氯碱行业节能降耗技术分析

杨振军 刘庆平 赵学军

滨化集团股份有限公司（山东 滨州 256600）

节能环保

氯碱行业节能降耗技术分析

杨振军 刘庆平 赵学军

滨化集团股份有限公司（山东 滨州 256600）

介绍了氯碱行业能源消耗现状及相关政策，分析了氯碱行业中最新的节能技术及其应用前景。

氯碱节能降耗技术能源管理体系

氯碱的生产在我国经济发展过程中具有十分重要的作用，最近几年，氯碱作为一种基础性的化工产业得到了快速的发展。氯碱行业属于能源密集型行业，主要体现在烧碱生产的电耗方面。2015年我国烧碱产量为3 028.1万t，同比下降1.4%，若烧碱电解单元单位产品交流电消耗量为2165（kW·h）/t，则2015年烧碱消耗交流电共计约655.58亿（kW·h）。2016年1～10月份，我国烧碱产量累计达到2 697.2万t，比2015年同期的2 516.9万t增加7.2%左右，从产量来看，2016年全年烧碱消耗交流电将呈增长趋势，较高的能源消耗状态，提供了行业节能减排空间[1]。

1 氯碱生产现状

2015年，在经济“新常态”的形势下，国内氯碱行业经营压力较大，主要产品价格纷纷下跌。在国家相关政策的引导下，我国烧碱行业步入转型升级阶段。烧碱作为氯碱产品中唯一有明显盈利能力的产品，受节能环保、淘汰落后产能等因素的影响，其消费量下滑。

2015年国内烧碱总产能达3977.5万t/a，退出产能104.5万t/a，新增产能172万t/a，增速为1.73%。按照《产业结构调整指导目录》（2011版）的要求，隔膜法烧碱属于淘汰类产业，目前国内也已基本淘汰，绝大部分为能耗更低的离子膜法烧碱产能。在新环保法的实施过程中，产能规模较小、环保设施建设不全、污染物排放不达标的氯碱企业将退出市场。2016年烧碱的供需关系为：供应面上，在“十三五”化解过剩产能、去库存等政策的引导下，后续扩能也仅限于大型氯碱生产厂家，中小氯碱厂家被淘汰出局或兼并重组是大趋势，但烧碱整体供应量将维持在较为稳定的状态；需求面上，国内经济“新常态”是必然，烧碱下游的印染、化纤、造纸等主要消费行业对烧碱的消费能力不足，而氧化铝行业在2016年的扩能计划，给烧碱带来一定支撑。

2016年国内烧碱价格持续处于高位，且稳中有涨。国内烧碱装置生产正常，开工率在80%以上，产量保持稳定，下游氧化铝市场运行良好，市场货源供应平稳，成交节奏正常。在供需利好的推动下，国内烧碱企业发展势头较好。在激烈的市场竞争环境下，节能减排、降低生产成本仍然是氯碱企业生存和发展的有效途径。

2 节能降耗技术分析

随着氯碱行业的快速发展，企业纷纷引进节能技术、配置先进设备，进一步促使氯碱行业节能减排水平不断提高，实现可持续发展的目标。

2.1 氧去极化阴极（ODC）技术的应用

随着对燃料电池开发研究的深入，人们开始意识到可以将其使用的气体扩散电极（GDE）技术引入到氯碱工业中来降低电耗，应用于氯碱工业中的GDE称为ODC。借鉴燃料电池的原理，使用多孔气体扩散材料作为阴极，使O2在阴极发生还原反应生成OH-，从而抑制H2的形成。ODC型电解示意图如图1所示。

ODC电解的主要电化学反应如下：

图1 ODC氯碱电解示意图

在我国，氯碱工业的总耗电量占整个工业用电的5%左右，其电能主要消耗在氯碱工业的核心装备电解槽上，因此我国也积极加入到国际行列，研究新型电解槽——ODC离子膜电解槽的制备技术。

在河北沧州大化集团黄骅氯碱有限责任公司所属的中国化工离子膜电解技术产业化试验培训基地内，建成的国内首台5000吨级的ODC离子膜电解槽实验装置，已于2012年6月30日通过中国石油和化学工业联合会组织的专家72 h考核，各项指标达到课题任务书提出的相关设计要求，尤其是氯碱电解节电达到35%左右。目前蓝星（北京）化工机械有限公司正与国内几家氯碱企业进行探讨，以确定更大规模的产业化示范项目。

2014年2月，滨化集团股份有限公司和伍德迪诺拉公司在山东滨州签订了8万t/a烧碱装置合同，这是伍德迪诺拉公司全球第一个盐水氧阴极电解专利技术装置合同工厂。该项目分为两期实施，一期4万t/a装置于2015年9月安装完成，现已开车成功。

ODC离子膜电解槽因为阴极没有H2析出，降低了阴极放电电位，一般可使单槽电压下降0.85～1.00 V，吨碱直流电耗下降600～700 kW·h，若工业用电价格按0.7元/千瓦时计算，从电解单元的直流电耗来看，吨碱可节约成本420～490元，其经济效益十分显著。2015年国内烧碱产量为3 028.1万t，若将其中的30%改为ODC离子膜法烧碱，每年节电价值达38.15亿～44.51亿元，单从电能来看ODC电解具有很大的经济效益。

ODC技术的应用需根据企业的自身情况而定，一方面需考虑新技术的成本，包括ODC电极、新型电解槽和所需O2的费用；另一方面需考虑H2的性质和市场利用前景。采用ODC技术，每生产1 t烧碱就少产生285 m3H2，若全球30%的氯碱电解改为ODC技术，则生产3900万t/a烧碱就少产生H297.5万t/a。若企业生产的H2自身无法消耗的话，采用ODC技术将会给其带来巨大的效益[2]。

2.2 陶瓷膜的应用

在日益重视节能减排、技术革新的今天，我国氯碱行业积极推动产品结构调整、资源配置优化。离子膜制碱工艺在行业内的迅速推广，对盐水精制质量提出非常高的要求。

陶瓷膜法直接过滤工艺是近年新兴的一次盐水精制技术，其过滤技术独特、投资低、占地少、操作弹性优良，倍受广大氯碱企业的青睐[3]。

陶瓷膜法直接过滤工艺的优点明显：相对传统工艺和有机膜法过滤，减少了澄清桶、砂滤和预处理工序，简化了流程，有效降低投资成本，减少占地面积，避免了传统工艺带来的硅污染，且无需对粗盐水进行分段复杂的前处理，只要过碱量控制稳定，反应停留时间足够，经过陶瓷膜过滤之后即可得到合格的精盐水，且不受原盐中钙镁比例偏差大的影响，降低对原盐的要求。

福建湄洲湾氯碱工业有限公司现有1套凯膜盐水过滤装置（3台过滤器），盐水精制量为120 m3/h；1套第3代陶瓷膜盐水过滤装置（1台过滤器），盐水精制量为40 m3/h。对二者进行对比，结果显示：（1）凯膜工艺和陶瓷膜工艺盐水精制盐水出水量和质量均可达到设计要求；（2）陶瓷膜的多项技术指标均优于凯膜；（3）凯膜出盐水量和各项技术指标受原盐质量的影响较大，而陶瓷膜过滤精度高，盐水质量较稳定[4]。

唐山三友氯碱有限责任公司的一次盐水生产装置采用了陶瓷膜盐水精制技术，该装置占地面积小、流程短，能有效节约精制剂，满足了企业在有限空间内达到产能最大的目标[5]。

经过最近5年大规模的推广，陶瓷膜过滤工艺已经趋于完善，获得业界认可。

2.3 二次盐水精制树脂寿命延长

二次盐水中Ca2+、Mg2+含量超标会造成电解槽离子膜污染，Ca2+含量超标会使离子膜电解槽电流效率下降，Mg2+含量超标会造成离子膜电解槽槽电压升高、电流效率下降，并缩短离子膜使用寿命，严重者甚至报废，给企业带来不可挽回的经济损失。

天津渤天化工有限责任公司采用南通三圣化工科技有限公司技术充分改善树脂塔的运行环境，使离子交换树脂能够在较长时间内保持良好的活性，螯合吸附能力得到最大发挥，从而大幅度延长了树脂塔的运行周期。

采用二次盐水精制离子交换树脂塔运行周期延长技术后，对于旭化成株式会社的二次盐水精制工艺而言，进槽盐水质量得到改善，对降低槽电压、提高电流效率起到积极作用。另外，酸性、碱性废水排放量也同步减少，使整个烧碱系统水平衡得到进一步优化，降低了污水处理费用，对促进企业节能环保、低碳发展具有积极作用。

天津渤天化工有限责任公司已将树脂塔每天再生一台次改为每10天再生一台次[6]。

2.4 三效逆流离子膜烧碱蒸发浓缩技术

三效逆流蒸发工艺中，蒸发的操作流程为逆流，即碱液的流向与加热蒸汽的流向相反。因其充分利用了蒸汽的热量，与传统的二效蒸发及三效顺流工艺相比，三效逆流及多效蒸发具有汽耗低的显著特点。其基本原理为：质量分数为32%的碱液通过原液碱泵送到Ⅲ效加热器，蒸发浓缩后的碱液由Ⅲ效碱泵送到Ⅱ效加热器，碱液在Ⅱ效加热器里与壳程加热蒸汽进行间接换热使温度升至沸点，蒸发浓缩后的碱液由Ⅱ效碱泵送到Ⅰ效加热器进行间接加热并升温蒸发，碱液在Ⅰ效加热器里与管间加热蒸汽进行间接换热使温度升至沸点，最后从Ⅰ效加热器底部流出进入Ⅰ效蒸发罐。沸点状态下的碱液进入Ⅰ效蒸发罐后急剧浓缩，这时碱液质量分数为50%，碱液温度约为170℃，由Ⅰ效碱泵出料并经成品冷却器与循环冷却水进行间接换热冷却，最后从成品冷却器出来的即为成品碱液，碱液质量分数为50%，碱液温度在45℃以下。

目前，三效逆流降膜蒸发工艺已经被广泛应用。以生产50%离子膜烧碱为例，三效逆流降膜碱蒸发技术与现有双效碱蒸发技术相比，吨碱平均汽耗由约0.72 t降至约0.52 t，生产1 t 50%的NaOH溶液可节约蒸汽约0.20 t；与单效碱蒸发技术相比，每吨50%碱液可节约蒸汽量0.55～0.60 t。

2011年6月份,天津大沽化工股份有限公司对49%烧碱生产装置采用三效逆流降膜蒸发工艺，10月份一次开车成功。蒸发装置稳定高效运行后，提高了49%烧碱的产量，降低了49%烧碱的生产成本[7]。

新疆中泰化学股份有限公司从瑞士Bertrams公司引进的三效逆流降膜蒸发装置已运行了4年多的时间，充分体现了该工艺运行指标稳定、操作运行安全可靠、产品质量稳定、能源消耗低、管理方便的特点[8]。

2.5 其他技术

淡盐水膜法脱硝技术通过膜过滤将硫酸根离子去除，改变了传统的利用氯化钡与硫酸反应生成硫酸钡沉淀而除去硫酸根离子的方法，从而大大降低了环境污染、减少了盐泥的的排放量，比钡法除硫酸根工艺可降低处理成本45%～50%。

宁夏英力特化工股份有限公司和滨化集团股份有限公司都采用了膜法脱硝技术，产生的经济效益显著。根据性能测试的数据分析，按10万t/a烧碱计算，采用氯化钡法费用约750万元/年，采用膜法除硝技术费用约250万元/年，节约生产成本约500万元/年。目前膜法脱硝技术在烧碱行业已有多家企业应用，总处理能力在800万t/a左右[9]。

淡盐水脱氯采用喷射泵法，该工艺采用氯水加压或蒸汽直接进入喷射泵形成真空，进行真空脱氯，该技术在滨化集团股份有限公司已被采用。后来发展的钛机械真空泵直接抽真空，在负压状态下淡盐水沸腾脱氯，抽取的氯气经冷却分离后被回收到氯气总管中。钛真空泵原来进口较多，现在国内钛真空泵技术已成熟，完全可满足各类规模的烧碱生产脱氯要求。

氯气和氢气处理过程中大量采用透平机，其自动化程度高、运行稳定、震动小、调节范围大，实际交流电耗大大降低，从而取代了硫酸纳式泵，成为行业发展的趋势。

新疆中泰化学股份有限公司依托PI Processbook软件开发了一键巡检系统，自系统运行以来，为产能提升、节能降耗、效果评估等项目提供了数据支持和技术手段，并且分布式控制系统（DCS）的操作人员由8人减为6人，实现了减员增效的目的[10]。

3 能源管理体系的应用

建立能源管理体系，按照体系的要求规范能源管理，积极主动采用先进的节能管理方法和节能技术，实施能源利用全过程的管理，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，是氯碱企业节能管理的必然选择。

2011年8月，烟台万华氯碱有限责任公司开始着手建立能源管理体系。2012年试运行，目前已运行稳定，取得了较好的绩效。

2010年，32%烧碱单位产品综合能耗（折标煤，下同）为357.16 kg/t；48%烧碱单位产品综合能耗为475.09 kg/t；离子膜法电解单元单位产品交流电耗为2235（kW·h）/t。2012年，32%烧碱单位产量综合能耗为337.115 kg/t；48%烧碱单位产量综合能耗为458.557 kg/t；离子膜法电解单元单位产品交流电耗为2145（kW·h）/t。与2010年能源管理基准年相比较，2012年烟台万华氯碱有限责任公司32%烧碱单位产品综合能耗下降了5.61%，48%烧碱单位产品综合能耗下降了3.48%，达到了公司2012年单位产品综合能耗下降3%的目标[11]。

4 结语

氯碱企业通过采用先进技术、装置及管理工具，实现了能源的节约和合理利用，提高了能源效率，降低了能源消耗和生产经营成本，增加了经济效益，缓解了能源供应与需求之间的矛盾，提高了企业在能源资源价格不断上涨时的市场竞争力，使企业在竞争日益激烈的国际、国内环境中立于不败之地，永葆青春和活力。

随着氯碱行业的不断发展，节能降耗的观念不断深入人心，氯碱生产必须注重节能降耗措施的应用和发展。在氯碱的生产过程中使用节能设备、创新节能降耗技术、采用节能降耗措施，能够有效地指导氯碱工业的生产，促进其科学、高效、可持续地发展。

[1]李素改.氯碱行业能源消耗现状及节能技术应用进展[J].中国氯碱,2014(3):1-3.

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[3]张兰贵.一次盐水精制技术发展现状[J].化工管理.2014 (5):127.

[4]戴荣辉.凯膜和陶瓷膜盐水过滤技术应用比较[J].氯碱工业.2015,51(7):3-6.

[5]孔令媛.盐水精制技术改进[J].中国氯碱,2016(2):8-9.

[6]孙俊艳,张军,周龙东等.二次盐水精制树脂塔运行周期延长技术的应用[J].中国氯碱.2016(3):16-19.

[7]张守特,赵军军,刘立勤.12万t/a三效逆流降膜蒸发装置运行评价分析[J].天津化工,2014,28(3):18-21.

[8]任晓佳.三效逆流降膜蒸发装置运行总结[J].氯碱工业, 2016,52(9):28-30.

[9]解传明,王树成,王真松.节能环保新技术新产品在氯碱企业中的应用及经济价值分析[C]//第八届宁夏青年科学家论坛论文集.宁夏,2012.

[10]冉世军,刘昌盛,祝辉年,等.PI Processbook在离子膜电解工艺中的应用[J].氯碱工业,2016,52(9):40-42.

[11]冯旭光.能源管理体系在氯碱企业的实施[J].氯碱化工, 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

杨振军男1970年生本科工程师现任滨化集团股份有限公司总经理助理