氯堿生產(chǎn)系統(tǒng)升級改造運行總結(jié)

王宏飛，王 紅，蔡延強

（陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林）

陜西北元化工集團股份有限公司（以下簡稱“公司”）110 萬t/a 聚氯乙烯綜合利用項目分兩期建設(shè)，一期裝置于2010年建成投產(chǎn)，二期裝置于2012年建成投產(chǎn)。 公司采用水溶法采鹵工藝，將淡水或淡鹽水注入地下鹽層中，氯化鈉等鹽分溶解后得到飽和氯化鈉溶液返回地面鹵水池，鹵水經(jīng)過精制得到精鹽水，將精制鹽水輸送至電解槽中，在直流電的作用下鹽水電解生成氯氣、氫氣及32%燒堿，32%燒堿含鹽低，可直接銷售，也可蒸發(fā)濃縮為50%以上的成品燒堿銷售；產(chǎn)生的氯氣、氫氣在冷卻、除水、加壓后輸送至合成爐中燃燒，生成氯化氫氣體作為聚氯乙烯的生產(chǎn)原料，生產(chǎn)過程中可生產(chǎn)液氯和鹽酸等副產(chǎn)品。 電解核心裝置電解槽采用伍德-迪諾拉公司第四代、五代、六代復(fù)極式自然循環(huán)電解槽，離子膜為美國杜邦公司、日本旭化成公司、日本旭硝子公司、中國山東東岳高分子材料有限公司生產(chǎn)的全氟磺酸/羧酸復(fù)合膜；液堿蒸發(fā)采用瑞士博特三效逆流降膜蒸發(fā)器工藝；氯化氫合成采用三合一和二合一石墨合成爐，反應(yīng)熱加熱純水變?yōu)檎羝┥a(chǎn)需要；同時公司為了解決氯堿生產(chǎn)中副產(chǎn)液氯的難題，配套了制氫裝置。 為了降低生產(chǎn)成本及減少環(huán)境污染，公司配套了硫酸裂解裝置、硫酸提濃裝置、亞硫酸生產(chǎn)裝置和碳酸鈉生產(chǎn)裝置。

1 包裝機升級改造

1.1 改造背景

公司片堿包裝機升級改造前全部為半自動包裝機，片堿包裝過程中需要人工套袋、封口、碼垛。包裝過程中不僅人員需求大、勞動強度高、勞務(wù)費用高， 而且因鏈板機傳輸距離較短且冷卻效果不好，造成片堿結(jié)塊，嚴重影響片堿的形態(tài)質(zhì)量。 為了解決以上問題，公司在原半自動包裝機的基礎(chǔ)上自主研發(fā)了片堿全自動包裝機。

1.2 改造內(nèi)容

1.2.1 將振動送料升級改造為螺旋強制給料加振動給料

由于片堿吸潮特性，片堿在包裝前盡量少與空氣接觸，需要將現(xiàn)有振動輸送改為二螺旋或者三螺旋強制給料。 由于片堿的分散性較差，需要振動進行精確給料，所有自動包裝機給料方式選擇振動給料加螺旋給料的方式。

1.2.2 新增全自動供袋系統(tǒng)

人工將成摞的空袋， 整齊地放在裝袋單元的供袋裝置上， 真空吸盤從包裝袋上方將一套空袋吸住拖到擴口位置，空袋到達擴口位置后，真空吸盤分布于包裝袋上方和下方將袋子口撐開， 抓袋機械手從袋口左右側(cè)夾取空袋，回轉(zhuǎn)90°傳遞給開套袋機構(gòu)。開套袋機構(gòu)與抓袋機械手完成對接后，拉開袋口、上移，套在橢圓形下料口上。 當監(jiān)測到掛袋就緒后，稱重料倉打開，片堿經(jīng)夾袋下料口流入包裝袋。

1.2.3 新增自動封口系統(tǒng)

經(jīng)熱合后的片堿包裝袋進入縫紉機內(nèi)，縫紉機的針固定在針桿上，針桿由電機通過一系列的齒輪和凸輪牽引做上下運動。 當針的尖端穿過織物時，它在一面向另一面拉出一個小線圈。 織物下面的裝置會抓住這個線圈，然后將其包住另—根線或者同一根線的另一個線圈，交替進行線圈縫合。

1.2.4 新增碼垛系統(tǒng)

電控系統(tǒng)的核心部分包括機器人控制系統(tǒng)IRC5，可編程控制器PLC、檢測元件（光電開關(guān)、接近開關(guān)）、操作面板（包括觸摸屏、按鈕開關(guān)和指示燈）、控制元件（伺服驅(qū)動器、交流接觸器和電磁閥）以及執(zhí)行元件（電動機和氣缸）等，實現(xiàn)機器人自動碼垛。 全自動片堿包裝機系統(tǒng)見圖1。

圖1 全自動片堿包裝機系統(tǒng)

1.3 改造效果

升級改造前單臺包裝機每班配置勞務(wù)人員3名（共3 個班），費用為4500 元/（人·月），8 臺包裝機產(chǎn)生的勞務(wù)人員費用為32.4 萬元/月， 一年費用約為388.8 萬元。 升級改造后增加用電總功率約為200 kW，每天的總費用為60 元/h。 每年8000 h 計費用為48 萬元。 升級改造后每條包裝線每班只需配置勞務(wù)人員1 名，每年可節(jié)約費用211.2 萬元，同時避免了片堿包裝過程中堿塵對包裝人員的身體傷害。

2 離子膜電解槽升級改造

2.1 改造背景

離子膜電解槽為燒堿裝置核心設(shè)備，且離子膜電解槽電耗占整個氯堿生產(chǎn)電耗的70%，直接決定燒堿生產(chǎn)成本。 公司采用意大利伍德-迪諾拉離子膜電解槽，升級改造核心是將電解槽內(nèi)的四代電解槽拆卸，重新安裝六代電解槽，四代離子膜電解槽陰陽極極距為3 mm 左右， 六代電解槽為零極距電解槽，改造后膜極距無間隔條，增大了有效面積，同等電流密度下零極距電槽單元槽電壓降低180 mV。

2.2 改造內(nèi)容

2.2.1 電解槽單元槽升級

將四代電解槽拆卸，重新組裝六代電解槽。 與四代和五代不同，六代電解槽陰極極網(wǎng)由“菱形網(wǎng)”升級為 “菱形網(wǎng)+彈性元件+編織網(wǎng)”， 陽極極網(wǎng)由“百葉窗”和“C 形網(wǎng)”升級為“菱形網(wǎng)”，單元槽頂部由平整絕緣墊升級為滑輪移動懸掛，電解槽槽框頂端絕緣機構(gòu)由絕緣板升級為絕緣導軌。

2.2.2 工藝升級改造

因六代電解槽與四代和五代不同，四代和五代電解槽陽極進料為自然循環(huán)方式，六代電解槽陽極進料為強制循環(huán)方式， 為控制進入電解槽鹽水溫度， 需要在鹽水進入電解槽前增加1 臺換熱器，用于控制進口電解槽鹽水溫度。 六代電解槽陰極進料方式與四代和五代一致。 同時為了在失電狀態(tài)下保護電解槽，將原系統(tǒng)高位槽出口與六代電解槽進口管線連接，當系統(tǒng)失電后可打開高位槽與六代單元槽連通閥，及時置換電解槽中的電解液。

2.3 升級改造后槽電壓對比

電解槽運行數(shù)據(jù)對比，運行電流為14.85 kA 時六代槽電壓平均為2.944 V，對標行業(yè)槽電壓趨勢一致，六代電解槽與公司四代、五代槽電壓相比，六代電解槽槽電壓分別下降219 mV 和110 mV， 六代電解槽整體槽電壓穩(wěn)定性高； 運行電流在16.3 kA 時進行測試，六代槽電壓平均為2.967 V，對標行業(yè)槽電壓趨勢一致，六代電解槽與公司四代、五代、槽電壓相比六代電解槽槽電壓分別下降274 mV、211 mV，應(yīng)用質(zhì)量I-MR 大數(shù)據(jù)庫分析工具得出結(jié)果見圖2。

圖2 公司六代電解槽和四代、五代電解槽在14.85 kA及16.3 kA運行電壓對比

2.4 改造效果

經(jīng)濟效益：降低噸堿耗電，按照單條線六代電解槽更換前后數(shù)據(jù)對比，噸堿耗電節(jié)約量為55 kW·h，每月可節(jié)電99 萬kW·h， 每月合計節(jié)約生產(chǎn)成本29.7 萬元。

社會效益：降低能源消耗，每年可節(jié)電1188 萬kW·h，按照每產(chǎn)1 kW·h 電消耗標煤360 g，1 g 標煤釋放2.7 g 二氧化碳計算， 每年可少排放二氧化碳約4278 t， 六代單元槽更換前后整條生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)對比表見表1。

表1 六代單元槽更換前后整條生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)對比表

3 合成爐升級改造

3.1 改造背景

公司內(nèi)部蒸汽管網(wǎng)分中壓蒸汽管網(wǎng)和低壓蒸汽管網(wǎng)，中壓蒸汽主要來自熱電分公司鍋爐所產(chǎn)蒸汽，低壓蒸汽主要來自氯氫處理裝置合成爐副產(chǎn)蒸汽及固堿和硫酸裝置煙氣冷卻系統(tǒng)。 由于公司內(nèi)部低壓蒸汽富余，而中壓蒸汽不足，富余的低壓蒸汽進行排空處理， 系統(tǒng)所需的中壓蒸汽從熱電分公司鍋爐蒸汽包引入約500 t/d。 為了避免低壓蒸汽浪費及提高中壓蒸汽利用率， 公司將副產(chǎn)0.4 MPa 合成爐升級改造為副產(chǎn)1.13 MPa 合成爐。

3.2 改造內(nèi)容

淘汰副產(chǎn)0.4 MPa 蒸汽合成爐及閃蒸罐，在原副產(chǎn)0.4 MPa 蒸汽合成爐基礎(chǔ)上安裝副產(chǎn)1.130 MPa 蒸汽合成爐， 在合適的高度安裝蒸汽閃蒸罐及純水強制循環(huán)罐并配備純水給水泵和純水強制循環(huán)泵。 其工作原理為氫氣與氯氣按一定的比例進入合成爐在合成爐燈頭處燃燒，生成的氯化氫氣體經(jīng)過合成爐爐頂冷卻器冷卻后一路進入氯化氫緩沖罐，經(jīng)冷卻除霧干燥后送入下游工序；另一路經(jīng)石墨吸收器及尾氣吸收塔與吸收水接觸生成鹽酸，進入鹽酸儲罐。 合成爐在燃燒過程中產(chǎn)生的熱量將來自給水泵的純水在合成爐高溫段加熱，生成過熱純水后進入蒸汽閃蒸罐，部分水氣化成蒸汽送至蒸汽管網(wǎng)，部分熱水進行自循環(huán)。 由強制循環(huán)泵加壓送入合成爐爐底循環(huán)（視鏡段、過渡段）換熱后，再回到強制循環(huán)罐進行自循環(huán)。 合成爐純水冷卻系統(tǒng)工藝流程見圖3。

圖3 合成爐純水冷卻工藝流程圖

3.3 改造效果

經(jīng)濟效益：副產(chǎn)1.13 MPa 蒸汽合成爐高溫區(qū)利用純水分段冷卻工藝副產(chǎn)蒸汽，生產(chǎn)1 t 100%氯化氫能副產(chǎn)0.9 t 以上的蒸汽，按照單臺合成爐每天生產(chǎn)150 t 100%氯化氫核算，單臺合成爐可副產(chǎn)蒸汽135 t/d； 副產(chǎn)的1.13 MPa 蒸汽并入公司中壓蒸汽管網(wǎng)供公司內(nèi)部使用， 以單臺合成爐氯化氫產(chǎn)能50000 t/a 計算， 每年可副產(chǎn)1.13 MPa 蒸汽約45000 t，按照目前蒸汽83.46 元/t 計算， 副產(chǎn)蒸汽直接經(jīng)濟效益375.57 萬元/a，同時可滿足公司中壓蒸汽的需求。

社會效益：45000 t 副產(chǎn)蒸汽量相當于4268.98 t標準煤產(chǎn)生的熱值，減少二氧化碳排放量約13770.9 t，公司目前已投用2 臺副產(chǎn)1.13 MPa 蒸汽合成爐，每年可減排二氧化碳27541.8 t。

4 固堿裝置熔鹽爐升級改造

4.1 改造背景

固堿裝置一條生產(chǎn)線熔鹽爐頂部盤管及熔鹽集箱因腐蝕導致其機械強度下降，為避免發(fā)生局部或全部盤管坍塌事故，公司將原甲公司提供的熔鹽爐升級改造為乙公司提供的熔鹽爐。 升級改造前后熔鹽爐主要不同見表2。

表2 熔鹽爐升級改造前后對照表

4.2 改造內(nèi)容評價

升級改造前爐墻由耐火磚砌筑而成，升級改造后爐墻為合金鋼套（12Cr1MoV）。升級改造后熔鹽爐的密封性更好，有效避免了環(huán)境中的冷空氣通過爐墻進入煙氣系統(tǒng)（熔鹽爐煙氣系統(tǒng)負壓運行），使煙氣溫度降低，導致熔鹽換熱量不足，同時也降低了煙氣脫硫脫硝負荷。 熔鹽爐盤管壁厚由5 mm 變?yōu)?.5 mm，可以有效延長盤管使用周期。 盤管外徑由108 mm 變?yōu)?14 mm， 使熔鹽爐換熱面積增加，有效延長熔鹽換熱時間。 升級改造后的熔鹽爐煙氣出口位置較高，且頂部盤管結(jié)構(gòu)進行了改變，使煙氣在盤管層內(nèi)分布更加均勻，提高換熱效果。

4.3 改造效果

通過收集升級改造前后熔鹽爐原煤消耗及片堿產(chǎn)量， 核算出熔鹽爐升級改造前后每噸片堿耗煤。 具體見表3。

表3 東線熔鹽爐更換前后固堿整體煤耗統(tǒng)計

經(jīng)濟效益：從表3 可以看出，熔鹽爐升級改造后原煤單耗下降了0.0042 t，按照設(shè)計固堿單線年產(chǎn)20 萬t計算，東線熔鹽爐升級改造后每年可節(jié)約840t 原煤。

社會效益： 按照每噸煤產(chǎn)生2.7 t 二氧化碳估算，每年可減少2268 t 二氧化碳排放。

5 酸堿輸送泵改造

5.1 更換背景

公司原輸送酸堿介質(zhì)全部使用IHF 型氟塑料離心泵， 該類型泵全部使用單端面機械密封， 故障率高，維修頻繁，當機械密封故障后容易因酸堿噴濺造成人員灼傷。 為降低人員勞動強度， 提高設(shè)備可靠性， 公司將酸堿輸送泵由IHF 型氟塑料泵更換為IMC 型磁力泵。由于磁力泵由外磁轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子及不導磁的隔離套組成。 當電動機通過聯(lián)軸器帶動外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時， 磁場能穿透空氣間隙和非磁性物質(zhì)隔離套，帶動與葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子作同步旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)動力的無接觸同步傳遞， 將容易泄漏的動密封結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為零泄漏的靜密封結(jié)構(gòu)， 可實現(xiàn)輸送介質(zhì)零泄漏。 更換前后部分酸堿輸送泵檢維修周期見表4。

表4 部分酸堿輸送泵更換前后檢維修周期比對表

5.2 更換后運行效果總結(jié)

將酸堿輸送泵由IHF 型氟塑料離心泵更換為IMC 型磁力泵后， 不僅避免了普通氟塑料離心泵在輸送酸堿介質(zhì)時因機械密封故障導致的酸堿泄漏，而且在設(shè)備更換過程中將原有的高能耗電機更換為一級能耗電機，減少電能損耗，間接減少碳排放，同時降低了備品備件消耗、人員勞動強度，減少了檢維修次數(shù)。 隨機選型的21 臺酸堿輸送泵，對其更換前后數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 21臺酸堿輸送泵更換前后能耗及備件消耗對比表

由表5 可以看出，21 臺氟塑料離心泵更換為磁力泵后，每年可節(jié)約備品備件費用2.56 萬元，每年危險性作業(yè)數(shù)量可減少84 項， 每年可節(jié)約檢修工時821 個， 每年可節(jié)電12.13 萬kW·h，按照每產(chǎn)1 kW·h 電消耗標煤360 g，1 g 標煤釋放2.7 g 二氧化碳計算， 每年可減少排放二氧化碳約43.67 t。

6 結(jié)語

完成了酸堿介質(zhì)輸送泵、電解槽、合成爐、熔鹽爐、片堿包裝機等的升級改造后，生產(chǎn)的安全可靠、自動化程度都得到提升，符合國家的節(jié)能減排、安全環(huán)保政策。同時局部系統(tǒng)升級改造為公司安全穩(wěn)定發(fā)展奠定了可靠的基礎(chǔ)，為后續(xù)自動化、智能化改造提供了條件，為公司實現(xiàn)“雙碳”目標提供了有力保障。