离子膜烧碱企业节能环保与可持续发展探索

路 迪，董晓政

（甘肃北方三泰化工有限公司，甘肃 白银 730900）

在目前能源紧张，烧碱市场竞争激烈的情况下，氯碱企业面临新的机遇和挑战。最大限度地降低能源消耗、降低生产成本、增强企业的竞争力，成为企业目前的首要任务。在这种形势下，甘肃北方三泰化工有限公司（以下简称三泰公司）近年来持续开展技术创新，不断加强先进技术的应用，实施了氯碱生产线技术优化提升改造、5 万t/a 99%片碱、电解槽膜极距、循环水凉水塔节能、液碱蒸发二次蒸汽冷凝液回收等十余项重点技术改造项目。烧碱吨碱电耗由2 280 kW·h 下降至2 220 kW·h，吨碱产品综合成本较2016 年下降15%，保障了上下游产业链用氯需求，成功将国内全自动包装及机器人码垛生产装置应用于99%片碱生产，解决了99%片碱无法全自动包装的难题。生产线自动化、智能化、本质化安全水平大幅提升，确保企业长期健康发展。

1 离子膜烧碱生产工艺

化盐水进入化盐池与原盐接触，制得饱和粗盐水，依次加入烧碱、NaClO 溶液及碳酸钠溶液，除去盐水中的镁离子、菌藻类、腐殖酸等有机物及钙离子，成为一次精盐水。一次精盐水经过树脂塔进一步除去钙镁离子等杂质成为二次精制盐水。合格的二次精制盐水通过管线送到电解槽电解产生氯气、氢气、烧碱及含氯淡盐水。生成的湿氯气送到氯气处理系统，经过洗涤、冷却、干燥、压缩制成液氯。生成的湿氢气送到氢气处理系统，经过洗涤、压缩、冷却制得氢气。生成的烧碱除了一部分回到电解槽之外，其余经过冷却后送往烧碱罐区外售。含氯淡盐水则经过脱除游离氯后送回到盐水处理化盐。

2 离子膜烧碱生产节能措施

根据离子膜烧碱生产工艺特点，节能改造从节约水耗、电耗以及蒸汽消耗等3 方面进行，结合三泰公司生产实际，在节能降耗方面采取以下几项措施。

（1）进行膜极距改造，降低电耗

离子膜生产的主要能耗为电能消耗，电解槽耗电量占电能总消耗量的80%以上，因此，对电解槽新技术的应用是节能减碳的关键。自2016 年以来，结合氯碱行业膜极距电解槽技术发展情况，将1#、2#、3#等3 台普通高电密电解槽（电流密度4.5 kA/m2）通过减小电解单元的阴阳极间距（极距），降低电解槽阴极侧溶液电压降，改造为一代膜极距电解槽（电流密度5.0 kA/m2），电流密度由原来的4.5 kA/m2提高到5.0～5.5 kA/m2，单元槽数由原来的146 片增加到152 片。槽温88 ℃，阴极出槽碱浓度31.53%，单元槽电压为3.041 V，烧碱吨碱电耗下降126.77 kW·h，年创效益550 余万元。改造前后电解槽运行效果比较见表1。

表1 改造前后电解槽运行效果比较

2021 年大检修期间进一步完成了1#、3# 电解槽二代膜极距电解槽技术改造（电流密度5.5 kA/m2），通过更换阴、阳极极网和涂层，改造阳极循环堰板，运行电流密度5.5 kA/m2，通过新技术的应用，可有效降低电解槽电压。2020 年电解槽平均交流电耗为2 218 kW·h/t，预计实施改造后，电解槽平均交流电耗可降至2 210 kW·h/t 以下，年可节约电量120 万kW·h，预计年减碳量700 t CO2。

（2）循环水系统优化，降低水耗

生产线循环水系统的水源为协议公司输送的生消水，随着生产线产能的逐年增加以及系统在长周期运行过程中管线、板换的结垢现象日益加重，现有循环水系统已无法满足生产线高负荷运行的需求，为确保换热效果，系统补水置换量明显增加，运行效率下降，电能、水损耗较大。2021 年底完成循环水系统改造项目，新增反渗透装置，采用双极反渗透过滤工艺，利用反渗透膜的特性对生消水进行预处理，可除去水中绝大部分可溶性盐分，胶体，有机物及微生物，使二级出口的水质最终达到使用要求，提高循环水系统换热能力和换热效果，在满足生产线增加产能的同时可有效降低电耗及生消水消耗量，预计每年可节约生消水4.5 万t；预计年减碳量167 t CO2。

（3）生产线余热利用，降低蒸汽消耗

将盐酸合成中氯氢气燃烧热全部用于生产中压蒸汽（0.8 MPa），供液碱蒸发使用，减少外购中压蒸汽量（外购中压蒸汽为1.3 MPa 经减温减压后使用），如果在3 台合成炉满负荷生产工况下可以实现生产线蒸汽自给自足，月可增产副产蒸汽8 700 t，创效86 万元。

2016 年8 月4 万t/a 50%液碱扩能改造项目投产后，产生蒸汽冷凝液约8.5 t/h（32%液碱蒸出冷凝液5.6 t/h，生蒸汽冷凝液2.9 t/h），打破生产线用水平衡。若无法有效回收利用，只能排入废水系统，造成蒸汽冷凝液的浪费和生产废水的增加。通过对二次蒸汽冷凝液水质进行分析，冷凝液水质接近工业纯水，通过技术改造，将蒸发冷凝液回收，由冷凝液泵输送至电解工序替代纯水作为电解槽阴极补充水。解决了冷凝液外排导致生产废水增加的难题，同时工业纯水温度为常温（约20 ℃），加入电解槽时还需用蒸汽加热以保证电解槽槽温，而回收后的二次蒸汽冷凝液温度为60 ℃，补充电解槽阴极补水后无需蒸汽加热，减少了蒸汽消耗量。节约蒸汽量2 190 t/a，年创效益130.09 万元。同时在冷凝液输送管线上安装在线pH 值分析以及电导率分析仪，由DCS 盘面工实时监控蒸汽冷凝液水质状况，并将在线电导率分析仪分析数据与电解槽阴极补水进行联锁，提高电解槽蒸汽冷凝液用水的本质化安全水平。

实施蒸汽冷凝液替代工业纯水用于合成炉补水技术改造，将片碱工序产生的中压蒸汽冷凝液（约1.5 t/h）替代工业纯水用于盐酸合成炉副产蒸汽，在减少工业纯水用量的同时增加了中压蒸汽产量，由于蒸汽冷凝液作为合成炉补水与常温纯水相比温度较高，产生更多蒸汽，年节约成本63 万元。

氯水换热器的投用。2018 年实施盐水预热工艺改进，用高温湿氯气对一次盐水进行预热，根据实际测量，盐水温度由57 ℃上升到63.1 ℃，每小时节约低压蒸汽约1.5 t，同时送入氯气处理系统的氯气温度下降15 ℃，既降低了氯气处理系统的负荷，又节约了盐水加热蒸汽，年节创效益160 余万元，节能降耗效果明显。

（4）延长树脂塔再生时间，降低物耗

三泰公司根据二次盐水精制十几年运行状况，结合生产实际，根据生产负荷与树脂塔运行负荷，将树脂塔再生时间延长2 h，延长后，所用物料呈下降趋势，每小时节约烧碱0.036 t，盐酸0.093 t，纯水3.93 t，每年可节约109.47 万元。

同时，由于用水量减少，每小时废水量减少4.1 t，全年减少33 040 t 废水，该项目实施后，年节约110万元。

执行五个多月后，目前二次盐水指标稳定，Ca2++Mg2+最高14×10-9、最低1.5×10-9，符合工艺指标Ca2++Mg2+≤20×10-9要求。树脂塔延长再生周期后钙镁离子平均含量波动较小。

3 环保措施

当前，国家针对环保领域的管控越来越严格，新《环境保护法》、《固体废物污染环境防治法》 以及十九届四中全会都对环境保护工作提出了更高更严的要求，尤其是十九届四中全会提出要“实行最严格的生态环境保护制度”。能否做好环保工作直接关系到企业的生死存亡。三泰公司作为化工原料生产企业，主要污染物包括生产废水、氯气尾气、氯化氢尾气及一般固体废物盐泥和危险废物废润滑油、废螯合树脂，为达到环保管理的要求，公司坚持“今天的欠账就是明天的灾难”的环保理念，通过技术创新、管理创新、“赛马”机制等形成了全员参与、持续改善的环保工作模式。通过实施机封水回收利用、蒸汽冷凝液回收利用等技术创新项目和将生活污水全部用于绿化等措施，使得总废水外排量由“十三五” 初期的106 374.6 t/a 降至当前的30 993.8 t/a，下降了70.9%，废水排放量由1.23 m3/t 碱降至当前的0.28 m3/t 碱，下降了77%，为企业做大做强做优创造优良的环境。

（1）将膜法除硝工艺产生的副产物芒硝（十水硫酸钠）进一步提取浓缩加工成工业无水硫酸钠产品，最终实现芒硝废料全部回收利用，在减少芒硝处置费用的同时增加收入400 万元，达到了企业经济效益和生态环境效益双赢的局面。

（2）实施了电解、液碱蒸发、片碱等工序机泵机封水循环利用、液碱蒸发蒸汽冷凝液回收用于电解槽阴极液补水、循环水排污水循环利用等一系列技改技措项目，使得总废水外排量逐年下降，吨碱废水较氯碱行业指标下降了72%。

（3）针对电解工序HCl 气体污染环境和腐蚀设备的问题，完成了电解工序盐酸储罐排气孔改造，新增盐酸酸雾吸收塔，将盐酸储罐HCl 气全部吸收，解决了该罐HCl 尾气对周边设备的腐蚀问题。

（4）针对片碱制片机下料口结块堵塞和碱尘潮解挂壁影响片碱工序环境问题，在原有设备基础上加装片碱制片机除尘系统，使片碱制片机料仓潮气、碱尘和料仓结块问题得到了极大改善，现场作业环境得到了明显改善。

（5）原有合成炉A/B 氯化氢尾气从尾气吸收塔出来后直接排空，通过技术改造用碱液对合成炉氯化氢尾气进行循环吸收，确保HCl 尾气达标排放。

（6）2021 年新增外排废水COD、氨氮在线监测、合成炉氯化氢尾气浓度在线监测、事故氯尾气浓度在线监测、片碱天然气燃烧尾气在线监测设备，确保废气达标排放。

下一步，三泰公司围绕做大做强氯碱化工产业新机遇、新任务，在环保减排工作方面再挖潜，力争在“十四五”期间实现总废水外排量再下降10%。并结合新建40 万t/a氯碱项目，探索盐泥综合开发利用的途径，利用盐泥溶解、洗涤等技术，消除固废盐泥的环保风险；另一方面公司将从源头入手，严把原盐质量关，降低工业盐杂质含量；更新板框式压滤机，选择压滤效果更好，自控水平高的隔膜式压滤机，减少盐泥中水含量，从而减少盐泥产生量。

4 可持续发展

（1）片碱项目的成功上线，增强市场竞争力

2019 年，面对国内烧碱销售价格持续下滑，三泰公司实施了5 万t/a 99%片状氢氧化钠生产线建设项目，有效破解了企业生产运营瓶颈，形成液碱与固碱多元销售局面，增强市场竞争力。并成功将国内全自动包装及机器人码垛生产装置应用于99%片碱生产。生产线自动化、智能化、本质化安全水平大幅提升，企业可持续发展能力不断增强。同时公司积极开拓以国内为主、出口为辅的固碱销售市场，不断扩大烧碱产品市场份额，实现企业利益最大化，提升企业竞争力。

（2）氯碱-PVC 实现联产优化产业结构

三泰公司氯碱生产线是银光集团聚氨酯产业发展的重要配套生产线，设计烧碱产能10 万t/a。生产的氯气、氢气等主要供聚银公司TDI（甲苯二异氰酸酯）生产装置作为原料使用，配套TDI 产能10 万t/a。聚银公司TDI 生产线副产的氯化氢气体输送PVC装置生产聚氯乙烯（配套12 万t/a PVC），形成氯碱—TDI—PVC 产业链模式，属典型的循环经济产业链。但因各装置设计运行时间不同（TDI 生产线7 200 h/a；氯碱及PVC 生产线8 000 h/a），存在氯碱、PVC 装置产能发挥不充分的问题。

为此，三泰公司在2020 年实施氯化氢系统优化改造，新建2 套氯化氢合成炉，并一次性开车成功。实现了氯碱-PVC 联动生产，在TDI 装置检修期间可向PVC 装置输送氯化氢气体9.8 t/h，满足12 万t/a PVC 装置的氯化氢需求。保证PVC、氯碱生产线高负荷生产，充分发挥了氯碱、PVC 产业链协同效应，优化了产业结构，释放了氯碱、PVC 产能，为企业高质量发展奠定坚实基础。同时将氯化氢合成过程产生的热量有效利用，每日副产中压蒸汽二百余吨。

为充分释放产业链各装置产能，三泰公司采用新型副产蒸汽二合一氯化氢合成炉，配套全自动远程点火系统及远程视频监护看火，以氯气和氢气为原料，合成氯化氢气体输送PVC 装置，实现氯碱—PVC 装置联动生产，打通了氯碱-TDI-PVC 循环产业链。彻底解决了产业链配套模式存在各装置产能发挥不充分，及TDI 生产线检修或单线运行时氯碱、PVC 生产线需降负荷运行的问题，并对该装置产生的各类废水全部回收用于化盐，减少了生产废水排放量，使公司生产线的产能及潜能得到了充分发挥。

5 结语

三泰公司将进一步学习和消化吸收先进企业的管理经验，关注离子膜烧碱生产技术发展动态，及时引进吸收生产成本低、自动化和本质化安全水平高的新工艺、新设备、新材料，并结合公司生产实际对先进技术进行转化和提升，最终实现可持续发展。