氯碱企业节能降耗技术分析

宋培健 刘丙敏 李旬强

山东聊城 252211

随着经济的发展，市场对于化工产品的需求越来越高，我国氯碱产业一直保持着稳步增长的发展态势。氯碱企业的主要产品有烧碱、氯气、氢气等，是重要的基本化工原料，在工业、农业、化工、纺织、食品、建材、电力、冶金、军工等领域中应用非常广泛。国内一些企业为了获得更高的经济效益不断扩大产能，导致我国氯碱产业部分产品产能过剩、产品同质化现象严重，长此以往将会影响我国氯碱产业的健康发展。针对这一现象我国氯碱企业应结合市场发展趋势以及自身的实际情况对企业整体结构做出适当调整，在节能降耗技术研究方面有所突破，提高企业的资源利用效率和生产效率。

1 氯碱企业节能降耗的意义

氯碱工业在国民经济发展中发挥着非常重要的作用[1]。我国氯碱工业起步较晚，但多年来受到经济形势、下游产业需求等因素的影响一直保持着良好的发展态势，近几年我国烧碱（折100%）产量及同比增长对比见表1。

表1 近几年我国烧碱（折100%）产量及同比增长对比

氯碱的产业链涉及非常广泛，上游原料层主要有原盐、电石、焦炭等，中游产品层主要包括烧碱、氯气、聚氯乙烯等，下游则涉及到各行各业。在氯碱下游产业中氧化铝是烧碱消耗量最大的行业，而建筑、交通又是铝的消费大户，近些年我国大力发展城镇化建设，带动了以建筑、交通为主的烧碱终端产品市场需求的持续增长，据统计我国2021年烧碱的需求量达到了3754.47 万t，比上年增长5.96%，但与产量相比供大于求，一部分烧碱销往国际市场。

氯碱工业属于电化学工业，生产工艺主要有隔膜法、双电解池法、水银电解池法和离子交换膜法等几种，其中离子交换膜法为当前氯碱产业的主流工艺，在生产过程中会消耗大量的电能与资源，同时还会影响到生态环境，氯碱产业节能降耗已经被全社会所关注[2]。根据相关研究，在西方发达国家中总发电量的4%被用于以氯碱工业为代表的电化学工业，我国氯碱工业在电能消耗上也占据着重要位置。随着世界各国能源紧缺以及化工行业碳减排要求的提出，氯碱企业节能降耗的需求越来越高，规模化、绿色化、高效率是氯碱产业发展的新方向。目前我国已经跃居世界氯碱产业大国，中泰化学、新疆天业、镇洋化工、巨化公司等企业在行业内占据了主导地位，市场竞争也非常激烈，随着环保要求的提高，能够实现规模化生产、解决高能耗问题将是氯碱企业生存之本。

2 氯碱产业节能降耗技术

氯碱产业的高能耗问题已经受到全社会的关注，节能潜力非常大，对传统生产工艺进行改造，加快新技术、新工艺的研发、推广与应用，加速氯碱产业规模化、绿色化发展[3]。

2.1 氢气回收利用技术

在氯碱工业生产中会产生大量氢气，这些氢气除了供VCM 装置、盐酸合成、偏硅酸使用，剩余的部分氢气往往被排放到空气当中，将这部分氢气回收利用是节能降耗的有效途径。

2.1.1 氢气锅炉

氢气经过干燥、洁净处理后进行氢气锅炉的燃烧器，空气经过加压后进入氢气锅炉起到助燃的作用，在燃烧室内空气中的氧气与氢气充分燃烧，会产生大量高热能的烟气，加热锅炉内的脱氧水后产生大量饱和蒸汽，经过换热后的高温烟气从烟道排空，饱和蒸汽经过汽水分离后通过管道进入低压蒸汽管网，供氯碱生产系统内各装置的生产、保温使用，还能满足厂区内生活所需[4]。

氢气锅炉主要由锅炉主机、燃烧器、脱氧器、节能器以及风机等装置组成。很长一段时间内我国氢气锅炉依靠进口，商品价格与维修成本都比较高，目前在这一领域我国已经完全实现国产化，大大降低了氢气锅炉的使用成本。氢气锅炉的运行安全性非常高，氢气的压力控制、点火、燃烧等均实现自动化控制，燃烧过程中只生成水，完全不会影响到生态环境。比如柳化氯碱公司在对年产5万吨烧碱项目改造中安装了氢气锅炉，投入运行后每年可以节约1300 万元的蒸汽外网成本，仅需要半年就可以收回投资成本。

2.1.2 氢气燃料电池

在“双碳”战略背景下氢气作为一种清洁型能源受到社会关注，氢燃料电池的研发成功也为氢能源的有效利用开辟了一条宽广的道路。近年来我国相关部门也在氢能利用和燃料电池发展方面给予了政策支持，加快了氢能及燃料电池的研究。在氯碱企业中将剩余的氧气进行回收作为电池燃料使用，早在“十五”期间就已经被我国科技部列为电动汽车重点研发项目，但一直没有得到有效推广的主要原因是投入成本太高，企业的经济效益无法得到满足，目前一直处于研发阶段。如果能完成氢气燃料电池的技术攻关，电池产业链的上、中、下游都会受益，都会成为发展前景良好的蓝海市场。

2.2 高温湿氯气余热回收技术

氯气是氯碱产业中的副产品之一，在我国氯碱产业快速发展的过程中氯气的生成量不断增加。在电解工艺中生成的湿氯气携带着大量热量，温度能够达到80～90℃，需要通过降温才能进入下一道工序。电解工艺中使用的过滤盐水来自一次盐水工序，温度比较低，需要提前预热后才能进入电解槽。针对这种情况可以对设备进行改造，利用湿氯气中的热量对过滤盐水进行预热，既实现了对过滤盐水的预热，同时也达到了高温氯气降温的效果。以闰土公司年产16 万t 烧碱项目为例，每年可生产氯气14 万t，氯气总管温度为83℃，完成与一次盐水热交换之后温度降至68℃，盐水的温度升至50℃，经过成本核算后确定，每年节省蒸汽费达到了251.2 万元，节省电费达到20.6 万元，经济效益显著。

2.3 膜法脱硝浓盐回收技术

现阶段氯碱工业中普遍采用膜法脱硝技术，但是对于氯化钠起不到任何效果，会产生大量氯化钠浓盐水。有些企业采用冷冻工艺对氯化钠进行回收，但该工艺往往效果不佳，存在工艺复杂、运行成本高的弊端，因此近几年膜法脱硝浓盐回收技术得到快速推广，其工艺流程见图1。该回收系统与蒸发工序配合运用，可以实现整个处理系统零排放，浓盐废水中的氯化钠全部回收，不会对生态环境造成破坏，同时还为企业创造了可观的经济效益[5]。

图1 膜法脱硝浓盐回收系统流程图

2.4 氯化氢副产蒸汽合成炉的使用

氯化氢合成炉是利用氢气在氯气中剧烈燃烧而生成氯化氢气体的一种装置，氢气在氯气中燃烧的时候会产生大量的热，如果不能将这部分热量回收利用就会造成能源消耗。目前工业上应用比较多的方法是采用副产蒸汽合成炉，热量回收率和利用率较高。氯气和氢气的反应过程以及氯化氢的冷却过程都是在氯化氢副产蒸汽合成炉中一体化完成，采用循环冷却水进行冷却。合成炉的炉壁采用钢制夹套式，内部为耐腐蚀、耐高温的石墨筒体，冷却水从筒体下部外侧流过，合成炉的结构示意图见图2。合成炉安装有压力稳定装置，实时检测氯气和氢气的压力值，自动检测并调节气体流量，确保氯、氢反应正常。对氯化氢的吸收采用纯水，冷却水也采用纯水，将氯、氢反应生成的热量吸收后输送到生产系统内用热环节，比如氯碱生产中脱盐装置，实现高温蒸汽的回收利用。

图2 氯化氢副产蒸汽合成炉示意图

2.5 一次盐水精制中钙镁离子的去除

为了增强鳌合树脂塔的吸附能力和延长其使用寿命，氯碱企业会在鳌合树脂塔使用一段时间后进行再生清洗，清洗的费用一般由树脂塔的再生周期决定，而再生周期则取决于一次盐水中钙镁离子的浓度。在以往工艺中常常采用硫酸钠和氢氧化钠与钙镁离子反应，从而达到去除钙镁离子的目的。按照要求一次盐水中所含钙镁离子的质量分数不能超过，在经过二次盐水工序吸附之后钙镁离子质量分数不能超过。为了保证鳌合树脂塔的最佳再生周期，研究人员尝试在盐水中加入磷酸或磷酸钠，这样盐水中生成的磷酸钙与磷酸镁浓度变得更低，钙镁离子去除效果得到在幅度提升，从而延长了鳌合树脂塔的再生周期，为企业节约大量运营成本[6]。在具体操作中，一次盐水中的钙镁离子与硫酸钠、氢氧化钠反应后进行过滤，从而去除钙镁离子，继续在盐水中加入磷酸或磷酸钠，产生的磷酸根会与盐水中剩余的钙镁离子继续反应，然后再次进行过滤，可去除更多的钙镁离子，之后再送入鳌合树脂塔中进行精制。但需要注意磷酸或磷酸钠的添加量，一般将磷酸根质量分数控制在3 内，如果盐水中磷酸根过量将会影响到电解槽的使用寿命，

2.6 利用氯化氢制备氯气

在氯碱工业中主要产品是氯和碱，这两种产品基本保持一种平衡状态，但是近些年随着我国工业化发展，MDI、TDI、甲烷氯化物等涉氯产品需求量增加，导致出现烧碱产能过剩、氯气短缺的问题，但工业副产氯化氢的产量较高，据相关资料显示2021 年我国盐酸（氯化氢含量31%）的总产量为802.24 万t，因此许多氯碱企业开始通过氧化方法将氯化氢转化为氯气以满足市场对氯气的需求。目前我国有多家氯碱企业投资建成了氯化氢催化氧化制氯气工业化装置，比如上海氯碱化工通过自主研发建成千吨级氯化氢催化氧化制氯气中试装置，后来又经过持续改进优化，催化剂性能得到有效提升，氯化氢的转化率得到进一步提高，为后续年产10 万吨氯化氢催化氧化制氯气项目打下基础。烟台万华氯碱公司也引进了氯化氢催化氧化制氯气装置，目前应用效果良好。

3 结语

氯碱企业在国民经济发展中占有非常重要的地位，是化工工业的重要组成部分，目前我国氯碱产业在国际上位于前列。在当前“双碳”战略目标下如何有效节能降耗是氯碱行业绿色发展的必由之路，相关工作人员应高度重视氯碱企业节能降耗技术的研究，并积极学习国际上的先进理论，加快自主研发，以实现氯碱产业的经济效益与社会效益，推进氯碱行业与生态自然环境的和谐发展。