燒堿裝置能源優(yōu)化研究及應用

王學東

（昆明云能化工有限公司，云南 安寧 650300）

昆明云能化工有限公司于2016 年5 月24 日掛牌成立（以下簡稱昆能化工或公司），2016 年6 月1日起開始獨立運營， 是云南能源投資集團有限責任公司下設的三級子公司。 公司現(xiàn)有一套10 萬t/a 離子膜燒堿生產(chǎn)裝置及一套10 萬t/a 聚氯乙烯生產(chǎn)裝置，于2006 年3 月投產(chǎn)運行至今。

2004 年昆能化工建設“雙十”項目時，全國燒堿產(chǎn)能約800 萬t/a，到2021 年全國燒堿產(chǎn)能約4 000 萬t/a，產(chǎn)能及產(chǎn)量增長約5 倍。 燒堿產(chǎn)能、產(chǎn)量居世界首位，已成為名副其實的氯堿生產(chǎn)大國。氯堿行業(yè)作為重要的基礎化工原材料行業(yè)， 是傳統(tǒng)的高耗能行業(yè)，在當前市場競爭日益激烈的環(huán)境下，低碳發(fā)展、節(jié)能減排、提高能源效率和產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整是行業(yè)“十四五”可持續(xù)發(fā)展的重要課題[1]。

與此同時，燒堿生產(chǎn)的節(jié)能新技術，新裝備，新工藝等也日益成熟， 在行業(yè)內(nèi)新建裝置和改造裝置中廣泛應用。

云能化工技術管理團隊積極開展裝置“節(jié)能降耗、挖潛增效”技術改造工作，2021 年實現(xiàn)裝置的能效指標達到同行業(yè)的先進水平。

1 燒堿10 萬t/a 原裝置慨況

燒堿裝置包括一次鹽水工序、電解工序（包含二次鹽水精制、淡鹽水脫氯）、氯氫處理工序（包含廢氣處理）、50%堿蒸發(fā)工序、液氯工序、氯化氫合成工序等。其中一次鹽水工序采用鋇法脫硝工藝；電解工序采用北化機公司ZMBCH-2.7 型高電流密度電解槽，共6 臺，運行電流密度4.5 kA/m2，每噸燒堿直流電耗性能保證值為2 153.00 kW·h，單臺電解槽產(chǎn)能1.67 萬t/a，整流變一拖二形式；氯氣輸送機采用意大利納氏泵；蒸發(fā)工序采用瑞士博特三效蒸發(fā)技術；氯化氫合成采用4 臺熱水合成爐工藝技術。

2 存在的問題

2.1 直流電耗高

昆能化工2004 年建設的燒堿裝置的核心設備電解槽為ZMBCH-2.7 型高電流密度電解槽， 運行電流密度4.5 kA/m2，膜電流效率≥94%時，噸燒堿直流電耗≤2 153.00 kW·h（性能保證值）。

對標行業(yè)新電解槽節(jié)能技術，采用膜極距技術，運行電流密度4.5 kA/m2時， 膜電流效率≥94%時，噸燒堿直流電耗≤2 030.00 kW·h（性能保證值）。

若采用新的電槽節(jié)能技術， 噸燒堿直流電耗可降低123.00 kW·h。

2.2 交流電耗高

原整流系統(tǒng)已運行十多年，設備老化，控制技術落后，變電效率為93%。

對標同行業(yè)平均值96%，低3%，導致交流電耗比同行業(yè)平均水平高3%（約68 kW·h/t 100%NaOH），增加了企業(yè)運行的成本。

2.3 能源回收效率低

燒堿裝置運行時產(chǎn)生大量的氫氣，除少部分氫氣用于生產(chǎn)鹽酸外，剩余大部分的富氫氣（約2 000 m3/h、純度為99%）被全部排放，既浪費了能源又增加了生產(chǎn)成本； 配備燃燒富氫氣鍋爐系統(tǒng)將多余的氫氣充分燃燒產(chǎn)生蒸汽滿足燒堿裝置生產(chǎn)工藝的需求十分必要。多余的氫氣充分利用以后不僅帶來了可觀的經(jīng)濟效益， 而且氫氣燃燒后的尾氣排放不會對環(huán)境造成任何影響，回收的熱量可降低熱能利用成本，增加效益。

2.4 氯化氫合成爐自動化程度低

公司氯化氫合成工序配套4 臺氯化氫合成熱水爐用于生產(chǎn)氯化氫氣體，滿足10 萬t PVC 裝置用氯化氫氣體，工業(yè)鹽酸和食品級鹽酸要求。氯化氫合成過程中產(chǎn)生的大量熱量通過循環(huán)冷卻水移出， 經(jīng)過涼水塔冷卻后再循環(huán)使用，造成熱源浪費，增加了生產(chǎn)成本。另外氯化氫合成爐采用點火棒點火，人工抱膠管連接的方式非常危險， 氫氣在封閉的爐腔內(nèi)極易產(chǎn)生爆炸事故。

對標燒堿清潔生產(chǎn)技術， 采用先進的副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐替代熱水爐。

2.5 氯氣壓縮機電耗及維修成本高

公司氯氣壓縮機為兩臺納氏泵氯氣壓縮機，壓縮機組最大處理氯氣能力為每臺6.6 萬t/a，氯氣壓縮機設計氯氣輸送能力2 328 m3/h，現(xiàn)已運行10 年，目前單臺氯氣壓縮機處理能力只能達到5.2 萬t/a， 處理氯氣的能力下降，電耗高，且維修成本高。

對標行業(yè)，逐步淘汰低效的納氏泵壓縮技術。

2.6 堿蒸發(fā)工序的二次冷凝水未能高效利用

原10 萬t/a 50%堿蒸發(fā)工序引進瑞士博特三效逆流蒸發(fā)技術， 產(chǎn)生的含堿的二次蒸汽冷凝水設計是回收送一次鹽水工序作化鹽補充水利用。 實際生產(chǎn)運行過程中，一是這部分水含堿，導致一次鹽水過堿量控制超標； 二是全部送一次鹽水工序作化鹽水導致燒堿裝置水不平衡，需將多余的工藝水外排；經(jīng)研究，50%堿蒸發(fā)工序使用的設備、管道等均為不銹鋼材質(zhì)， 產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝水中的金屬離子雜質(zhì)為微量，除pH 值偏高外，其余指標與純水指標應相近或優(yōu)于純水指標， 將這部分水送電解作為陰極液補充水，可減少純水的用量，做到這部分回收的水高效高質(zhì)利用。

3 改造措施

3.1 高密度電解槽膜極距改造

經(jīng)過技術調(diào)研及與膜極距技術提供商的考察交流，昆能化工2004 年建設的燒堿裝置的核心設備電解槽為ZMBCH-2.7 型高電流密度電解槽， 對標行業(yè)新電解槽節(jié)能技術，實施膜極距技術改造，改造費用約480 萬元。 全部改造完成后約一年零2 個月可收回投資。經(jīng)公司研究決定，總體規(guī)劃，分步實施，即根據(jù)電槽換離子膜的周期， 同步實施電槽膜極距改造工作。 至2018 年3 月全部電槽膜極距改造完成。 改造前后指標對比見表1。

6 臺電槽進行膜極距改造后， 電槽的節(jié)能效果達到改造目標要求， 由于膜極距技術提供商的技術不斷進步，后期實施改造的效果比前期的效果更好。

采用新的電槽節(jié)能技術后，噸燒堿直流電耗可降低103.00 kW·h， 噸堿降低電費成本41.2 元/t，10 萬t/a 燒堿可增效412 萬元。

3.2 整流系統(tǒng)變電效率提升

表1 電解槽改造前后性能指標對照表

3.2.1 改造目標改造前燒堿整流系統(tǒng)運行變電效率低（運行正常后保持在93%左右）。 變電損耗大，且整套整流控制設備控制元件已經(jīng)更新?lián)Q代，備件難采購。改造后的目標是整流控制系統(tǒng)在控制合理的情況下變電效率可維持在96%以上，自然功率因數(shù)在0.92 以上。

3.2.2 引入閥側同步技術

同步電源是整個控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖的重要且唯一的參考點， 其同步電源的準確性是保證系統(tǒng)發(fā)出脈沖準確性的可靠依據(jù)。引入閥側同步電源后，就完全避免了整流變壓器的移相角誤差， 也可以避免理論同步角度和實際電網(wǎng)電位的誤差角度。

3.2.3 采用軟件鎖相環(huán)技術優(yōu)化控制方案

由于電力系統(tǒng)電網(wǎng)的特殊性， 其工況運行是動態(tài)的， 也就是說， 電力系統(tǒng)的電壓和頻率在不斷變化，如果采用固定的晶振頻率進行相位分割，必定會造成因電網(wǎng)頻率變化而無法準確發(fā)出與電網(wǎng)電位一致的脈沖。 采用軟件鎖相環(huán)技術，根據(jù)電網(wǎng)變化，準確跟蹤相應的電位的變化而同步做出相應的調(diào)整，從而使控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖角度與電網(wǎng)的電位角度相對應。

3.2.4 采用集成回路增強控制系統(tǒng)的抗干擾能力

由于現(xiàn)場系統(tǒng)處于強電場和磁場中， 存在比較大的干擾。 而且這種干擾不可測量和預先模擬。 因此，采用目前最先進的集成化電路，大大增強了抗干擾能力，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和準確性。

3.2.5 采用優(yōu)質(zhì)脈沖觸發(fā)器提升元件一致性觸發(fā)

在保證脈沖觸發(fā)功率的同時， 還需要保證可靠的觸發(fā)陡度，從而保證晶閘管觸發(fā)的可靠性。采用優(yōu)質(zhì)的脈沖觸發(fā)器，能保證元件的一致性觸發(fā)，而且大大改善整流柜的脈沖觸發(fā)的一致性（即均流效果）。

據(jù)此，重點側重于整流控制系統(tǒng)的改造，優(yōu)化控制，保證整流控制脈沖的一致性，對稱性，可靠性。改造后， 由于系統(tǒng)的控制脈沖得到了完全的優(yōu)化和對應，明顯地減少了整流系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生，提高了整流系統(tǒng)自然功率因素和變電效率。

3.2.6 能耗及經(jīng)濟效益分析

6 臺整流柜控制系統(tǒng)改造后， 變電效率從改造前的93%提升到96%以上，自然功率因數(shù)也從原來的0.88 提升到了0.92，從投運至今運行穩(wěn)定，變電效率也一直維持在96%以上。

如噸燒堿直流電耗為2 050.00 kW·h，變電效率為93%，則交流電耗為2 204 kW·h，若變電效率提高到96%，則交流電耗為2 135 kW·h，降低噸堿交流電耗68 kW·h （電價按0.40/kW·h 計）。項目實施后整流變電效率提升至96.2%左右，經(jīng)過經(jīng)濟測算得出，10 萬t燒堿產(chǎn)量每年可節(jié)約成本約272.2 萬元。

3.3 富余氫氣綜合利用

因液氯市場的需求增加，增加液氯商品量，富余氫氣增加，氫氣放空300～1 400 m3/h。 為了綜合利用這部分放空的氫氣， 公司對富余氫的綜合利用進行廣泛的調(diào)研與論證。

3.3.1 項目前期工作

調(diào)研論證為氫氣以氣態(tài)形式作為燃料或原料，在長距離輸送分配方面存在一定困難。因此，氫氣用量較大的用戶一般建有制氫裝置。

（1）云南省內(nèi)氫主要用于香料加工、浮法玻璃等領域，氫氣需提純、加壓、建充裝站等，用束罐車運輸，省內(nèi)市場只需約100 m3/h。 氫氣不能全部利用，不建議采用該方案。

（2）氫用于生產(chǎn)過氧化氫（雙氧水）技術成熟，生產(chǎn)工藝較復雜， 蒽醌法生產(chǎn)過氧化氫是危險化工生產(chǎn)過程，所用的原料氫氣和重芳烴是易燃、易爆的危險物料； 產(chǎn)品過氧化氫有很強的氧化性和在一定條件下分解，它們在生產(chǎn)、使用、貯存和運輸過程中安全要求高。 雖然云南每年對雙氧水的需求缺口5 萬t～10 萬t，但因項目投資高，氫氣量因液氯市場的波動而波動，投資風險較高，不建議采用該方案。

（3）氫用于生產(chǎn)燃料電池及氫氣發(fā)電站。目前市場不太成熟，應用量還未起步。

（4）氫氣鍋爐在氯堿生產(chǎn)中得到成功運用，技術成熟、經(jīng)濟效益較好，蒸汽用于鹽水和燒堿加溫需要蒸汽，解決大量放空氫氣存在危險源等矛盾。燃氫鍋爐雖然氫氣利用附加價值較低，但項目投資較少，風險較小，項目見效快，建議采用該方案。

3.3.2 項目實施

根據(jù)燒堿裝置具有的連續(xù)性和穩(wěn)定性特點，有利于燃氫鍋爐系統(tǒng)的正常運轉。 根據(jù)燒堿裝置富氫氣量，新建一臺全自動無人值守的額定蒸發(fā)量為6 t/h 的燃氫氣鍋爐（項目投資約320 萬元），每小時副產(chǎn)蒸汽1.0～6.0 t。

3.3.3 實施后的效果

項目于2017 年8 月投入運行，根據(jù)液氯市場的需求變化，燃氫鍋爐平均每小時生產(chǎn)1.0～2.0 t 低壓或中壓蒸汽，供燒堿裝置一次鹽水或50%堿蒸發(fā)裝置使用， 年均生產(chǎn)回收約10 000 t 的低壓或中壓蒸汽，達到富氫資源綜合利用的預期效果。

3.4 氯化氫合成爐升級改造

3.4.1 改造的必要性

氯化氫合成工序配套4 臺氯化氫合成熱水爐用于生產(chǎn)氯化氫氣體， 滿足10 萬t/a PVC 裝置用氯化氫氣體，工業(yè)鹽酸和食品級鹽酸要求。氯化氫合成過程中產(chǎn)生的大量熱量通過循環(huán)冷卻水移出， 經(jīng)過涼水塔冷卻后再循環(huán)使用。

近幾年氯化氫工藝技術及氯化氫合成爐設備技術的發(fā)展， 氯化氫合成采用自動點火和副產(chǎn)蒸汽合成爐的應用也逐步成熟可靠， 已作為氯堿生產(chǎn)新建裝置必選的工藝技術。 按照燒堿清潔生產(chǎn)技術規(guī)范要求，國家都要求對原熱水爐進行更新改造。

對標燒堿清潔生產(chǎn)技術， 采用先進的副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐替代熱水爐。

10萬t/a 燒堿配套10 萬t/a PVC 裝置及附屬鹽酸裝置，所需氯化氫量，可生產(chǎn)6.0～7.0 t/h 的0.4 MPa低壓蒸汽。

3.4.2 項目方案的確定與實施

結合企業(yè)的實際情況， 利用氯化氫余熱副產(chǎn)蒸汽項目比利用氯化氫余熱制冷項目產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更大， 同時也提升了氯化氫合成爐的自動化控制水平，因此氯化氫余熱利用項目采用副產(chǎn)低壓蒸汽，擬按更新3 臺設計產(chǎn)能為150 t/d 的副產(chǎn)蒸汽合成爐替代現(xiàn)有的1#、2#和3#氯化氫熱水合成爐。項目總體規(guī)劃，分步實施。 于2017 年完成2#爐，2018 年完成1# 爐，2020 年完成3# 的更新提質(zhì)改造工作，項目總投資約1 500 萬元。

3.4.3 經(jīng)濟效益

項目完全實施后，每小時副產(chǎn)0.45 MPa 的飽和蒸汽，實際5.0～6.5 t/h，全年副產(chǎn)蒸汽約47 520 t，副產(chǎn)蒸汽以180 元/t 計， 全年節(jié)約成本即增加效益約855 萬元，預計兩年收回投資。

3.5 氯氣壓縮機改造為透平機

3.5.1 改造方案與實施

納氏泵氯氣壓縮機現(xiàn)已運行十年，目前單臺處理能力只能達到5.2 萬t/a，機組額定功率為280 kW，可實際運行功率大約為330 kW，長期處于過載狀態(tài)。 目前氯氣壓縮機處理氯氣的能力明顯下降，電耗高，且維修成本高。從行業(yè)技術交流，氯氣透平機從運行狀況來看，能耗低，維修成本低，操作相對簡便。 根據(jù)公司減虧控虧要求， 改造主要從氯壓機節(jié)能方面考慮，在不影響生產(chǎn)能力的情況下，降低電耗，節(jié)約成本。

綜合考慮，新增兩臺氯氣透平機，按6 萬t/a 燒堿產(chǎn)量匹配（正常2 200 m3/h，最大2 710 m3/h），新壓縮機安裝后，根據(jù)燒堿裝置運行負荷，氯氣處理主要運行氯氣透平機，當裝置滿負荷運行，而氯氣透平機故障時， 可考慮啟動其中1 臺氯氣壓縮機和完好的透平機運行，3 臺設備開2 備1 可滿足燒堿系統(tǒng)滿負荷開車的需求（新增1 臺透平機，更新1 臺）。

3.5.2 效益分析

通過調(diào)查可得，在燒堿裝置相同負荷（4×12 kA）下，運行一臺透平機就能滿足要求，如運行氯氣壓縮機，因處理能力不足，需運行2 臺才能滿足要求。

表2 為在相同負荷不同時段下， 運行一臺透平機和同時運行兩臺氯氣壓縮機的電耗統(tǒng)計表。

表2 運行一臺透平機和同時運行兩臺氯氣壓縮機的電耗統(tǒng)計表

從以上數(shù)據(jù)可得， 當燒堿裝置負荷為4×12 kA時，運行透平機，每天可節(jié)約電耗大約12 696 kW·h，電價以0.4 元/kW·h 來計， 每天可節(jié)約成本大約4 824.48元，一年節(jié)約成本為160.655 1 萬元左右。

3.6 實現(xiàn)蒸發(fā)工序冷凝水高效利用

原10 萬t 50%堿蒸發(fā)工序產(chǎn)生的二次冷凝水只是回收送一次鹽水工序作化鹽補充水利用， 未能高效高質(zhì)利用。

昆明云能化工有限公司10 萬t/a 50%燒堿蒸發(fā)片堿工序是將電解工序送來的32%堿液，經(jīng)過三效逆流降膜蒸發(fā)濃縮成50%堿液，一部分作為50%堿直接進行銷售， 另一部分繼續(xù)在預濃縮器和終濃縮器中蒸發(fā)最終制成99%片堿。 在蒸發(fā)過程中每噸50%（折百，以下均為折百）堿約產(chǎn)生1 406 kg 二次蒸汽冷凝水，原設計該冷凝水部分用于補充化鹽水，多余部分直接外排。 由于每噸50%燒堿蒸發(fā)出的二次蒸汽冷凝水約含燒堿10 kg， 不僅因外排污水pH不合格，污染環(huán)境，更重要的是對水資源的浪費和產(chǎn)品的流失。 裝置采用瑞士Bertrams 公司的三效逆流降膜蒸發(fā)工藝生產(chǎn)50%堿和二效結片工藝生產(chǎn)≥98.7 的片堿， 整個工藝中的二次蒸汽冷凝液來源于雜質(zhì)含量極低的30%離子膜濃縮的水分，降膜換熱器殼體采用不銹鋼或鎳材質(zhì)， 表面冷凝器殼體列管均采用不銹鋼材質(zhì)， 產(chǎn)生的冷凝水質(zhì)量與電解生產(chǎn)所用的純水質(zhì)量應該基本一致。

經(jīng)過調(diào)研和綜合分析， 二次蒸汽冷凝水除pH值和導電率高于純水外， 其余各項指標均達到或優(yōu)于純水，pH 值和導電率高的原因主要是二次蒸汽冷凝水含堿。

在離子膜法制堿生產(chǎn)中，每噸30%（折百，以下均為折百）燒堿陰極側需補充高純水1.2 t。 如果用二次蒸汽冷凝水代替純水， 就可全部將50%堿和99.8%片堿產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝水全部回收利用（一部分補充到電解陰極液，一部分補充到一次鹽水用作化鹽水）。 其次，由于二次蒸汽冷凝水的溫度比純水的溫度高約40 ℃，用二次蒸汽冷凝水代替純水加入電解槽， 可以減少電解槽用于加溫的蒸汽消耗量。 第三是50%堿蒸發(fā)時每噸堿約被二次蒸汽冷凝水帶走10 kg 堿，二次蒸汽冷凝水回收至電解槽后，50%堿蒸發(fā)損失的堿可全部回收，可降低堿損失。

表3 二次蒸汽冷凝水水質(zhì)跟蹤分析結果

項目實施后，實現(xiàn)了50%堿蒸發(fā)工序產(chǎn)生的二次冷凝水的高效回收利用， 電解工序陰極液年綜合利用約12.8 萬m3（16 m3/h）二次蒸汽冷凝水代替純水，節(jié)約純水12.8 萬m3，節(jié)約能源124.34 t 標準煤，同時解決了燒堿生產(chǎn)裝置區(qū)（一次鹽水工序，電解工序，氯氫處理工序，蒸發(fā)片堿工序等）的水平衡問題，實現(xiàn)燒堿清潔生產(chǎn)即燒堿生產(chǎn)工藝廢水零排放，達到節(jié)能減排，降低生產(chǎn)消耗的目標。

4 結語

公司通過近幾年緊緊圍繞公司提出的“技改增效”措施，認真查找裝置與同行業(yè)，與燒堿清潔生產(chǎn)標準存在的差距， 對10 萬t/a 燒堿裝置現(xiàn)有能源狀況進行優(yōu)化研究及實施技術改造。

項目實施后，提升了裝置的本質(zhì)安全，提升了氯化氫裝置的自動化控制水平， 尤其從富裕氫氣的回收利用、氯化氫合成爐的余熱利用、50%堿蒸發(fā)工序的二次冷凝水的循環(huán)再利用等幾個方面， 極大地降低了燒堿裝置的能耗， 提升了燒堿的節(jié)能效果及盈利能力， 增強了公司整體盈利能力和抗風險能力。2021 年公司30%的燒堿能耗為305.93 kgce/t，達到重點用能行業(yè)重點領域（30%燒堿） 能效標桿水平315 kgce/t（2021 年版）。