氯碱企业节能降耗技术分析

2023-01-03陈敏湖南化工设计院有限公司湖南长沙410007

化工管理 2022年5期

陈敏(湖南化工设计院有限公司，湖南长沙 410007)

0 引言

近年来市场对于化工产品的需求量越来越大，烧碱、氯气等作为基础大宗化工原料用量也在稳步增长。各大氯碱企业纷纷加大了投资扩建产能，目前国内氯碱企业总体产能过剩，氯碱产品的质量和性能差异较小，企业间同质化竞争日趋加剧，企业面临的竞争压力越来越大，一些企业亏损严重。

为了更好地生存和发展，氯碱行业积极顺应国家经济发展方向，紧跟市场需求，进行产业转型升级。除了通过科技创新增加新产品外，提高能效、降低能耗也是氯碱企业提升市场竞争力的重要手段。

从现阶段我国化工市场的整体发展形势来看，多数氯碱生产企业已经意识到了其生产中存在的主要问题，开始结合实际情况，不断对整体结构进行调整，顺应时代发展，响应国家号召，在企业生产过程中，不断主动进行节能降耗技术的研究。过去一段时间氯碱生产企业在进行资源配置时，主要是以扩大规模为核心，然后再结合实际情况对产业链进行合理调整。而目前我国多数氯碱生产企业已经开始探寻新型的循环节能模式，比如一体化的循环节能模式，目的是在保证企业生产效率的基础之上实现节能降耗，并促进经济发展[1]。文章将结合实际情况介绍几种目前我国氯碱生产企业中普遍应用的节能降耗技术，并对其进行详细分析。

1 氯碱工业节能降耗的必要性分析

氯碱工业是化学工业的重要组成部分，其产品应用范围相对较广，不仅是化工行业的基础原材料，还广泛应用于建材、交通、电气、冶金、纺织、食品、包装、日用化工等及诸多领域。因此，可以说氯碱工业在我国社会发展过程中起到至关重要的作用。虽然相对于部分西方发达国家来说，我国现代化氯碱工业起步相对较晚，但是氯碱工业在我国的发展也已经历经了上百年，其主要采用隔膜法以及离子交换膜法两种生产工艺[2]。从现阶段的整体技术来看，虽然这两种工艺的性质不同，但都是需要通过电解进行，因此氯碱工业的生产需要消耗大量电能。氯碱行业不但耗能高，在实际生产过程当中也会消耗大量的物资，且会造成环境污染[3]。

节能减排发展绿色产业已经成为了现阶段我国全社会所关注的焦点，也是我国政府相关部门大力倡导的发展方式，氯碱行业作为高能耗高污染行业，其在发展过程当中必须积极响应国家号召，结合实际情况采取相应措施，在保证生产效率的基础之上，推行清洁生产，实现节能降耗，同时还需要降低生产成本，提高企业整体经济收益，实现可持续发展[4]。从现阶段的氯碱行业整体发展形势来看，其主要的发展目标就是在安全环保的双重压力下提升经济收益，这需要管理阶层具有一定的市场敏锐度以及宏观观察力，用发展的眼光去看待氯碱行业的整体发展趋势，并综合考虑各企业的实际发展情况，提出具有规模性的系统的企业发展模式，保证其具有一定的针对性以及可行性。氯碱企业在企业实际发展过程当中，需要对于水资源、电资源以及蒸汽能耗等资源进行节约，不断结合实际情况，创新相应技术，使有限的资源发挥出更大的价值，进而提高资源利用率。

2 氯碱生产中的节能降耗技术

2.1 湿氯气热量回收

(1)技术背景。湿氯气从电解槽内出来后，其温度较高，达到80～90 ℃，不宜直接进入下一工序，因此需要对其进行降温处理。而过滤盐水由于其来自一次盐水工序，因此温度相对较低，需要采取相应措施对其进行预热，然后进入电解槽。可以通过将湿氯气与过滤盐水进行换热的方式实现对湿氯气的降温以及对过滤盐水的预热。

(2)工艺简介。为一次盐水工序送来的过滤盐水能够与湿氯气进行换热，需要在氯气主管电解出口处设置一台肽列管换热器。过滤盐水与湿氯气在肽列管换热器内进行逆流换热，其中过滤盐水走壳程低进高出，湿氯气走管程高进低出。

2.2 膜脱硝浓缩液中氯化钠的回收

(1)技术背景。我国传统氯碱企业在生产过程中采用的是钡法除硝，不但运行费用高且对环境的破坏较为严重，因此目前我国多数氯碱企业已经摒弃了这种方式，使用膜法脱硝装置。该膜对氯化钠没有截流能力，因此如果排放浓缩液，会浪费大量原盐。针对这一问题，目前我国多数企业采用冷冻工艺对氯化钠进行回收，但冷冻法施工流程较为复杂且运行成本高，最好的解决办法是增加一套浓缩液后处理装置。

(2)工艺简介。将膜法脱硝装置得到的浓缩盐水与蒸发的弱碱性纯水进行混合，并通过静态混合器使混合均匀，对于剩余杂质，需要通过保安过滤器对其进行过滤，将盐水送入浓缩盐水配水罐[5]。通过进料泵进入膜法除硝装置，过滤单元，将盐水分离为渗透液和浓缩液，将浓缩液送出外界，而渗透液回收氯化钠。

2.3 氯化氢合成炉副产蒸汽

(1)技术背景。氯气和氢气在氯化氢合成炉中进行剧烈的放热反应，为提高能源利用率，可以采取相应措施对这部分热量回收利用，传统方式是通过副产热水对其进行回收，但是相对来说利用率低，现阶段多数工业采用副产蒸汽合成炉，相对来说，其对热量的回收率和利用率更高。

(2)工艺简介。经过缓冲罐和稳压阀后，将氯气和氢气的压力稳定在设定值，并将其送入合成炉进行燃烧反应。自动检测氢气与氯气的流量，并通过比例调节器对其进行自动跟踪调节，保证氯化氢气体的氯氢配比，对其进行三级吸收。以纯水为吸收剂，吸收31%高纯酸盐，用纯水冷却合成炉夹套高温区，将氯化氢合成热吸收。

2.4 蒸汽冷凝水回收

(1)技术背景。在烧碱生产中，蒸汽是加热盐水和碱液的热源介质，能产生较高质量的蒸汽冷凝水，部分氯碱企业直接将蒸汽冷凝水排入地沟，造成大量浪费，事实上可以将其送入脱盐水装置，从而实现回收利用。

(2)工艺简介。通过管道将换热器冷凝水传输至蒸汽冷凝水收集槽，将蒸汽冷凝水通过泵送至脱盐水装置。

2.5 浓水回收

(1)技术背景。反渗透工艺是现阶段我国多数氯碱企业常用的脱盐技术，其主要优势就是效率相对较高，且对环境的污染较低，因此应用范围相对较广。但是其在实际应用过程当中，会产生25%的浓水排放，对水资源造成较大浪费[6]。针对这些问题可以采用反渗透浓水回用技术，相对来说其施工工艺较为便捷且投资较低，不但能够大大提高水资源的利用率，还能够降低水资源消耗。

(2)工艺简介。利用反渗透浓水的压力，将其引入浓水回收装置，然后对其进行脱盐，再回收浓水，引入原水箱。该冷水壶用装置不需要耗电，且不需要加压泵，只需要将专利膜设备与反渗透装置放在模架上，反洗系统共用脱盐水装置，不需要增加水箱，将反渗透浓水直接过滤。回收水的整体性能较原水更好，循环到水处理系统后，能够将原水的品质进行提高，并降低了反渗透膜的负担，能够将膜的使用寿命延长至3～5年。

2.6 氢气的回收利用

2.6.1 氢气锅炉

(1)技术背景。盐酸的生产过程危险性较高，容易因为操作失误而发生安全事故，因此需要相关工作人员对盐酸的生产过程有全面的了解和深刻的认知，严格按照规定的流程进行生产，根据实际需求合理控制氢气与氯气的比例。在盐酸的实际生产过程当中，企业需要结合实际情况降低生产成本，这大大限制了企业的实际发展与盐酸的生产效率。为提高生产效率并降低生产成本，目前我国部分企业开始逐渐在原有的生产技艺的基础之上，引入天然气转化装置。天然气转化装置的主要优势就是可以提高氢气的纯净性并降低其成本，使氢气和氯气进行化学反应，从而生产盐酸。这种生产方式能够在保证盐酸生产效率以及最终盐酸质量的基础之上，最大程度地降低生产成本，提高经济收益，同时对水资源进行了合理利用，实现了节能降耗。燃烧氢气会产生水蒸气，水蒸气不但不会对环境造成污染，而且还能够投入使用。盐酸的生产过程中需要大量蒸汽，部分企业选择从国外进口氢气锅炉。虽然氢气锅炉的应用具有一定优势，但是在实际的实践过程中仍然存在部分缺陷，氢气锅炉的购买以及维修的成本相对较高，增加了企业的生产成本。目前，我国已经生产出了完全国产化的氢气锅炉系统，大大降低了企业的生产成本，并提高了能源的应用效率。

(2)工艺简介。氢气经过氯碱装置的氢处理工序后，被通过管道送入预处理系统，预处理系统对氢气进行处理后，再将其送入氢气锅炉底部的燃烧器，燃烧氢气产生的热量能够加热进入锅炉内列管中的除氧水。通过锅炉顶部的颅外汽水分离罐将生成的蒸汽送入厂区低压蒸汽管网，其就能够被应用到氯碱生产、保温以及生活当中。

2.6.2 氢气燃料电池

(1)技术背景。氢气燃料电池的节能环保性能相对更强，因为其可以回收氯碱企业的富余氢气，因此现阶段国际上较多的化工企业都在研究将氢气燃料电池用于氯碱行业。现阶段氢气燃料电池难以应用于氯碱行业的主要原因就是相对来说其投入成本较高，一旦在氯碱行业内引入氢气燃料电池的应用，会大幅度提高生产成本，无法保证企业整体经济效益。目前欧洲部分企业已经开始将阿克苏诺贝尔公司与Nedstadck合作开发的氢气燃料电池发电装置应用于生产模式中，其效果相对较好。

(2)工艺简介。2 MW的氢气燃料电池需要部分空气和1 300 m3/h氢气，副产热能1.4 MW，温度为65～70 ℃，可应用于盐水预热。

2.7 一次盐水精制中磷酸盐的应用

(1)技术背景。将碳酸钠和氢氧化钠为机制系在一次盐水工序与钙镁离子反应，从而除去钙镁离子，延长电解槽使用寿命，需要注意的是，一次盐水中的钙镁离子质量分数不能超过1×10-6，通过螯合树脂塔在二次盐水工序对其进行吸附，进一步降低钙镁离子质量分数，使其低于2×10-8。为保证树脂的吸附能力，需要再生清洗螯合树脂塔。树脂塔的再生费用主要取决于其再生周期，树脂塔的再生周期主要取决于一次盐水钙镁离子浓度。为缩短螯合树脂塔再生周期，目前我国多家氯碱企业相关人员针对这一问题进行了深入研究，发现可以将磷酸盐加入盐水中，相对来说磷酸钙以及磷酸镁的容积更低，因此可以降低钙镁离子浓度。只要钙镁离子浓度降低就可以大幅度延长螯合树脂塔的再生周期并降低其运行负荷。

(2)工艺简介。钙镁离子在一次盐水中与碳酸钠和氢氧化钠发生反应，过滤器对发生反应后的钙镁离子进行过滤，在后续反应器内加入磷酸或磷酸钠，其会与盐水中剩余的微量钙镁离子继续反应，再次通过过滤器对其进行过滤，然后送入螯合树脂塔精制。磷酸根过量会对电解槽电压造成一定影响，因此需要对其进行合理控制，保证磷酸根过量质量分数不超过3×10-5。

2.8 氯化氢催化氧化制氯气

(1)技术背景。近年来我国MDI、TDI、甲烷氯化物等涉氯产品不断扩产，工业副产氯化氢的总量已经接近了400万吨/年，未来5年预计总量将会达到500万吨/年，大量副产HCI的销路和利用成为了制约众多行业发展的主要原因。想要解决这一问题，需要通过相应措施实现氯元素循环和反应过程的零排放，将氯化氢直接转化为氯气进行利用。氯化氢催化氧化制氯气技术大大降低了能耗，因此现阶段被氯碱行业相关企业重点关注。我国的烟台万华氯碱有限责任公司在宁波采用引进技术建成的HCI催化氧化制氯气工业化装置；上海氯碱化工股份有限公司自主研发了氯化氢催化氧化制氯气千吨级中试装置。从目前的情况来看，其应用效果相对较好。

(2)工艺简介。氯化氢催化氧化制氯气技术主要就是采取相应措施，使氯化氢通过催化剂与氧气的共同作用，使其氧化为氯气和水，Deacon过程、Shell法和日本住友的技术是现阶段的主要代表技术。在催化剂的作用下，氯化氢和氧气会被预热，然后进入固定床或流化床反应器发生氧化，从而生产氯气。