氯碱化工生产中的能源利用

王文峰，陈建刚

（山东新龙集团有限公司，山东 寿光 262709）

1 离子膜烧碱装置节能改造的意义

山东新龙集团有限公司20万t/a离子膜烧碱节能技改项目于2010年11月、2012年9月分二期建成并投产，该工程项目由1套独立的离子膜电解厂房和满足20万t/a离子膜烧碱生产的配套工程及附属工程组成。在两年多的运行过程中，对整套装置运行情况不断进行总结，同时，结合以往的氯碱生产经验，发现该生产装置除自身固有的节能优势外，在生产系统中的各个环节也还存在较大的节能改造空间。通过改造，可充分、有效利用生产系统中产生的废热、余热及其他再生能源，进一步减少能源损失，降低生产及运行成本，在环境保护方面也具有非常重要的现实意义。

2 改造前生产状况

该公司烧碱生产能力为20万t/a，年可联产干纯氯气约1.77吨，为调整产品结构，延伸生产链条，2012年配套建设了10万t/a的50%烧碱项目。通过对整套生产装置及系统工艺进行详细审核，发现在以下4个方面存在较大的改造空间。

（1）电解工序生产出来的气态氯气温度为85～90℃，并被水蒸气饱和，内含大量热能。该氯气经洗涤、降温、干燥处理，最后输送至液氯工序，经冷冻后制成液态成品氯。在整个流程环节，氯气所含的热能不但未被有效利用，而且在洗涤、降温、冷却时还耗费了大量的冷量，造成了较大的能量损失。

（2）在氯的衍生产品生产过程中，要使用大量的高纯气氯作为原料，高纯气氯的制得需要将-17℃左右的低温液氯汽化，而低温液氯自身具有较多的冷量，这部分冷量可用来对某些需要降温的物料进行间接冷却，从而在一定程度上能减少因冷冻降温而造成的能量消耗。

（3）50%烧碱生产工序需要消耗大量的高温蒸汽，浓缩32%离子膜烧碱，产生的温度较高的Ⅰ效蒸汽冷凝水经过大气冷却降温后送至盐水车间用于化盐，Ⅱ效、Ⅲ效的弱碱性蒸汽冷凝水也经过冷却后送至盐水车间进行化盐，这两部分蒸汽冷凝水的温度较高，并具有较大的热能，但在实际生产过程中却存在着一定的热能损失。Ⅰ效蒸汽冷凝水的水质等同于纯水水质，用于化盐也是浪费资源，完全可以以其较高的品质用作他用。

（4）在盐酸合成工序中，氯气与氢气反应生成氯化氢伴随释放出大量反应热，即每合成1 kg气态氯化氢约释放出2 532 kJ的反应生成热。氯气与氢气在合成炉内以燃烧形式反应生成氯化氢，火焰中心区温度达到2 500℃以上，生成的氯化氢气体温度为2 000℃以上，在氯化氢气体溶解于水生成盐酸时，又有溶解热放出，平均每千克氯化氢约放出1 692.4 kJ的溶解热（平均积分溶解热），这些热量相当可观，但未被有效利用，存在着热能的浪费。

3 节能技改思路

为更高效利用潜在和显在的能量，决定跨公司、跨车间、跨工序进行节能技术改造，以便将生产过程中流失的部分能源得以充分整合及利用，通过横向和纵向的调配，争取达到能量及资源利用的最大化。针对以上思路，一是对于未采取能源利用的生产工艺进行技术改造，对潜在能量进行挖掘利用；二是对于能源综合利用率低的工艺进行再次改造，提高能源的利用率。

4 改造实施方案

（1）氯气与盐水换热

利用85～90℃并被水蒸气饱和的高温湿氯气来加热一次盐水，利用这部分热量将从盐水生产工序送至电解工序的五十摄氏度左右的精盐水，加热至五十七摄氏度左右，不但能降低加热盐水需用的蒸汽消耗量，也能相应减少氯气干燥处理工序氯气冷却降温需用的冷冻水冷量。

（2）液氯与气氯换热

将氯氢工序氯压机输送出来的三十五摄氏度左右的气态氯与经过冷冻站降温冷却后的-17℃左右的低温液态氯通过换热器设备进行间接换热，气态氯降温后被送至氟利昂冰机系统进行冷冻液化，而液态氯升温并经过进一步气化后，作为高纯氯气送至下游工序。气态氯和液态氯彼此之间进行能量交换，不仅减少了液氯气化所需要的蒸汽使用量，也降低了进氟利昂机组的氯气的温度，相应地降低了氟利昂液化机组的能量消耗。

（3）50%烧碱Ⅰ效蒸汽冷凝水综合利用

将50%烧碱蒸发工序产生的等同于纯水水质的Ⅰ效蒸汽冷凝水用不锈钢贮罐进行收集，不再经过冷却送至盐水工序化盐使用，而是直接送至锅炉车间除氧器用于制取蒸汽，不但能节省一部分锅炉用水量，还能节省很大一部分锅炉水温加热需用的蒸汽量。

（4）50%烧碱Ⅱ效、Ⅲ效的蒸汽冷凝水和盐酸合成炉燃烧热综合利用

将50%烧碱蒸发工序Ⅱ效、Ⅲ效产生的六十摄氏度左右的热水以及盐酸合成炉副产的六十四摄氏度左右的热水汇集，一并进入热水循环槽，经蒸汽加热至九十八摄氏度左右，由热水循环泵将槽内热水送至溴化锂机组使用。经过机组作功后排出的热水大约为五十五摄氏度，送入盐酸合成炉吸热后经过加温达到98℃再次送入溴化锂机组，循环使用，多余热水被输送至一次盐水工序化盐。本工艺改造既利用了热水的热量进行制冷，又避免了蒸发工序产生的热水因温度过高而无法直接进行化盐生产，热水的热量有效地得到了利用。

5 改造后节能效果

（1）氯气与盐水换热

a.计算依据

生产规模：20万t/a烧碱；年生产时间：8 000 h；盐水进换热器温度：50℃；盐水出换热器温度：57℃；盐水流量：260 m3/h；盐水比热：3 886 kJ/m3；标煤发热量：29 307 kJ/kg。

b.热量计算

盐水从50℃升至57℃时所需要的热量为：

Q=cmΔt

=260×3 886×（57-50）=7 072 520（kJ/h）

每小时可节省标煤：

7 072 520÷29 307÷1 000=0.24（t）

全年可节省标煤：8 000×0.24=1 920（t）

（2）液氯与气氯换热

a.计算依据

生产规模：20万t/a烧碱；年生产时间：8 000 h；条件：氯气成份（干）97%；温度：氯气经冷却器冷却，温度从35℃降到5℃。

35℃时氯气比热为 0.487 kJ/kg℃；5℃时氯气比热为 0.483 kJ/kg℃；35℃时空气比热为1.013 kJ/kg℃；5℃时空气比热为 1.009 kJ/kg℃。标煤发热量为29 307 kJ/kg。

b.物料计算

每小时氯气量：22÷8 000×0.885=24.34（t/h）

每小时空气量：24.34×1.3×0.03×29=0.28（t/h）（29为空气分子量）

c.热量计算

气体带入热量

氯气带入热量：Q1=cmΔt=24.34×1 000×0.487×35=414 875（kJ）；

空气带入热量：Q2=cmΔt=0.28×1 000×1.013×35=9 927（kJ）；

气体带出热量

氯气带出热量：Q3=cmΔt=24.34×1 000×0.483×5=58 781（kJ）；

空气带出热量：Q4=cmΔt=0.28×1 000×1.009×5=1 412（kJ）；

液氯利用热量

Q=Q1+Q2-Q3-Q4=364 609（kJ）。

此换热既可以减少液氯气化所需的蒸汽热量，又可以减少冰机液化氯气所吸收的热量。实际节省的能量为2Q。

折标煤：364 609×2÷29 307÷1 000＝0.025（t/h）。

全年可节省标煤：0.025×8 000 h=200（t）。

（3）50%烧碱Ⅰ效蒸汽冷凝水综合利用

a.计算依据

热水比热为4.187 kJ/kg.℃，标煤发热量为29 307 kJ/kg；纯水在除氧器由20℃加热至105℃；50%烧碱产能10万t/a；吨碱耗蒸汽约500 kg/t；蒸汽冷凝水温度97℃。

b.热量计算

蒸汽冷凝水从20℃升至97℃时所需要的热量为：

Q=cmΔt=100 000×500×4.187×（97-20）

=16 119 950 000（kJ）

则全年可节省标煤：16 119 950 000÷29 307÷1 000=550.04（t）

（4）盐酸合成炉燃烧热综合利用

a.计算数据

盐酸工序单台合成炉盐酸产量为80 t/d，年生产时间8 000 h；热水进入系统温度55℃；出系统温度64℃；HCl≥31%；空气中氧气含量为21%；氢气和氧气的燃烧热为484 kJ/mol；热水比热为4.187 kJ/kg；标煤发热量为29 307 kJ/kg，尾氯氧气含量为18%，尾氯纯度为70%。

b.物料和热量计算

盐酸合成炉燃烧热部分

物料计算

氯化氢产量：80×1 000÷24×0.31÷36.5

=28.3（kmol/h）；

纯氯气进量：28.3÷2=14.15（kmol）；

氢气进量：14.15（kmol）；

氧气进量：14.15÷0.7×0.18=3.64（kmol/h）。

热量计算

氢气与氯气燃烧热为：14.15×184.8×1 000

=2 614 920（kJ/h）；

氢气与氧气燃烧热为：3.64×484×1 000

=1 761 760（kJ/h）；

总热量为：1 761 760+2614920=4376680（kJ/h）；

热水流量为：V=Q/（c×△t ）=4376680÷4.187÷9=116 144（kg/h）=116（m3/h）；

全年可节省标煤 4 376 680×8 000÷29 307÷1 000=1 194.7（t）。

（5）50%烧碱Ⅱ效、Ⅲ效的蒸汽冷凝水综合利用

a.物料计算

32%烧碱密度：1.31 g/mL；50%烧碱密度：1.51 g/mL。

按年产50%烧碱10万t计算

1 m350%烧碱含碱为：1.51×50%=0.755（t）；

生产1 m350%烧碱需要32%烧碱为：0.755÷0.32÷1.31=1.8（m3）；

生产1 m350%烧碱产生水量为：1.8×1.31-1.51=0.85（m3）；

生产10万t 50%烧碱产生水量为：100 000÷1.51×0.85=56 291.39（m3）。

b.热量计算

热水比热为4.187kJ/kg，标煤发热量为29 307 kJ/kg

Q=cmΔt=56 291.39×4.187×1 000×5

=1 178 460 200（kJ）；

年可节约标煤：1 178 460 200÷29 307

=40 211 kg=40.2（t）。

6 改造后年可节省标煤量、纯水量的经济效益

1年节省标煤总量1 920+200+550.04+1 194.7+40.2=3 904.94（t），按当前本地区标煤价格 670元/t计算，每年可节省费用=670×3904.94≈261.63（万元），50%碱蒸发冷凝水回锅炉年可节省纯水量 （按全年10万t 50%碱生产量计算）=500×100 000÷1 000=50 000 t，按每吨纯水价格6.0元计算，年节省水费=6×50 000=30.0（万元）。

2项合计，年可节省费用291.63（万元）。