氯堿企業(yè)節(jié)能降耗技術(shù)分析

陳敏(湖南化工設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

近年來市場對于化工產(chǎn)品的需求量越來越大，燒堿、氯氣等作為基礎(chǔ)大宗化工原料用量也在穩(wěn)步增長。各大氯堿企業(yè)紛紛加大了投資擴(kuò)建產(chǎn)能，目前國內(nèi)氯堿企業(yè)總體產(chǎn)能過剩，氯堿產(chǎn)品的質(zhì)量和性能差異較小，企業(yè)間同質(zhì)化競爭日趨加劇，企業(yè)面臨的競爭壓力越來越大，一些企業(yè)虧損嚴(yán)重。

為了更好地生存和發(fā)展，氯堿行業(yè)積極順應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向，緊跟市場需求，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。除了通過科技創(chuàng)新增加新產(chǎn)品外，提高能效、降低能耗也是氯堿企業(yè)提升市場競爭力的重要手段。

從現(xiàn)階段我國化工市場的整體發(fā)展形勢來看，多數(shù)氯堿生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)意識到了其生產(chǎn)中存在的主要問題，開始結(jié)合實際情況，不斷對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，順應(yīng)時代發(fā)展，響應(yīng)國家號召，在企業(yè)生產(chǎn)過程中，不斷主動進(jìn)行節(jié)能降耗技術(shù)的研究。過去一段時間氯堿生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行資源配置時，主要是以擴(kuò)大規(guī)模為核心，然后再結(jié)合實際情況對產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行合理調(diào)整。而目前我國多數(shù)氯堿生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始探尋新型的循環(huán)節(jié)能模式，比如一體化的循環(huán)節(jié)能模式，目的是在保證企業(yè)生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)節(jié)能降耗，并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。文章將結(jié)合實際情況介紹幾種目前我國氯堿生產(chǎn)企業(yè)中普遍應(yīng)用的節(jié)能降耗技術(shù)，并對其進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 氯堿工業(yè)節(jié)能降耗的必要性分析

氯堿工業(yè)是化學(xué)工業(yè)的重要組成部分，其產(chǎn)品應(yīng)用范圍相對較廣，不僅是化工行業(yè)的基礎(chǔ)原材料，還廣泛應(yīng)用于建材、交通、電氣、冶金、紡織、食品、包裝、日用化工等及諸多領(lǐng)域。因此，可以說氯堿工業(yè)在我國社會發(fā)展過程中起到至關(guān)重要的作用。雖然相對于部分西方發(fā)達(dá)國家來說，我國現(xiàn)代化氯堿工業(yè)起步相對較晚，但是氯堿工業(yè)在我國的發(fā)展也已經(jīng)歷經(jīng)了上百年，其主要采用隔膜法以及離子交換膜法兩種生產(chǎn)工藝[2]。從現(xiàn)階段的整體技術(shù)來看，雖然這兩種工藝的性質(zhì)不同，但都是需要通過電解進(jìn)行，因此氯堿工業(yè)的生產(chǎn)需要消耗大量電能。氯堿行業(yè)不但耗能高，在實際生產(chǎn)過程當(dāng)中也會消耗大量的物資，且會造成環(huán)境污染[3]。

節(jié)能減排發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了現(xiàn)階段我國全社會所關(guān)注的焦點，也是我國政府相關(guān)部門大力倡導(dǎo)的發(fā)展方式，氯堿行業(yè)作為高能耗高污染行業(yè)，其在發(fā)展過程當(dāng)中必須積極響應(yīng)國家號召，結(jié)合實際情況采取相應(yīng)措施，在保證生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)之上，推行清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)節(jié)能降耗，同時還需要降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)收益，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[4]。從現(xiàn)階段的氯堿行業(yè)整體發(fā)展形勢來看，其主要的發(fā)展目標(biāo)就是在安全環(huán)保的雙重壓力下提升經(jīng)濟(jì)收益，這需要管理階層具有一定的市場敏銳度以及宏觀觀察力，用發(fā)展的眼光去看待氯堿行業(yè)的整體發(fā)展趨勢，并綜合考慮各企業(yè)的實際發(fā)展情況，提出具有規(guī)模性的系統(tǒng)的企業(yè)發(fā)展模式，保證其具有一定的針對性以及可行性。氯堿企業(yè)在企業(yè)實際發(fā)展過程當(dāng)中，需要對于水資源、電資源以及蒸汽能耗等資源進(jìn)行節(jié)約，不斷結(jié)合實際情況，創(chuàng)新相應(yīng)技術(shù)，使有限的資源發(fā)揮出更大的價值，進(jìn)而提高資源利用率。

2 氯堿生產(chǎn)中的節(jié)能降耗技術(shù)

2.1 濕氯氣熱量回收

(1)技術(shù)背景。濕氯氣從電解槽內(nèi)出來后，其溫度較高，達(dá)到80～90 ℃，不宜直接進(jìn)入下一工序，因此需要對其進(jìn)行降溫處理。而過濾鹽水由于其來自一次鹽水工序，因此溫度相對較低，需要采取相應(yīng)措施對其進(jìn)行預(yù)熱，然后進(jìn)入電解槽?？梢酝ㄟ^將濕氯氣與過濾鹽水進(jìn)行換熱的方式實現(xiàn)對濕氯氣的降溫以及對過濾鹽水的預(yù)熱。

(2)工藝簡介。為一次鹽水工序送來的過濾鹽水能夠與濕氯氣進(jìn)行換熱，需要在氯氣主管電解出口處設(shè)置一臺肽列管換熱器。過濾鹽水與濕氯氣在肽列管換熱器內(nèi)進(jìn)行逆流換熱，其中過濾鹽水走殼程低進(jìn)高出，濕氯氣走管程高進(jìn)低出。

2.2 膜脫硝濃縮液中氯化鈉的回收

(1)技術(shù)背景。我國傳統(tǒng)氯堿企業(yè)在生產(chǎn)過程中采用的是鋇法除硝，不但運行費用高且對環(huán)境的破壞較為嚴(yán)重，因此目前我國多數(shù)氯堿企業(yè)已經(jīng)摒棄了這種方式，使用膜法脫硝裝置。該膜對氯化鈉沒有截流能力，因此如果排放濃縮液，會浪費大量原鹽。針對這一問題，目前我國多數(shù)企業(yè)采用冷凍工藝對氯化鈉進(jìn)行回收，但冷凍法施工流程較為復(fù)雜且運行成本高，最好的解決辦法是增加一套濃縮液后處理裝置。

(2)工藝簡介。將膜法脫硝裝置得到的濃縮鹽水與蒸發(fā)的弱堿性純水進(jìn)行混合，并通過靜態(tài)混合器使混合均勻，對于剩余雜質(zhì)，需要通過保安過濾器對其進(jìn)行過濾，將鹽水送入濃縮鹽水配水罐[5]。通過進(jìn)料泵進(jìn)入膜法除硝裝置，過濾單元，將鹽水分離為滲透液和濃縮液，將濃縮液送出外界，而滲透液回收氯化鈉。

2.3 氯化氫合成爐副產(chǎn)蒸汽

(1)技術(shù)背景。氯氣和氫氣在氯化氫合成爐中進(jìn)行劇烈的放熱反應(yīng)，為提高能源利用率，可以采取相應(yīng)措施對這部分熱量回收利用，傳統(tǒng)方式是通過副產(chǎn)熱水對其進(jìn)行回收，但是相對來說利用率低，現(xiàn)階段多數(shù)工業(yè)采用副產(chǎn)蒸汽合成爐，相對來說，其對熱量的回收率和利用率更高。

(2)工藝簡介。經(jīng)過緩沖罐和穩(wěn)壓閥后，將氯氣和氫氣的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，并將其送入合成爐進(jìn)行燃燒反應(yīng)。自動檢測氫氣與氯氣的流量，并通過比例調(diào)節(jié)器對其進(jìn)行自動跟蹤調(diào)節(jié)，保證氯化氫氣體的氯氫配比，對其進(jìn)行三級吸收。以純水為吸收劑，吸收31%高純酸鹽，用純水冷卻合成爐夾套高溫區(qū)，將氯化氫合成熱吸收。

2.4 蒸汽冷凝水回收

(1)技術(shù)背景。在燒堿生產(chǎn)中，蒸汽是加熱鹽水和堿液的熱源介質(zhì)，能產(chǎn)生較高質(zhì)量的蒸汽冷凝水，部分氯堿企業(yè)直接將蒸汽冷凝水排入地溝，造成大量浪費，事實上可以將其送入脫鹽水裝置，從而實現(xiàn)回收利用。

(2)工藝簡介。通過管道將換熱器冷凝水傳輸至蒸汽冷凝水收集槽，將蒸汽冷凝水通過泵送至脫鹽水裝置。

2.5 濃水回收

(1)技術(shù)背景。反滲透工藝是現(xiàn)階段我國多數(shù)氯堿企業(yè)常用的脫鹽技術(shù)，其主要優(yōu)勢就是效率相對較高，且對環(huán)境的污染較低，因此應(yīng)用范圍相對較廣。但是其在實際應(yīng)用過程當(dāng)中，會產(chǎn)生25%的濃水排放，對水資源造成較大浪費[6]。針對這些問題可以采用反滲透濃水回用技術(shù)，相對來說其施工工藝較為便捷且投資較低，不但能夠大大提高水資源的利用率，還能夠降低水資源消耗。

(2)工藝簡介。利用反滲透濃水的壓力，將其引入濃水回收裝置，然后對其進(jìn)行脫鹽，再回收濃水，引入原水箱。該冷水壺用裝置不需要耗電，且不需要加壓泵，只需要將專利膜設(shè)備與反滲透裝置放在模架上，反洗系統(tǒng)共用脫鹽水裝置，不需要增加水箱，將反滲透濃水直接過濾。回收水的整體性能較原水更好，循環(huán)到水處理系統(tǒng)后，能夠?qū)⒃钠焚|(zhì)進(jìn)行提高，并降低了反滲透膜的負(fù)擔(dān)，能夠?qū)⒛さ氖褂脡勖娱L至3～5年。

2.6 氫氣的回收利用

2.6.1 氫氣鍋爐

(1)技術(shù)背景。鹽酸的生產(chǎn)過程危險性較高，容易因為操作失誤而發(fā)生安全事故，因此需要相關(guān)工作人員對鹽酸的生產(chǎn)過程有全面的了解和深刻的認(rèn)知，嚴(yán)格按照規(guī)定的流程進(jìn)行生產(chǎn)，根據(jù)實際需求合理控制氫氣與氯氣的比例。在鹽酸的實際生產(chǎn)過程當(dāng)中，企業(yè)需要結(jié)合實際情況降低生產(chǎn)成本，這大大限制了企業(yè)的實際發(fā)展與鹽酸的生產(chǎn)效率。為提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本，目前我國部分企業(yè)開始逐漸在原有的生產(chǎn)技藝的基礎(chǔ)之上，引入天然氣轉(zhuǎn)化裝置。天然氣轉(zhuǎn)化裝置的主要優(yōu)勢就是可以提高氫氣的純凈性并降低其成本，使氫氣和氯氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而生產(chǎn)鹽酸。這種生產(chǎn)方式能夠在保證鹽酸生產(chǎn)效率以及最終鹽酸質(zhì)量的基礎(chǔ)之上，最大程度地降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)收益，同時對水資源進(jìn)行了合理利用，實現(xiàn)了節(jié)能降耗。燃燒氫氣會產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣不但不會對環(huán)境造成污染，而且還能夠投入使用。鹽酸的生產(chǎn)過程中需要大量蒸汽，部分企業(yè)選擇從國外進(jìn)口氫氣鍋爐。雖然氫氣鍋爐的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢，但是在實際的實踐過程中仍然存在部分缺陷，氫氣鍋爐的購買以及維修的成本相對較高，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。目前，我國已經(jīng)生產(chǎn)出了完全國產(chǎn)化的氫氣鍋爐系統(tǒng)，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，并提高了能源的應(yīng)用效率。

(2)工藝簡介。氫氣經(jīng)過氯堿裝置的氫處理工序后，被通過管道送入預(yù)處理系統(tǒng)，預(yù)處理系統(tǒng)對氫氣進(jìn)行處理后，再將其送入氫氣鍋爐底部的燃燒器，燃燒氫氣產(chǎn)生的熱量能夠加熱進(jìn)入鍋爐內(nèi)列管中的除氧水。通過鍋爐頂部的顱外汽水分離罐將生成的蒸汽送入廠區(qū)低壓蒸汽管網(wǎng)，其就能夠被應(yīng)用到氯堿生產(chǎn)、保溫以及生活當(dāng)中。

2.6.2 氫氣燃料電池

(1)技術(shù)背景。氫氣燃料電池的節(jié)能環(huán)保性能相對更強，因為其可以回收氯堿企業(yè)的富余氫氣，因此現(xiàn)階段國際上較多的化工企業(yè)都在研究將氫氣燃料電池用于氯堿行業(yè)?，F(xiàn)階段氫氣燃料電池難以應(yīng)用于氯堿行業(yè)的主要原因就是相對來說其投入成本較高，一旦在氯堿行業(yè)內(nèi)引入氫氣燃料電池的應(yīng)用，會大幅度提高生產(chǎn)成本，無法保證企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。目前歐洲部分企業(yè)已經(jīng)開始將阿克蘇諾貝爾公司與Nedstadck合作開發(fā)的氫氣燃料電池發(fā)電裝置應(yīng)用于生產(chǎn)模式中，其效果相對較好。

(2)工藝簡介。2 MW的氫氣燃料電池需要部分空氣和1 300 m3/h氫氣，副產(chǎn)熱能1.4 MW，溫度為65～70 ℃，可應(yīng)用于鹽水預(yù)熱。

2.7 一次鹽水精制中磷酸鹽的應(yīng)用

(1)技術(shù)背景。將碳酸鈉和氫氧化鈉為機(jī)制系在一次鹽水工序與鈣鎂離子反應(yīng)，從而除去鈣鎂離子，延長電解槽使用壽命，需要注意的是，一次鹽水中的鈣鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過1×10-6，通過螯合樹脂塔在二次鹽水工序?qū)ζ溥M(jìn)行吸附，進(jìn)一步降低鈣鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使其低于2×10-8。為保證樹脂的吸附能力，需要再生清洗螯合樹脂塔。樹脂塔的再生費用主要取決于其再生周期，樹脂塔的再生周期主要取決于一次鹽水鈣鎂離子濃度。為縮短螯合樹脂塔再生周期，目前我國多家氯堿企業(yè)相關(guān)人員針對這一問題進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)可以將磷酸鹽加入鹽水中，相對來說磷酸鈣以及磷酸鎂的容積更低，因此可以降低鈣鎂離子濃度。只要鈣鎂離子濃度降低就可以大幅度延長螯合樹脂塔的再生周期并降低其運行負(fù)荷。

(2)工藝簡介。鈣鎂離子在一次鹽水中與碳酸鈉和氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)，過濾器對發(fā)生反應(yīng)后的鈣鎂離子進(jìn)行過濾，在后續(xù)反應(yīng)器內(nèi)加入磷酸或磷酸鈉，其會與鹽水中剩余的微量鈣鎂離子繼續(xù)反應(yīng)，再次通過過濾器對其進(jìn)行過濾，然后送入螯合樹脂塔精制。磷酸根過量會對電解槽電壓造成一定影響，因此需要對其進(jìn)行合理控制，保證磷酸根過量質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過3×10-5。

2.8 氯化氫催化氧化制氯氣

(1)技術(shù)背景。近年來我國MDI、TDI、甲烷氯化物等涉氯產(chǎn)品不斷擴(kuò)產(chǎn)，工業(yè)副產(chǎn)氯化氫的總量已經(jīng)接近了400萬噸/年，未來5年預(yù)計總量將會達(dá)到500萬噸/年，大量副產(chǎn)HCI的銷路和利用成為了制約眾多行業(yè)發(fā)展的主要原因。想要解決這一問題，需要通過相應(yīng)措施實現(xiàn)氯元素循環(huán)和反應(yīng)過程的零排放，將氯化氫直接轉(zhuǎn)化為氯氣進(jìn)行利用。氯化氫催化氧化制氯氣技術(shù)大大降低了能耗，因此現(xiàn)階段被氯堿行業(yè)相關(guān)企業(yè)重點關(guān)注。我國的煙臺萬華氯堿有限責(zé)任公司在寧波采用引進(jìn)技術(shù)建成的HCI催化氧化制氯氣工業(yè)化裝置；上海氯堿化工股份有限公司自主研發(fā)了氯化氫催化氧化制氯氣千噸級中試裝置。從目前的情況來看，其應(yīng)用效果相對較好。

(2)工藝簡介。氯化氫催化氧化制氯氣技術(shù)主要就是采取相應(yīng)措施，使氯化氫通過催化劑與氧氣的共同作用，使其氧化為氯氣和水，Deacon過程、Shell法和日本住友的技術(shù)是現(xiàn)階段的主要代表技術(shù)。在催化劑的作用下，氯化氫和氧氣會被預(yù)熱，然后進(jìn)入固定床或流化床反應(yīng)器發(fā)生氧化，從而生產(chǎn)氯氣。

3 結(jié)語

氯堿企業(yè)是化工行業(yè)的重要組成部分，在我國整體發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用，相關(guān)工作人員需要充分重視氯堿企業(yè)的節(jié)能降耗技術(shù)。現(xiàn)階段我國多數(shù)氯堿企業(yè)不斷引進(jìn)新型節(jié)能技術(shù)，以其實現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益與社會價值的共同進(jìn)步，實現(xiàn)氯堿企業(yè)與生態(tài)自然環(huán)境的和諧發(fā)展。