离子膜烧碱生产中能耗问题分析

邱紫奇

(航锦锦西氯碱化工有限公司，辽宁 葫芦岛 125001)

我国化工产业在逐步实现规模化的同时一定程度上推动了我国的经济发展。与此同时，技术研发停滞不前、产品耗能高、环境破坏加剧及产品供求失衡的问题越发突出。针对这些问题，国家近年来通过相继提出有关政策，努力推进产业结构调整，在技术和管理两方面对有关产业进行升级。要实现可持续发展战略要求，就必须减少损耗，提高效率，在资源有限的情况下提高生产能力。离子膜烧碱工艺产品单一，生产过程较为简单，技术改革速度慢，能耗问题严重。通过加强技术创新，可以有效降低能耗，为生产企业降低成本，提高收益。

1 离子膜烧碱工艺概述

由盐水车间送来的一次精制盐水通过氯气冷却器换热达到(60±5) ℃后进入螯合树脂塔进行二次精制，去除钙镁等金属离子送往各电解槽阳极，同时电解槽阴极室加入纯水进行电解。电解生成的32.0%～33.0%电解液在阴极室与氢气分离，然后送往蒸发工序继续提浓。氢气经正压水封槽送往氢气处理工序。电解生成的淡盐水，加入盐酸控制pH值在1.8～2.2，送往脱氯工序。目前脱氯工序采用真空脱氯和化学脱氯2种方法，脱除电解淡盐水及干燥工序氯水中的游离氯送往一次盐水化盐用。电解生成的氯气经氯气冷却器与盐水换热降温后，经过正负压密封槽送往氯气干燥系统。由电解工序来的湿氯气(温度约65 ℃)经过氯气冷却器，进入氯气洗涤塔降温除盐后，继续送至钛冷却器冷却至12～18 ℃，再进入水捕沫器除去水雾。为达到工艺要求，氯气继续经由干燥塔通过浓硫酸吸收水分以确保氯气中含水质量分数不高于1.5%。干燥后的氯气经硫酸捕沫器送往氯气压缩机，经由氯压机处理改变氯气的温度、压力送往其他用户。电解工序来的湿氢气(80 ℃左右)进入氢气洗涤塔洗涤(去除碱雾)后经由氢压机处理改变氯气的温度、压力进行干燥，干燥后的产品输出，送往用户。蒸发工序采用意大利SET公司三效逆流降膜蒸发技术，自电解工序来的32.0%～33.0%(质量分数)电解液经过三效逆流增浓后，质量分数分别为42.0%、45.0%或50.0%。离子膜法烧碱工艺流程比较简单，但其中的能耗问题却受到多方面影响。

2 离子膜法烧碱工艺存在的能耗问题

离子膜法烧碱生产过程中影响能耗的因素很多。但就目前生产情况，原料杂质多和设备老化引起的能耗问题暂居首位，所以在实际生产中如何减少该类能耗的问题，是企业研发的主要方向。

2.1 电解液杂质多增加能耗

电解液中很多因素都会影响到耗能问题。另外材料的杂质较多与设备损耗等同时也是能耗居高不下的一大原因[1]。作为离子膜电解工艺的主要原料，原盐质量对电解产生的影响至关重要。目前使用的离子膜，入槽盐水的Ca2+、Mg2+质量分数要求低于2×10-8。当盐水中的Ca2+、Mg2+含量增加时，电解过程中，Ca2+、Mg2+从阳极侧进入离子膜，与阴极室反渗透过来的OH-反应，形成的Ca(OH)2、Mg(OH)2在离子膜上沉积。随着盐水中Ca2+、Mg2+含量增加，沉积速度加快。这些沉积物以带有大量水分的结晶状态存在，减弱了对OH-反渗透的阻挡作用，进而导致槽电压升高、电流效率下降，电耗增加。虽然很多生产企业采用的电解液品质与电解过滤能力有所不同，所含杂质也不相同，但离子膜法对电解液的要求基本相同[2]。

2.2 电解装置实际指标控制与设备老化的能耗

在实际生产过程中，各项工艺指标控制根据客户的需求以及装置的要求会有一定的范围，在此范围内进行操作均会达到想要的效果。比如客户要求的32%液碱浓度，一般来说满足大于32%对方都可以使用，但从经济角度考虑浓度并不是越高越好；另外随着装置的投入使用，因生产环境的影响装置存在着腐蚀与泄漏的问题，这些都是形成生产过程中能耗上涨的原因。

2.3 蒸发段的能耗

蒸发工艺采用意大利SET公司三效逆流降膜蒸发技术。自电解工序来的32.0%～33.0%(质量分数)电解液经缓冲，加入Ⅲ效蒸发器顶部上管板，碱液自上而下走管程，被从Ⅱ效分离器来的二次蒸汽和Ⅱ效乏汽加热，增至36.0%，增浓的碱液用Ⅲ效碱泵送到串联安装的预热器中，分别被浓碱液和蒸汽冷凝液加热，最后送到第Ⅱ效蒸发器的上料管板进行增浓，经Ⅱ效增浓、Ⅰ效增浓后碱液质量分数分别为42.0%、45.0%或50.0%。实际运行期间进料量的控制、蒸汽的通量、对冷凝液回收情况、设备老化问题等是此部分能耗涉及的主要问题。

除上述原因造成能耗偏大外，在管理过程中，责任落实不到位，工艺改善不及时，没有及时更换先进设备等也会影响能耗。通过上述分析，要想提高生产效率，降低生产成本，必须把高耗能问题逐一解决，进一步降低企业的能耗水平。

3 离子膜烧碱工艺能耗解决意见

3.1 盐水的处理

首先对于盐水的处理即解决电解液中杂质过多的问题。盐水精制作为电解工艺第一道工序，盐水质量至关重要。

目前航锦锦西氯碱化工有限公司(以下简称“航锦氯碱”)盐水车间采用陶瓷膜工艺对盐水进行处理。饱和食盐水依次加入精制剂NaClO、Na2CO3、NaOH后进入反应池，充分搅拌反应后经粗过滤器截留直径大于1 mm机械杂质后，进入陶瓷膜过滤单元，将粗盐水中的机械杂质截留，出来的一次盐水中SS指标达到1.0×10-6以下，通过静态混合器在一次盐水中加入Na2SO3，还原去除盐水中的游离氯。因目前使用的离子膜要求上槽盐水的Ca2+、Mg2+含量要求低于2×10-8，因此要先处理粗盐中的相关杂质。

在盐水中加入碳酸钠、氢氧化钠溶液，使其分别和盐水中的Ca2+和Mg2+反应，生成CaCO3沉淀和Mg(OH)2。

为了保证将Ca2+和Mg2+除净，碳酸钠、氢氧化钠的加入量应超过反应理论需要量。

另外次氯酸钠中的ClO-具有强氧化性，能有效消除或减轻陶瓷膜面的污染。为了保证分解完全，次氯酸钠的加入量必须超过反应理论需要量。

为满足离子膜对盐水的质量要求，盐水车间送来的一次盐水经与氯气冷却器换热后需进入螯合树脂塔进行离子交换精制。

航锦氯碱原盐和精制盐组分含量如表1所示。

根据表1可知：原盐经过陶瓷膜工序及树脂塔工序处理后，盐水中Ca2+和Mg2+含量降低到满足离子膜要求范围。

表1 航锦氯碱原盐和精制盐组分含量Table 1 Component of raw salt and refined salt used in Hangjin Chlor-Alkali

过滤盐水温度控制在(60±2) ℃，主要原因是在该温度下既能保证螯合树脂不被破坏，又能保持螯合树脂较强的吸附能力。当离子交换树脂同盐水接触时, 其中盐水中的Ca2+、Mg2+取代树脂中不稳定的Na+，起到盐水精制的作用。离子交换树脂不溶于酸和碱,树脂的再生利用盐酸、碱液、纯水和工艺空气来实现,树脂塔的运行与再生由程序控制自动进行。

螯合树脂通过以下形式的螯合反应捕捉Ca2+和Mg2+。

吸附金属离子的螯合树脂定期依次利用一定浓度的盐酸和液碱进行再生，从而将吸附钙、镁离子的螯合树脂转变为“氢型”和“钠型”。“钠型”螯合树脂继续吸附钙、镁离子，起到精制一次盐水作用。

螯合树脂吸附金属离子的反应式为：

螯合树脂在酸液中再生的反应式为：

螯合树脂在碱液中再生的反应式为：

3.2 电解工序的精细化控制以及装置的更新

根据日常经验以及精细指标控制研究，电解槽高负荷，平稳状态下运行，液碱产量高，此时也最为经济；单槽碱质量分数控制在32.2%～32.4%之间，淡盐水质量浓度控制在190～220 g/L电解槽运行电耗为最佳。作为电解工序的主要运行设备电解槽，它本身的运行状态、槽框、使用的离子膜膜龄对电耗的影响也较大。

根据表2可以看出：随着膜龄、阴阳极网网龄增加，槽压呈现升高趋势。针对电解槽自身设备的问题定期对电解槽的离子膜进行更换以及电解槽膜极距改造是改善电解槽运行电耗的有效办法。目前电解槽零改周期为8年，换膜周期为4年。

表2 航锦氯碱离子膜电解槽全分析报告单Table 2 Total analysis report list of ion-exchange membrane electrolyzers in Hangjin Chlor-Alkali

3.3 蒸发段能耗降低意见

蒸发工序Ⅰ效蒸发器热源是经增湿之后的蒸汽，Ⅱ效热源是一效分离罐产生的二次蒸汽，Ⅲ效热源是二效分离罐产生的二次蒸汽。为了节约能源,提高蒸发效率，Ⅲ效、Ⅱ效分离罐采用在负压状态下操作。设置真空泵，维持其负压。同时，为了予热Ⅱ效、Ⅰ效进料碱液，设置板式换热器，以吸收成品液碱及蒸汽冷凝液的余热。目前设备自动化水平较低操作以人工为主，步骤复杂，因此在设备日常使用中，应加强对操作人员的技术培养，可有效提高设备的运行稳定性，保障低能耗的安全生产。

4 结语

离子膜烧碱工艺作为目前应用最广泛的一项制碱技术，为满足当前的节能减排需求，企业应切实有效地提高生产效率，降低能耗和成本，实现企业利益最大化，为氯碱企业可持续发展提供保障。