氯碱生产装置节能挖潜途径探讨

(河南佰利联化学股份有限公司，河南焦作 454191)

氯碱化工是与国民经济发展紧密相关的基础化工行业，随着国内氯碱行业的快速发展，中国已成为世界氯碱大国，两大主营产品烧碱、聚氯乙烯的产能、产量已居世界之首。纵观氯碱工业发展历程，生产工艺装备的优化升级，采用节能新技术、新装备，助推氯碱工业可持续快速发展。

1 近年国内烧碱、聚氯乙烯发展情况

1.1 烧碱发展情况

我国烧碱生产历经苛化法、水银电解法、隔膜电解法、金属阳极隔膜法，及目前先进的离子膜法工艺。目前国内烧碱生产主要有离子膜法和隔膜法两种工艺，其中离子膜法占居主导地位，新建烧碱项目均采用离子膜法，这对烧碱产品结构优化升级和行业整体节能降耗水平提高具有很大促进作用。

近十年来，烧碱产能一直处于快速增长状态，2005年起我国烧碱产量超过美国，成为世界第一。2010年国内烧碱产能3 021万t，突破了3 000万t大关。其中离子膜碱产能2 547万t，占总产能的84.3%;隔膜碱产能 474 万 t，占总产能的 15.7%。随着新建、扩建离子膜生产装置的投产运行，2011年国内离子膜法烧碱产能将继续提高。2010年度全国生产烧碱2 087万t，同比增长12.8%。2000－2010年间国内烧碱供需情况见表1。

表1 2000～2010年国内烧碱供需情况

1.2 聚氯乙烯发展情况

十年间，中国聚氯乙烯产业获得了迅猛发展，产能和产量年均增长率分别超过了25%和20%。国内聚氯乙烯生产主要有电石乙炔法和石油乙烯法两种，由于我国特有的富煤少油资源结构，逐步形成了具有中国特色的以电石为原料路线的PVC产业。

表2 2000－2010年国内PVC供需情况

表3 近年国内PVC原料路线情况

2 国内烧碱、聚氯乙烯能耗技术指标

近年来，国家出台了一系列和氯碱行业相关的法规和政策，尤其是2010年出台了十余项政策，促进氯碱行业推广清洁生产技术。这些政策的出台，新技术新工艺的推广应用，极大地促进了烧碱、聚氯乙烯生产技术水平的提高和能耗的降低。表4、表5为近三年行业离子膜烧碱和PVC的能耗指标。

表4 近三年离子膜烧碱能耗技术指标

表5 近三年PVC能耗技术指标

3 国内氯碱装置已采取的节能措施与装备

作为氯碱产品供应大国，近年来我国氯碱工业取得了长足发展，其间伴随着离子膜电解槽、新型石墨合成炉、氯气透平压缩机、大型聚合釜等先进装置和技术的研发应用，使中国氯碱工业稳步向前发展。

3.1 离子膜电解槽

离子膜法生产烧碱是当今世界公认的最先进的制碱方法，具有能耗低、无污染、产品质量高、生产规模大、自动化程度高等优点。离子膜电解槽是离子膜制碱工艺的关键设备，与隔膜槽相比具有占地面积小、产品品质高、自动化程度高、运行电流密度高、减少了蒸发装置等优点。目前离子膜电解槽的发展趋势为复极式、自然循环、高电流密度和大型化。具有代表性的生产企业有日本旭化成、德国伍迪，以及我国蓝星(北京)化工机械有限公司等。

3.2 氯化氢合成炉

2000年以前，国内氯化氢合成大都采用夹套冷却式钢制炉或钢制蒸汽炉，结构不合理，单炉产率低，腐蚀严重，使用寿命短，反应热得不到有效利用，因腐蚀产生的三氯化铁使PVC生产管路堵塞，同时影响氯化氢或盐酸的质量。江苏南通星球石墨设备有限公司研发生产了新型二合一石墨氯化氢合成炉，目前已在多家氯碱企业应用。该装置具有工艺流程短、设备选材合理、使用寿命长、单套产量大、DCS控制手段先进、可远距离输送、氯化氢质量高、反应热利用率高等特点。

3.3 氯化氢合成余热利用

氯化氢合成余热一直是氯碱企业较为重视的一股热源，如果余热不能利用，不但会白白损失这些可观的副产热能，在运行中还要消耗大量电能［1］。2009年7月，国内首套全自控副产低压、中压蒸汽氯化氢石墨合成炉在浙江巨化股份有限公司成功应用。单台蒸汽炉在满负荷运行状态下，每天可产生1.2 MPa的中压副产蒸汽90 t，年可新增经济效益400万元。该装置的投运，不但可将副产蒸汽并入蒸汽管网用于生产，还能大大减少合成氯化氢过程中的循环水用量以及电耗。

3.4 高压液氯生产

氯气液化有高温高压法、中温中压法和低温低压法三种，不同制备方法电能消耗不同。高压法消耗的电能仅为低压法的一半，节能效果十分明显。而且氯气压力越高，氯气液化越容易。氯气压力上升至1 MPa以上时，普通的冷却水就可以实现氯气的相变化，根本不需要冷冻装置。随着高性能、高排出压力的氯气压缩机的问世，液氯生产过程采用高压法的企业越来越多。据了解，日本德山曹达就有单台氯气离心式压缩机出口压力达到1.2 MPa(G)，现在线运行中。

3.5 氯气输送大型透平压缩机

我国氯碱行业氯气输送设备原来主要为纳氏泵，一些新建或产能大于10万t/a的氯碱厂，正逐步用大型氯气透平压缩机取代纳氏泵。尽管透平机存在所要求的氯气水分低、一次性投资大等问题，但比起低效率、高能耗、维修频率高、费用大的纳氏泵，节能和效率是显而易见的。目前，几乎所有新上的氯碱项目，氯气的压缩输送均采用透平压缩机。国外的压缩机生产企业，如德国KKK集团生产的氯气透平压缩机，已被多家氯碱企业采用。

3.6 大型聚合釜成套技术

伴随着国内PVC生产技术的进步和发展，国内聚合釜已由20世纪初的以30 m3釜型为主发展到目前以70 m3釜型为主，近几年100 m3以上釜型也开始在多家企业使用。

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国产化大型PVC成套工艺技术在消化吸收国外先进技术的基础上已经形成独特的技术体系。目前国内具有代表性的大型聚合釜有无内冷却管的105 m3釜和120 m3釜，带有8根内冷却管的108m3釜，顶伸式搅拌的135 m3釜。聚合釜的大型化不仅仅是聚合釜体积的加大，而且是伴随着产品质量、生产效率、生产控制水平、安全环保可靠性的提高，以及消耗和成本的降低。如108 m3釜与70 m3聚合釜比较，PVC产品质量可接近乙烯法质量指标，生产过程安全节能，每吨产品电耗可降低100 kW·h，汽耗可降低100 kg，节能效果显著。

4 目前新发展的氯碱装置节能技术介绍

4.1 膜极距电解槽

随着离子膜烧碱生产技术的快速发展，离子膜电解槽在不断更新换代，目前已完成低电密—高电密—膜极距的过渡。膜极距电解槽具有槽电压低、电耗低的优势，是离子膜电解槽节能技术的发展方向［2］。膜极距电解槽相比普通离子膜电解槽节电90 kW·h/t烧碱以上。目前北京蓝星化工股份有限公司已成功开发出膜极距电解槽，已在河北冀衡化学股份有限公司和宁波东港电化有限责任公司运行，取得了良好效果。该技术可应用到老型电解槽的改造上。

4.2 氧阴极电解槽

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——离子膜电解槽上，世界主要氯碱工业国都在积极研究新型离子膜电解槽制备技术——氧阴极离子膜电解槽。氧阴极电解槽，以氧气电极还原反应代替氢析出还原反应，阴极不再有氢气析出，从而降低了各环节的电压，大大降低了电解电耗［3］。2010年5月10日，蓝星(北京)化工机械有限公司与北京化工大学联合，在国内首次开发出氧阴极(ODC)低槽电压离子膜法电解制烧碱技术，达到国际领先水平，是国际氯碱工业领域的重大技术突破，可使我国氯碱工业降低电耗30%，并建立了200 t/a新型氧阴极离子膜电解槽试验装置，将对我国氯碱工业的节能减排产生巨大推动作用。

4.3 干法乙炔技术

干法乙炔是相对于湿法乙炔发生用水量而言的。在干法乙炔工艺中，电石被稍过量的水(理论量为1 t电石需0.56 t水)分解，反应得到的电石渣是含水质量分数为4%～10%的干粉末。

目前国内主要有4家企业拥有干法乙炔技术:①由北京瑞思达化工设备有限公司和山东寿光新龙电化集团联合研发的干法乙炔技术;②深圳市冠恒通科技发展有限公司从日本金刚石公司引进的干法乙炔技术;③四川宜宾天原股份有限公司自主研发的于法乙炔技术;④四川成都新都凯兴科技有限公司开发的新技术。干法乙炔技术有效地解决了湿法乙炔生产过程中所产生的电石渣浆问题，节能、节水，减少了占地面积，节省了投资和运行费用，将是电石法聚氯乙烯行业实现清洁生产的重要措施之一［4］。

4.4 煤制乙炔技术

煤制乙炔是利用等离子体炬产生的高温等离子氢和煤粉进行化学反应，产生含乙炔的混合气体，经过分离和提浓，可得到高质量乙炔。采用该方法生产的乙炔用电消耗与煤制电石生产方法相比大幅降低、成本低廉、清洁高效，对环境污染小。在环境和资源问题越来越突出的今天，煤制乙炔在国际上已成为一个发展方向，南非等国家的技术处于世界领先地位，而中国涉足该领域的企业很少。

2001年，新疆天业集团与清华大学、复旦大学合作开发了拥有自主知识产权的等离子体裂解煤制乙炔技术;2006年建成一个最大炬功率2 MW的等离子体裂解煤制乙炔实验装置，年产乙炔1 600 t;2009年，新疆天业集团又建成了一个最大炬功率5MW的等离子体裂解煤制乙炔装置，可年产乙炔4 000 t，整套技术水平达到国际领先。

4.5 二氯乙烷和乙炔制氯乙烯技术

该技术采用二氯乙烷与乙炔直接一步法反应，代替目前普遍采用的氯化氢与乙炔通过氯化汞触媒反应的电石法工艺。该技术使用非汞催化剂，非汞催化重整一旦产业化，吨 PVC电石耗量可下降50%，极大地减少对原料电石的依赖，大幅降低产品成本，提高产品质量，而且完全消除汞污染，彻底解决电石法PVC产业汞污染这一世界难题。

目前德州实华化工有限公司与中科院上海高等研究院合作承担国家“973”课题——“乙炔二氯乙烷非汞催化重整制氯乙烯项目”，已取得突破性进展，筛选出了若干非汞催化剂，催化剂活性良好，具备了进行中试研究的各项条件。

5 氯碱生产过程中还具有节能潜力的环节

烧碱和聚氯乙烯树脂生产过程中，还有具有节能潜力的工序与环节未进行开发，如乙炔发生反应热、烧碱电解热等低品位余热的利用。

5.1 乙炔发生反应热利用

乙炔发生反应是一强烈的放热反应，以年产20万t聚氯乙烯装置计算，放出的热量约为6.4×107kJ/h，相当于每年排放23万t蒸汽。而乙炔生产过程中反应温度一般控制在80～90℃。温度太低，反应速度慢，溶于液相的饱和乙炔量较多，乙炔收率低，损失量大;温度太高，压力高，影响安全稳定生产。因此多余的热量需不断的移走，目前主要靠冷却塔带走热量，此部分热量未回收利用。

5.2 烧碱电解热利用

烧碱电解产生的成品烧碱、循环烧碱、湿氯气、湿氢气温度约85℃，目前烧碱采取循环水冷却降温，湿氯气、湿氢气直接去氯氢处理工序降温，热量未加以利用。以20万t烧碱装置计算，每年损失的热量相当于19万t蒸汽。

6 氯碱节能挖潜研究开发方向的建议

中国氯碱工业经过了60余年的发展历程，烧碱、聚氯乙烯两个重要产品无论是生产能力还是产量，均居世界首位。从长远来看，氯碱工业作为高耗能行业，要不断加大技术创新力度，大力开发和推广节能新工艺、新技术，充分利用高新技术改造提升传统氯碱工业，提高生产效率，促进产业升级，从氯碱生产大国向氯碱强国转变。要不断加强干法乙炔、膜极距电解槽在全行业的推广，密切关注烧碱离子膜电解槽氧阴极技术、新型制氯工艺，加大对以煤、天然气为原料制取烯烃等先进技术的发展与应用，提高氯碱行业能源利用率，研究开发氯碱装置低品位余热综合利用新技术，以自主创新节能技术助推氯碱行业可持续发展。

［1］王孝弟，冯 杰.首套全自控盐酸副产蒸汽炉投运［N］.中国化工报，2009－09－21(2).

［2］中国氯碱工业协会.中国烧碱和聚氯乙烯行业发展现状及2009年技术工作重点［J］.中国氯碱，2009，(1):4.

［3］蓝 蓝.节能型氧阴极离子膜电解槽技术取得重大突破［J］.中国化工信息，2010，(20):16.

［4］崔小明，聂 颖.干法乙炔生产技术的研究开发现状［J］.化工科技市场，2009，32(10):4－5.