氯碱行业能源消耗现状及节能技术应用进展

李素改

（中国氯碱工业协会，天津 300192）

1 氯碱行业能源消耗现状

1.1 氯碱行业能源消耗现状及相关政策

中国氯碱工业经过80多年的发展，生产技术和装备水平不断提高，行业整体综合能耗水平也随之提高。中国“缺油、少气、富煤”的能源现状使中国氯碱形成了以烧碱和电石法聚氯乙烯为主要产品的产业结构。西部地区的大型煤电盐化一体化发展模式和东部地区的氯资源多次利用发展模式进一步提高了资源和能源的利用效率和产业集中度。

氯碱行业属能源密集型行业，主要体现在烧碱生产的电耗方面。根据烧碱产量和行业单位产品平均电耗估算，2013年全国烧碱耗交流电共计约665亿kW·h，约占全国总发电量1.27%。较高的能源消耗状态，提供了行业节能减排空间。

国家《节能减排“十二五”规划》提出，2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0.869 t标准煤（按2005年价格算），比2010年的1.034 t标准煤下降16%（比2005年的1.276t标准煤下降32%）。“十二五”期间，实现节约能源6.7亿t标准煤。主要节能指标中，对烧碱提出了较为具体的指标要求，单位产品烧碱（离子膜）综合能耗由2010年的351 kg标准煤/t下降到331 kg标准煤/t[1]。

为进一步适应促进节能减排，推动产业结构调整的有关要求，应国家发展改革委资源节约和环境保护司的要求，2013年，中国氯碱工业协会负责组织完成了 《烧碱单位产品能源消耗限额》（2007版）标准的重新修订及 《聚氯乙烯树脂单位产品能源消耗限额》标准的制定工作。新标准中，对新建装置单位产品能耗限额准入值提出了更加严格的要求。烧碱和聚氯乙烯两大主要产品的准入值均以行业先进值为基础，根据实际生产运行情况确定。两项标准已于2013年11月底，充分形成报批稿上报有关部委。

面对行业过快的产能增长及国家为实现节能减排和调整产业结构出台的一系列相关政策，氯碱行业节能减排压力巨大。

1.2 综合能耗情况

根据中国氯碱工业协会统计，2009-2013年（1-11月），30%的烧碱综合能耗情况见表1。

表1 2009-2013年（1-11月）30%烧碱综合能耗情况 单位：kgce/t

从表1可以看出：五年内通过产品结构调整和节能技术的推广应用，烧碱单位产品综合能耗呈现逐年递减的趋势，烧碱行业的节能降耗水平可以归纳为以下几个方面。

（1）2008年以后，隔膜法电解槽经过了普通阳极到扩张阳极+改性隔膜技术改造，加上一次盐水过滤技术的不断提高，使得烧碱单位产品综合能耗不断降低。但就目前情况来看，隔膜法烧碱能耗情况已经达到了一定水平，基本不再具有节能空间。

（2）2008年后，离子膜膜极距电解槽及二次盐水等相关节能技术的不断应用，节能降耗趋势比较明显，说明膜极距离子膜电解槽技术是一项非常节能的技术，应加大膜极距电解槽在全行业的应用和改造的推广力度。并期望更新的节能技术在未来行业的发展中发挥其应有的作用。如氧阴极电解制碱技术及氯化氢催化氧化制氯等氯的循环利用技术。

（3）隔膜法电解制烧碱技术逐渐退出市场，是烧碱平均单位产品综合能耗逐年降低的另一个重要因素。

2 氯碱行业节能技术应用情况

随着氯碱行业的快速发展，一些先进适用节能技术和装备得到很好的推广应用，促进了氯碱行业节能减排水平不断提高。

烧碱生产的核心设备电解槽经历了水银法电解槽、隔膜法电解槽及其节能的扩张阳极加改性隔膜电解槽，特别是离子膜法烧碱生产工艺逐步替代隔膜法生产工艺使得行业产品结构发生较大的变化，尤其是自2008年以来膜极距电解槽及其相关改造技术的不断应用，使烧碱行业整体综合能耗水平呈现逐年下降的趋势。特别是离子膜国产化的成功应用，将为中国氯碱工业的发展提供强有力的保障。

聚氯乙烯生产中的主要设备聚合釜技术发展经历了从 30 m3、70 m3到目前的 135 m3的大型聚合釜的转变，装置生产能力也由5 000 t/a台提高到67 000 t/a台；聚氯乙烯生产过程废弃物治理及综合利用、干法乙炔发生配套干法水泥生产技术、电石渣综合利用技术等有力地促进了电石法聚氯乙烯向大型化、清洁化方向发展；低汞触媒的推广和应用以及无汞触媒的研发对平衡我国能源需求结构产生了重要影响。下面列举几种较为典型的氯碱节能技术的应用实例。

2.1 新型高效节能膜极距离子膜电解槽技术

2008年以来，国内新建氯碱项目绝大部分都采用了膜极距离子膜电解制碱技术，该技术已成为烧碱行业节能减排取得重大进展的助力之一。北京蓝星化工股份有限公司通过自主研发的零极距NBZ-2.7电解槽，自2009年已经成功应用到国内氯碱企业，并取得了良好的效果。近几年在国内市场已经有了较高的占有率。该技术不仅适用于新建项目，而且还可以对原有的有极距电解槽改造成膜极距电解槽。国外公司如日本旭化成高电密零极距（NCZ）电解槽、伍德迪诺拉公司推出的超窄极距电解槽BM2.7、英国INEOS公司推出的Bichlor复极零极距电解槽以及日本氯工程研制的新型 “零极距”n-BiTAC电解槽在国内都有实际应用。

膜极距复极式离子膜电解槽是通过降低电解槽阴极侧溶液的电压降，从而达到节电效果。有极距电解槽阴阳极之间的极间距为1.8～2.2 mm，溶液电压降为200 mV左右。膜极距电解槽其主要原理是采用弹性阴极导电结构和柔性微网阴极，使阴极紧贴膜表面，阴极与阳极之间没有可压缩间隙，只有膜的厚度距离，最大限度地降低溶液电压降。另外，因极间距离比有极距电槽均匀，使得电流密度分布更均匀，槽电压也相应降低。膜极距电槽与传统的电解槽比较，从电解槽的结构、电极的材质、涂层的活性、电解性能等方面都有了很大的提高。当前行业最广泛使用的高电流密度电解槽中，膜极距电解槽节能优势更加明显，改造后单元槽槽电压比改造前可降低0.2V左右。根据电化当量公式计算，离子膜电解槽槽电压每降低0.1V，t碱可节电约Q=0.1×1 000/1.492×0.95=70 （kW·h）。

行业推广情况：2013年全国烧碱产能3850万t/a，其中离子膜法3 640万t/a，在离子膜法中膜极距产能约为1 500万t/a，还有大约2 140万t/a的产能需要改进，若全部改为膜极距电解槽，每年可节电能约 2 140×0.2×70=2.996 （亿kW·h/a）。

2.2 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，同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。基本原理为32%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效碱泵送到进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效蒸发罐后产生急剧蒸发浓缩，这时碱液浓度为50%。碱液温度约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就是最终的成品碱液。碱液浓度为50%，碱液温度为45℃以下。

目前，新上烧碱项目及现有离子膜烧碱蒸发系统改造项目，已经开始广泛应用三效逆流降膜蒸发工艺。以生产50%离子膜烧碱为例，三效逆流降膜碱蒸发技术较现有双效碱蒸发技术相比，t碱汽耗平均由约0.72 t降至约0.52 t。即生产1 t 50%的NaOH溶液可节约蒸汽约0.2 t；比单效碱蒸发技术节约的蒸汽量可达0.55～0.6 t/tNaOH。

2.3 聚氯乙烯70 m3聚合釜釜顶冷凝器改造技术

聚氯乙烯70 m3聚合釜釜顶冷凝器改造技术依据108 m3聚合釜的设计理念，对70 m3聚合釜本身进行改造，增加釜顶冷凝器，提高70 m3聚合釜单台釜利用率，从设备本身进行改造，提高设备的设计产能。VC聚合釜体外冷凝器均设置在设备顶部，冷凝器属列管式换热器，需垂直安装。釜内气相介质VCM进入釜顶冷凝器管程，被冷凝成液体，沿换热管内壁流回釜内，达到冷却目的，使物料的温度保持在工艺要求的范围内。这种冷却方式结合搅拌系统可将介质中绝大部分热量移出釜外，实现热交换，缩短聚合周期，从而进一步提高聚合釜的生产能力。

该技术适用于PVC装置聚合生产过程原有70 m3聚合釜釜顶冷凝器改造。据测算，釜顶冷凝器投用后，整套聚合生产系统利用率将有很大提高，在不增加原料的情况下，反应釜聚合效率可提高25%，吨PVC产品电耗可降低20%。

2.4 电石渣浆乙炔回收装置

乙炔气体在电石渣浆中的溶解度与温度和压力密切相关，利用乙炔在不用温度或压力条件下与水溶液两组分饱和蒸汽分压相差较大的物理性质，可采取对电石渣浆抽真空脱析工艺技术将电石渣浆中的乙炔气体进行脱析回用，即将电石渣浆送入一密闭的容器中进行抽真空、减压、将溶解在电石渣浆中的乙炔气体脱析出来，从而达到回收利用的目的。

投资和回收情况：以60万t/a聚氯乙烯生产装置为例，乙炔气回收装置项目建成投资需要1 800万元，10个月内共计回收乙炔1 212 180 m3，折合电石4 041 t（按300 L/kg发气量计），年节约电石4 849 t，节约折合标煤2 333 t；按电石市场均价3 150元核算，共计节约 1 527万元/a，14个月即可收回成本。

3 最新节能技术展望

3.1 氧阴极烧碱电解生产技术

氧阴极技术是近年来发展起来的一项新型电解技术。技术原理是以氧气还原反应代替氢析出的还原反应，由于阴极反应不同，阴极的理论分解电压也就不同。氧阴极比现行的普通阴极 （镍网+活性涂层）的电极电位降低了1.2 V左右，在相同电流密度的运行条件下，可以在理论上达到节能30%的效果。该技术适用于不需要氢气的工艺和场所，比如生产MDI或TDI等配套氯气生产系统，具有节电显著特点。目前，该项技术因其节能效果明显受到各有关部门及氯碱生产企业的关注。

蓝星（北京）化工机械有限公司和北京化工大学共同承担的 “氧阴极低槽电压离子膜电解制烧碱技术”，2013年5月，5万t/a氧阴极技术制烧碱工业化规模装置正式开车运行，并通过了中国石油和化学工业联合会组织的专家审查验收；2013年6月29日，项目通过了国家科技部的验收。为了进一步改进氧阴极技术，蓝星（北京）化工机械有限公司和北京化工大学合作，继续进行氧阴极技术的研究和改良工作，开发出具有更好性能效果的第二代氧阴极催化剂技术，这项技术能够提高氧阴极的催化效果，延长氧阴极的寿命，目前正在进行实验室放大实验，下一步将根据试验结果进行工业化试验。

伍德迪诺拉公司和滨化集团股份有限公司在山东滨州签订了8万t/a烧碱的盐水氧阴极电解制碱技术装置合同，项目一期4万t/a装置将于2015年下半年投产。

3.2 催化氧化制氯技术

催化氧化制氯技术是解决行业副产的大量氯化氢（或盐酸）无法有效利用的一项技术，同时也是实现氯在工业体系中循环利用、具有较大节能潜力的技术。

催化氧化法是在催化剂存在下，以空气或氧气作为氧化剂氧化HCl生成C12的方法，其化学方程式可表述为：4HCl（g）+O2=H2O+Cl2↑+114.48 kJ。 催化氧化法是目前最容易实现工业化的方法，具有代表性的催化氧化法主要有Deacon过程、MT–Chlor过程和Shell-Chlor过程等。催化氧化制氯在能耗方面具有较强竞争优势，因此越来越受到现代工业重视，随着不断加大研究投入和进行不同方法的尝试，使催化氧化制氯在工业化方面取得了显著进展。

2013年8月，华谊集团上海氯碱化工股份有限公司国内首套千t级氯化氢催化氧化制氯气（Deacon技术）装置投产，各项工艺参数均已达标，中国由此成为全球第二个拥有Deacon技术的国家。

3.3 二氯乙烷催化重整制取聚氯乙烯技术

二氯乙烷催化重整制取聚氯乙烯技术是以乙炔和二氯乙烷为原料，在一种全新的非汞催化剂作用下，通过催化重整制得氯乙烯。该工艺中乙炔和二氯乙烷以1∶1摩尔比合成氯乙烯，氯乙烯聚合生产聚氯乙烯。

该工艺与乙炔法相比省去了氯化氢的合成与精制工艺，采用了非汞催化剂；用二氯乙烷的消除反应，消耗了乙炔加成反应放出的大量热能。由于实现了能量的内部转换，反应能量变化温和，可大幅度提高反应强度，从而提高生产效率。

德州实华化工有限公司与中科易工（厦门）化学科技有限公司联合开发的姜钟法氯乙烯合成新工艺，已于2013年4月在中国石油和化学工业联合会的组织下完成了百t级中试试验专家鉴定，并在德州实华化工有限公司投产建成2 000-5 000 t/a的扩大中试试验装置，目前正在运行阶段。如该工艺在德州实华如期顺利完成生产示范线生产，并在运行稳定性、产品质量、能耗环保以及经济性等方面经过长期运行考核和论证后，在充分考虑二氯乙烷来源条件下，对西部地区部分电石法聚氯乙烯装置改造成无汞工艺具有较大支撑。

［1］国家《节能减排“十二五”规划》