氯碱生产企业节能降碳有效路径

唐 俊，周文斌，龚 玮

（浙江镇洋发展股份有限公司，浙江 宁波 315800）

在“碳达峰，碳中和”背景下，国内产业政策对氯碱行业发展的调控和限制措施日益严格，包括落后产能淘汰、清洁生产、安全、环保等各方面政策调整，国家相继发布了《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》、《关于发布〈高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021 年版）〉 的通知》、《关于发布〈高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022 年版）〉的通知》等，其中《烧碱行业节能降碳改造升级实施指南》中提出，当前烧碱行业存在装备水平和原料电耗相似但用能存在较大差异、余热利用不足等问题，节能降碳改造升级潜力较大。推荐烧碱企业加快成熟工艺的普及推广，有序推动改造升级，其中一项为绿色技术工艺：推动离子膜法烧碱装置进行膜极距离子膜电解槽改造升级，实现氯碱生产企业节能降碳。

近年来离子膜电解法成为了主流烧碱工艺技术，此工艺具有产品纯度高、设备投资小、占地面积小、可持续稳定生产、单台产能大等优点。在此基础上发展起来的零极距电解槽，阴阳极极板与离子膜之间的距离几乎为零，减小了极距的电解槽可有效降低电解槽阴极侧的电压降，达到降低能耗的目的[1，2]。对于氯碱生产企业来说，在最大限度保留现有厂房和生产设备的基础上，对耗能核心装置——电解槽进行升级换代，在提升电解槽电流密度的同时降低烧碱单位产品的能耗，无疑是一条可行的节能降碳有效路径。

1 电槽改造前基本情况

浙江镇洋发展股份有限公司（以下简称“浙江镇洋”）原有2 台旧电槽于2000 年10 月投运，最初为低电密自然循环标准型复极槽（旭化成NCS 型），每台电槽140 片单元槽，每个单元槽有效面积2.7 m2，运行电流密度4 kA/m2。

在2013 年，因城市发展公司停产搬迁，委托蓝星北化机公司对这2 台电槽进行零极距改造，改造内容为：阳极气液分离盒增加除沫器、阳极室增加进液分布管、阳极室上半部分增加消波挡板、阴极室增加弹性网及面网。经过改造后的NCS 电槽（以下简称 “NCS-Z 电槽”），于2013 年7 月开车成功。因NCS 单元槽的构造与NCH 有区别，所以改造后的NCS-Z 零极距单元槽气液分离效果和NCH 仍有一定差距，为了安全稳定运行，将电解槽运行电流控制在13 kA 以下。投运后的电解槽电压下降明显、达到了增产降耗的目的。

至2022 年2 月，这2 台电槽虽然一直处于稳定运行状态，从安全性的角度，已远超厂方保证的安全运行年限，有必要对其进行升级换代，从技术性的角度，虽中间有进行零极距改造，毕竟是20 年前的技术，与目前先进的电解槽技术相比有一定差距，也有必要对其进行升级。在2012 年搬迁时已考虑了今后的升级换代，在电解槽供电变压器的选择上采用了满足高电密运行的变压器。

2 对旧电槽更新换代的设想和选择

这2 台NCS-Z 电槽为浙江镇洋Ⅱ期电解系统，公司近年有意向将其进行更新换代。升级换代的方向以用零极距高电密的NCH-Z 单元槽替换NCS-Z单元槽为主。初步的方案为在原有框架的基础上替换成运行电流更高、运行电压较NCS-Z 更低、涂层均匀稳定的单元槽，并通过增大相关管道尺寸来适应高电密电解槽的运行。由于近两年疫情和市场环境的影响，更新换代项目一直没有提上日程。2 021 年底，公司确定了年度大修时间为2022 年2月中旬，同时这2 台电槽的更新换代项目也被临时加入到大修技措技改项目表中。

2.1 新电解槽的选择

该项目中，新单元槽的选择是一项很重要的工作。首先，由于项目确定时间较晚，留给这2 台NCS-Z 电槽更新换代的时间有限；其次，从技术层面看，国内外都有符合高电密运行、电压更低、运行稳定的电槽，选择余地相对较大；由于本次更换的项目除了单元槽外还有8 根电槽进出口总管、系统总管与电槽相连的液相支管，系统总管与电槽相连的气相支管、阀门等部件需要更换，所以需要综合考虑采购及项目实际实施的配合。此次装置的更新换代，不仅需要供应商具有先进的技术设备，同时需要其具有丰富的安装经验和项目施工建设经验，综合以上因素与各供应商沟通后，选择了蓝星北化机为合作单位，此次改造选用其NBZ-2.7（Ⅱ）型离子膜电解槽。

2.2 蓝星北化机NBZ-2.7（Ⅱ）型离子膜电解槽技术特点

（1）电解槽技术特点：NBZ-2.7（Ⅱ）型膜极距离子膜电解槽，是在早期零极距电解槽基础上，进行技术创新后形成的新一代产品，其通过对内部循环和气液分离结构的优化，使电解槽的内部传质传热效果更佳，通过对阴极弹性体的匹配性设计、阴极电极强度和组装工艺的改善，达到改善其与离子膜的接触状态以及电极表面的气液流通效果的目的。

（2）电极技术特点：此次选用的电解槽所用电极采用了蓝星北化机公司性能最优异的新一代电极产品。蓝星北化机最新研发的单原子催化析氢阴极使用了单原子催化技术，在一定程度上起到了抗逆反电流的作用。有数据显示新一代阴极的过电位更低，且经多个逆电周期涂层残留量更高，失重更少，有效保护涂层不受劣化，成功克服了停车后逆反电流对电极造成的伤害，在一定程度上避免极化整流器初始投资费用和运转成本增大，操作繁琐的问题。

综合以上技术的NBZ-2.7（Ⅱ）型电解槽，更加适合在更高电流密度下运行，在行业内已广泛应用，技术性能稳定可靠，非常符合浙江镇洋此次设备更新换代的技术需求。

3 NCS-Z 更新换代项目实施方案概述

确定项目施工开始时间为公司大修的开始时间，因公司计划大修时间为10 天，所以第9 天需要完成相关管道与系统连接的工作，确保Ⅱ期电解系统正常开车，在系统开车后的8 天里陆续将这2 台电槽成功开车。具体安排见表1。

表1 NCS-Z更新换代项目实施方案

4 项目实施过程中面临的困难和解决方法

4.1 面临的困难

（1）疫情原因厂方不能到厂

因为是在原有框架上更新换代，电槽固定头和侧板位置已经不能移动，系统各总管位置也已经确定。像原有侧板长度、活动头到中间固定头的最远距离、侧板到出口总管固定支架的距离等关键数据需要现场确定，与原有管道对接的工作也需要现场测量。但因为疫情原因，出行限制，所以厂家没有条件委派专业工程人员过来确定。

（2）实际管道焊接工期紧张

因升级的电槽与系统一起停车，在停车后还需要先将原来的电槽进出口总管吊出，然后把新的电槽进出口总管安装完毕，槽头相关影响新配管的老管道要进行切割，在这个基础上确定槽头配管的位置，然后才能进行焊接工作，所以实际管道焊接工期十分紧张。

（3）新配管路无法按常规进行清洗吹扫试压试漏。

（4）同一系统中有不同槽型的电槽导致操作规程的不同，增加了操作上的复杂性和不可控因素。这套系统有3 种槽型，即北化机最新一代NBZ-2.7（Ⅱ）型高电密自然循环复极式膜极距电解槽，旭化成原高电密电槽NCH 零极距化改造的电槽以及旭化成原装的零极距电槽NCHZ。电槽都配有极化整流器，还有部分配有中央断路器。虽然单元槽有较好的兼容性，但在操作细节上还是有一定的差别，同一系统中有不同槽型的电槽导致操作规程的不同，增加了操作上的复杂性和不可控因素。

4.2 解决方法

（1）因时制宜，由线下确认转为线上沟通，厂方提供图纸和所需数据清单，项目组成员进行实地测量。通过视频会议、微信工作群、电话等形式深入沟通，最终完成确定单元槽数量、管道阀门供货清单、施工方案等工作，充分做好了前期准备工作。

（2）项目组和蓝星北化机紧密联系配合。升级换代2 台电解槽，蓝星北化机除电槽及相关配套离子膜、配管、阀门、电气外，还涉及相应管道焊接、和项目施工安装。因大修时间为10 天，前期的总管更换需要花费几天时间，为保证系统能按时开车，项目组和蓝星北化机双方不断确认安装材料清单及制定缜密外采、供货、施工组织计划以确保按期完工。项目组首先委托蓝星北化机将阀前槽头气液相配管（槽头阀门到电槽总管部分）作为标准件，在蓝星北化机工厂焊接制作，现场只要将这些标准管道进行安装就可以；其次，在阀后的管道焊接过程中合理分配管段次序，先将与系统相连的管道焊接并试压试漏吹扫完毕，接下去再焊其中一台电槽管道。正值春节期间，蓝星北化机按照前期制定计划，所供设备及人员合同签订后25 天后陆续达到现场。

（3）采用现场预制的管路先进行焊缝检测，吹扫清洗后再与系统最后焊接，系统管路需焊接开口的都进行打磨后先吹扫再焊接。

（4）通过提前与供方的技术交流，预先确定了保留极化整流器，取消中央断路器的基本方案，开停车过程属于DCS 控制的部分按照供方的技术要求修改程序和参数，现场手动操作部分，对照北化机电槽的操作规程和原有的操作规程，兼顾长期操作的习惯做适当修改，做到系统统一。并在开车前按规定进行操作规程的学习培训。

通过这几个措施，保证了Ⅱ期电解系统按时开车，也加快了项目进度。

5 单元槽升级换代后运行数据

5.1 单元槽升级换代后折标电压计算

最终NBZ-2.7（Ⅱ）型高电密自然循环复极式膜极距电解槽，分别于2022 年3 月7 日（B 槽）和3 月10 日（A 槽）先后投入运行。A 槽共148 个电解单元，B 槽共146 个电解单元，配套使用旭硝子公司的F-9010 离子膜。选取2022 年3 月18 日的运行数据进行5.5 kA/m2折标电压计算。

A 槽运行数据平均值见表2。

表2 A槽运行数据平均值

其中，修订电压根据如下公式进行计算：

V修订值=[（V测量值-2.42）-KT（90-T阴极液）+Kc（32-C阴极液）]×λ1÷λ2+2.42=2.827（V）

B 槽运行数据平均值见表3。

表3 B槽运行数据平均值

其中，修订电压根据如下公式进行计算：

V修订值=[（V测量值-2.42）-KT（90-T阴极液）+Kc（32-C阴极液）]×λ1÷λ2+2.42=2.827（V）

5.2 单元槽升级换代后实际吨碱直流电耗计算

选取2022 年3 月18 日的运行数据，初期电流效率按96.5%计，通过吨碱直流电耗公式进行计算：

A 槽直流电耗=（V平均电压×1 000）/（1.492×0.965）=（2.957×1 000）/（1.492×0.965）=2 054（kW·h/t）

B 槽直流电耗=（V平均电压×1 000）/（1.492×0.965）=（2.958×1 000）/（1.492×0.965）=2 054（kW·h/t）

6 改造前后产能及电耗对比分析

6.1 单元槽升级换代前后产能对比

在A/B 换代前，A/B 实际运行最大负荷12.8 kA，各有140 片单元槽，初期电流效率按96.5%计。

则A/B小时产能=（1.492×12.8×280×96.5）/100 000=5.16（t），若年运行时间以340 天计，则

A/B 年产能=5.16×340×24=4.21（万t）。

在A/B 换代后，A/B 实际运行最大负荷16.2 kA，共有294 片单元槽，初期电流效率按96.5%计。

则A/B小时产能=（1.492×16.2×294×96.5）/100 000=6.86（t），若年运行时间以340 天计，则

A/B 年产能=6.86×340×24=5.6（万t）。

单元槽升级换代前和更换后产能变化情况参见表4。

表4 单元槽升级换代前后产能变化情况

综上，升级换代后产能可增加1.39 万t，产能提升幅度达到33%。

6.2 单元槽升级换代前后折标电压对比

单元槽升级换代前电压情况如下。

选取2022 年2 月10 日的运行数据，进行5.5kA/m2折标电压计算。

更换前A 槽运行数据平均值如下。

表5 更换到A槽运行据据平均值

更换前B 槽运行数据平均值如下：

表6 更换到B槽运行数据平均值

对比本文5.1 节单元槽升级换代后的数据：

A 槽平均电压变化=2.827-2.925=-0.098（V），降低98 mV。

B 槽平均电压变化=2.827-2.954=-0.127（V），降低127 mV。

6.3 单元槽升级换代前后实际吨碱直流电耗对比

单元槽升级换代前吨碱直流电耗情况如下。

选取2022 年2 月10 日的运行数据，在A/B 升级前原有离子膜已运行21 个月，离子膜原始电流效率按96.5%计，电流效率按每月下降0.1 计，则2 月份的电流效率为94.4%，通过吨碱直流电耗公式进行计算：

单元槽升级换代前A 槽直流电耗=（V平均电压×1 000）/（1.492×0.944）=（2.953×1 000）/（1.492×0.944）=2 097（kW·h/t）

单元槽升级换代前B 槽直流电耗=（V平均电压×1 000）/（1.492×0.944）=（2.971×1 000）/（1.492×0.944）=2 109（kW·h/t）

对比本文5.2 节单元槽升级换代后的数据，见表7。

表7 升级换代后单元槽数据

综上，在提高33%产量的情况下，A 槽直流电耗升级前后降低=2 097-2 054=43（kW·h/t），B 槽直流电耗升级前后降低=2 109-2 054=55（kW·h/t）。

6 结语

本次单元槽升级换代在保持原有框架的基础上进行，用较短的时间完成升级换代工作，通过升级新电极单元槽的方法，配合公司错峰运行的环境，达到预期的经济效果。在项目的实施过程中也遇到了一些困难，在各方的努力下旧电槽装置在18 天内完成了更新换代，实施过程也可以给同行提供一些参考。