氯碱化工绿色低碳技术应用与发展

赵长森，袁 平，边伟康，童 刚，牛 强

（内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016064）

氯碱化工主要联产烧碱、PVC 两大基础化工产品，广泛应用于农业、食品、建筑、军工、交通等领域，在全球经济发展中具有举足轻重的地位。 中国是全球氯碱PVC 生产大国，产量占比约50%，其中国内PVC 工艺以煤炭-电石法为主，国外以石油-乙烯法为主。 中国“贫油少气富煤”的能源结构决定了国内乙烯法PVC 相较国外处于劣势，因此，电石法PVC 更符合中国实际国情，可有效缓解国家对于石油进口的依赖，降低能源安全风险。 同时，以塑代钢，以塑代木已成为行业发展趋势，中国作为消费大国， 近年人均PVC 消费尚不及发达国家的60%，市场仍具潜力。 以内蒙古为代表的西北地区基于独特的资源优势，是全国乃至全球电石法PVC 的成本洼地，是国内最适合的产业基地之一，地区总体产能达到全国的四分之一，全球的十分之一[1]。

自党的十八大以来，中共中央、国务院颁发《关于加快推进生态文明建设的意见》，将绿色发展、循环发展、 低碳发展作为建设生态文明的基本途径。其中，在双碳背景下，能源低碳转化是循环经济发展的重要组成部分，带有强烈的时代背景。 其中，工业的绿色低碳转型升级是可持续发展的必经之路，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系；促进能源高质量发展和经济社会发展全面绿色转型；科学有序地推动实现碳达峰、碳中和目标，为建设现代化经济体系提供保障。 氯碱化工的绿色低碳可持续发展面临着前所未有的机遇与挑战[2]。

1 绿色低碳关键问题

在国际国内绿色低碳双重背景下，氯碱化工问题聚焦在氯乙烯无汞化、新能源耦合、降碳新技术、三废循环利用、产品附加值提升上[3]。（1）无汞化。电石法氯乙烯转化采用含汞催化剂，《关于汞的水俣公约》规定了含汞催化剂退出节点，直接关系到产业生存与发展[4]；（2）新能源应用。 光伏/风电新能源与氯碱新老产业的耦合发展是实现源头控碳的重要路径，目前还处于初期摸索阶段；（3）烧碱节能降耗。 氯碱能耗绝大部分来自烧碱单元，缺乏对于原盐-电解槽作用机理以及配盐应用的基础研究[5]；（4）PVC 附加值提升。 PVC 树脂在塑料制品中附加值较低，且电石法PVC 价格不及乙烯法，特种PVC树脂以及电石法PVC 树脂提质的研究与应用迫在眉睫；（5）电石渣循环利用[6]。 氯碱产业副产大量电石渣，目前除杂机理及应用研究不深入，导致电石渣规模化循环利用不足；（6） 二氧化碳高效转化。适用于电石法氯碱产业的二氧化碳加氢转化技术是实现碳中和的重要手段，尚处于初级阶段。 这些问题严重制约氯碱产业的绿色低碳高质量发展。

2 绿色低碳技术进展

在国家及自治区战略背景下，鄂尔多斯电冶集团依托当地及周边丰富且高品质的煤炭、 石灰石、原盐、兰炭等矿产资源，建立并不断提升“石灰石-风光火储多能互补绿色智能独立电网-电石-烧碱/PVC-水泥/脱硫剂”的绿色低碳氯碱循环经济产业链能效水平，构成了上下游产品有序链接、多层次利用、转化增值的循环经济模式，具有显著的高运营效率、高能源利用率、高市场竞争力、高度节能环保的基础优势。 电冶集团现有石灰石产能510 万t/a，电石产能120 万t/a， 氯碱PVC 产能80 万t/a、 烧碱60 万t/a。

鄂尔多斯电冶集团氯碱化工在国家绿色低碳高质量发展的指引下， 长期致力于打造资源循环化、能源低碳化、生产自动化、工厂智能化、产业数字化的现代化新型氯碱化工产业，通过技术和管理持续改进，烧碱、PVC 能耗远低于国标先进值，绿色指数达到行业先进。 自主开发与合作引进了成熟可靠、行业先进的绿色、低碳工艺技术及设备，不仅在困扰氯碱行业的汞削减与无汞化、乙炔回收、废硫酸处理、电石渣利用、高盐水零排放、余热梯级利用等环保降碳问题上实现了技术升级， 还通过自动化、信息化、智能化平台建设，进一步提升了能源管控水平，取得了“绿色、节能、科学、高效”的运行效果。

2.1 绿色技术进展

（1）汞削减。 从“人、机、料、法、环、测”上持续技术攻关，延长汞触媒使用寿命，通过对用汞的精益管理，持续降低了汞触媒消耗（36.7 g/t PVC），达到国内一流水平，获得了“全球环境基金-中国聚氯乙烯生产汞削减及最小化示范项目”。

（2）无汞化。 电冶集团自2015 年成立了技术专项攻关组开展无汞催化技术的研发和工业应用，投资5 亿元， 实现了无汞催化生产技术的重大突破，解决了催化剂寿命短、副产物量大、诱导期长、黄金流失严重等一系列核心问题，建设了全球首家电石法PVC 无汞规模化工业生产示范工厂，获得了国家生态环境部固体废物与化学品管理技术中心的鉴定，对全球存量及增量PVC 产业做出了重要的探索和示范。

（3）电石渣利用。 电石渣全部就地资源化利用，年生产100 万t水泥、80 万t脱硫剂。 其中，利用窑头窑尾废气中的热量， 配套一台热风炉辅助补充热源，年生产脱硫剂80 万t，是国内最大的电石渣制脱硫剂生产装置，所有脱硫剂直接回用于电冶集团自有电力使用。 该装置生产工艺先进，实现了电石渣资源化高效利用， 减少了对于石灰石原生矿的开采。

（4）废硫酸处理。 工业应用了行业首台套乙炔废硫酸裂解循环利用技术，彻底解决了生产过程的废硫酸问题，实现了循环利用，节能环保效益显著，并在行业进行了推广。

（5）乙炔气回收。 工业应用了电石渣浆回收乙炔气技术、加料贮斗回收乙炔气技术、精馏尾气回收技术，改善了劳动作业环境，实现了乙炔气的高效回收利用，降低了单位PVC 的电石消耗，降耗增效显著。

（6）其他环保技术。 通过自主开发以及与行业先进单位合作， 工业应用了烧碱废硫酸提浓技术、高效电石破碎及除尘技术、电石粉尘密闭回用技术等，实现了工业“三废”的高效利用，同时也在不断迭代现有技术，促进生产作业环境的和谐友好。

2.2 低碳技术进展

（1）新能源利用。 首期与中国三峡新能源集团合作建设200 MW 光伏可再生能源替代示范工程项目，现已并网发电，所发绿电全部接入自有电力微网系统全额消纳， 用于烧碱单元制备 “绿碱”产品。 同时，落地了地区首个零碳无尘智慧物流示范项目，以自建光伏绿电项目为能源基础，将绿电转换为园区物流运输的新动力源，从绿电到电动重卡的“零碳物流”，全部用于氯碱化工原料与生产过程的短途运输， 每年可实现减少二氧化碳排放量3 万t以上。

（2）烧碱降碳。 搭建了模试装置，开展了电解机理、 原盐组分对离子膜和槽电压影响规律的研究，结合模试和生产数据分析，优化了实际生产中原盐掺配、盐水精制处理等工艺过程，使系统能耗远低于国标先进值，同时延长了离子膜使用寿命，降低了综合生产成本。

（3）高盐水低碳零排放。 构建了工业高盐废水与烧碱单元的耦合发展， 主要工艺采用反渗透提浓、纳滤分离一价二价盐、冷冻结晶、超级氧化技术，10%的淡盐水回用烧碱单元化盐，使高盐水无需大规模MVR 处理，大幅降低了能耗，实现了高盐水处理低碳零排放。

（4）产品碳增值。 对标乙烯法PVC，建立了“表征-分析-中试-工业化-下游应用-再验证-企标固化-稳定生产”的研究应用平台，树脂品质得到大幅提升，可在透明片材、树脂瓦及部分超透膜的使用上替代乙烯法PVC 树脂，增值空间大，还将进一步迭代提升树脂质量。

（5）余热梯级利用。 氯化氢合成采用三合一石墨合成炉，副产蒸汽压力达到0.45 MPa，直接应用并入系统低压蒸汽管线，送往各用汽装置，单台炉产蒸汽量达到3.8 t/h， 减少电厂送入蒸汽总量的40%；用VCM 转化热水进行溴化锂制冷，全年60%的时间无需使用离心机制冷。 并将蒸汽凝液直接加入合成炉，可增产蒸汽1.5 t/h；利用低品位热源（放散蒸汽、减温减压蒸汽等，90 ℃以上），采用ORC 有机朗肯循环实现发电，有机工质吸收余热生成具有一定温度压力的蒸汽进入透平机械膨胀做功，带动电机发电，不断循环。

（6）节水改造。 通过将冷却塔风机运行方式改为变频器控制避免冷却塔风机全负荷启动造成的不必要的水量蒸发， 对烧碱化盐系统进行改造，实现对外界处理后的高盐水进行二次利用，加大循环水换热温差，提高循环水浓缩倍数，乙炔发生回用检修废水及部分生产废水，机封水密闭回收技术应用，采用电磁除垢新技术实现循环水零外排等成套节水技术，实现年节水量50 万t以上。

（7）其他节能技术。 固碱四效降膜蒸发技术由串联的四组蒸发器组合构成，设备整个加热系统蒸汽加热均匀、料液为液膜式流动蒸发，具有传热效率高、加热时间短等特点。 多次循环利用二次蒸汽，可以有效降低设备的能耗， 减少蒸汽使用费用；真空程度较高，降低蒸发温度，部分二次蒸汽经过热压泵与生蒸汽的混合，节省较多的新鲜蒸汽。 同时，装置升级沸腾干燥床，蒸汽消耗0.37 t/t PVC，远低于行业先进值；并且对大型风机、给水泵采用了变频控制，运行能耗大幅降低。

2.3 信息化进展

（1）氯碱化工智能工厂建设。 定制化开发与工业应用MES 系统，与氯碱化工的深度融合，打通了离子膜烧碱-乙炔发生-氯乙烯转化-PVC 聚合各个工序的信息孤岛，显著提升了生产调度水平和能源管理水平，节能降耗达到2%；通过设备智能巡检系统定制化开发与工业应用，包含了氯碱化工80%以上的设备，实现了从计划检维修和事后检维修向预测性检维修的转变， 大大提高了设备运转效率，减少了非停2%， 显著提升了企业的生产稳定性和运营效率；全面打造了自动化、数字化、智能化工厂，已通过信息化系统实现了生产过程工艺控制系统智能化，开发和工业应用合成炉自动点火、发生器自动上料、VCM 一键换碱、水洗塔一键换水、一键切酸系统、尾冷一键切换、发生器一键排渣功能，降低了人员干预影响，提升了智能化水平。

（2）能源管理信息化平台建设。 基于物联网技术和大数据分析建成了能源管理信息化平台，具备数据采集-安装传感器和监测设备， 收集生产过程中的能源数据； 数据整合-将收集的数据传输至能源管理系统平台，进行数据清洗和整合；数据分析-利用能源管理系统平台进行数据分析，找出能源消耗的瓶颈和改进空间； 成果评估-通过对比历史数据和实时数据，评估能源管理系统的实施效果等多项功能，实现了提高能源利用效率、减少能源浪费、提高生产过程可控性、优化生产流程的效果。

3 绿色低碳技术发展规划

氯碱化工产业紧紧围绕着绿色低碳高质量发展主题， 将重点开展一系列关键技术的攻关与突破。 在绿色技术上，开展氯乙烯无汞成套技术、电石渣制活性氧化钙回用电石、二氯乙烷深度提纯等典型工艺技术的研发与产业化；在低碳技术上，重点开展光伏新能源耦合氯碱、 二氧化碳加氢制化学品、PVC 树脂附加值提升等典型工艺技术的研发与产业化， 加速实现氯碱产业的能源利用清洁化、生产制造智能化、产品结构精品化的可持续发展之路。

通过对设备智能化监测以及工艺智能化调整两大维度研发与应用，以数字孪生、智能仿真等信息化技术为核心驱动力， 实现对生产过程实时管控、仿真模拟、精准预测、智能优化，全力打造行业的数字化“灯塔工厂”，实现从信息化到局部智能化再到全面智能化的快速转变。

4 结语

《工业领域碳达峰实施方案》 明确了工业绿色低碳转型路径后，鄂尔多斯电冶集团一方面深入推进节能降碳，提高循环产业能源利用效率；另一方面推动产业结构优化升级， 大力发展绿色低碳产业，稳步实施“源头控碳、过程降碳、谋求碳增值，绿色循环经济”， 加速实现了绿色低碳高质量可持续发展。

氯碱化工作为鄂尔多斯电冶集团的拳头产业之一，践行国家和集团绿色低碳发展战略，坚持以科技创新和战略投资驱动产业升级，立足工业绿色低碳发展实际，结合碳达峰碳中和目标，建设无汞、新能源-氯碱耦合等更多的绿色低碳示范项目，同时加快数字化低碳解决方案的应用与推广，以期加快推进氯碱行业的绿色低碳转型。