后，凱膜進口1#、反沖4# 閥未出現過檢修及更換情況， 使用狀況良好，降低了檢修頻次及檢修勞動強度。

（2）使用效果。 撓性閥長時間使用后內膽變形，容易造成凱膜反沖效果差，降低凱膜利用率，撓性閥結構特殊容易造成閥門漏氣現象，造成儀表氣浪費，更換為切斷閥后未出現過上述情況。 改造前后儀表氣的消耗情況見圖3。

圖3 改造前后儀表氣消耗對比

閥門改型完畢后儀表氣的日消耗量較改造前減少約1100 m3，同時降低了日常檢修費用，確保了設備的長周期平穩運行。

8 結語

在氯堿生產過程中將各類能源資源進行階梯式利用，使生產成本最小化、安全效益最大化，最大限度深挖現有生產裝置的潛力， 節約資源消耗，降低生產運行成本已成為氯堿企業可持續發展的重要途徑。 通過不斷總結，優化工藝流程、優化操作、創新改造， 對生產過程中各種資源進行有效回用，減少資源浪費，在有效減輕企業環保壓力的同時創造了一定的經濟效益， 助力企業的可持續綠色發展。