氯堿行業(yè)能源消耗現(xiàn)狀及節(jié)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

李素改

（中國氯堿工業(yè)協(xié)會，天津 300192）

1 氯堿行業(yè)能源消耗現(xiàn)狀

1.1 氯堿行業(yè)能源消耗現(xiàn)狀及相關(guān)政策

中國氯堿工業(yè)經(jīng)過80多年的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平不斷提高，行業(yè)整體綜合能耗水平也隨之提高。中國“缺油、少氣、富煤”的能源現(xiàn)狀使中國氯堿形成了以燒堿和電石法聚氯乙烯為主要產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。西部地區(qū)的大型煤電鹽化一體化發(fā)展模式和東部地區(qū)的氯資源多次利用發(fā)展模式進(jìn)一步提高了資源和能源的利用效率和產(chǎn)業(yè)集中度。

氯堿行業(yè)屬能源密集型行業(yè)，主要體現(xiàn)在燒堿生產(chǎn)的電耗方面。根據(jù)燒堿產(chǎn)量和行業(yè)單位產(chǎn)品平均電耗估算，2013年全國燒堿耗交流電共計(jì)約665億kW·h，約占全國總發(fā)電量1.27%。較高的能源消耗狀態(tài)，提供了行業(yè)節(jié)能減排空間。

國家《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》提出，2015年，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869 t標(biāo)準(zhǔn)煤（按2005年價(jià)格算），比2010年的1.034 t標(biāo)準(zhǔn)煤下降16%（比2005年的1.276t標(biāo)準(zhǔn)煤下降32%）?！笆濉逼陂g，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源6.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤。主要節(jié)能指標(biāo)中，對燒堿提出了較為具體的指標(biāo)要求，單位產(chǎn)品燒堿（離子膜）綜合能耗由2010年的351 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t下降到331 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t[1]。

為進(jìn)一步適應(yīng)促進(jìn)節(jié)能減排，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的有關(guān)要求，應(yīng)國家發(fā)展改革委資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司的要求，2013年，中國氯堿工業(yè)協(xié)會負(fù)責(zé)組織完成了 《燒堿單位產(chǎn)品能源消耗限額》（2007版）標(biāo)準(zhǔn)的重新修訂及 《聚氯乙烯樹脂單位產(chǎn)品能源消耗限額》標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。新標(biāo)準(zhǔn)中，對新建裝置單位產(chǎn)品能耗限額準(zhǔn)入值提出了更加嚴(yán)格的要求。燒堿和聚氯乙烯兩大主要產(chǎn)品的準(zhǔn)入值均以行業(yè)先進(jìn)值為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況確定。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已于2013年11月底，充分形成報(bào)批稿上報(bào)有關(guān)部委。

面對行業(yè)過快的產(chǎn)能增長及國家為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)出臺的一系列相關(guān)政策，氯堿行業(yè)節(jié)能減排壓力巨大。

1.2 綜合能耗情況

根據(jù)中國氯堿工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2009-2013年（1-11月），30%的燒堿綜合能耗情況見表1。

表1 2009-2013年（1-11月）30%燒堿綜合能耗情況 單位：kgce/t

從表1可以看出：五年內(nèi)通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用，燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，燒堿行業(yè)的節(jié)能降耗水平可以歸納為以下幾個(gè)方面。

（1）2008年以后，隔膜法電解槽經(jīng)過了普通陽極到擴(kuò)張陽極+改性隔膜技術(shù)改造，加上一次鹽水過濾技術(shù)的不斷提高，使得燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗不斷降低。但就目前情況來看，隔膜法燒堿能耗情況已經(jīng)達(dá)到了一定水平，基本不再具有節(jié)能空間。

（2）2008年后，離子膜膜極距電解槽及二次鹽水等相關(guān)節(jié)能技術(shù)的不斷應(yīng)用，節(jié)能降耗趨勢比較明顯，說明膜極距離子膜電解槽技術(shù)是一項(xiàng)非常節(jié)能的技術(shù)，應(yīng)加大膜極距電解槽在全行業(yè)的應(yīng)用和改造的推廣力度。并期望更新的節(jié)能技術(shù)在未來行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。如氧陰極電解制堿技術(shù)及氯化氫催化氧化制氯等氯的循環(huán)利用技術(shù)。

（3）隔膜法電解制燒堿技術(shù)逐漸退出市場，是燒堿平均單位產(chǎn)品綜合能耗逐年降低的另一個(gè)重要因素。

2 氯堿行業(yè)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用情況

隨著氯堿行業(yè)的快速發(fā)展，一些先進(jìn)適用節(jié)能技術(shù)和裝備得到很好的推廣應(yīng)用，促進(jìn)了氯堿行業(yè)節(jié)能減排水平不斷提高。

燒堿生產(chǎn)的核心設(shè)備電解槽經(jīng)歷了水銀法電解槽、隔膜法電解槽及其節(jié)能的擴(kuò)張陽極加改性隔膜電解槽，特別是離子膜法燒堿生產(chǎn)工藝逐步替代隔膜法生產(chǎn)工藝使得行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，尤其是自2008年以來膜極距電解槽及其相關(guān)改造技術(shù)的不斷應(yīng)用，使燒堿行業(yè)整體綜合能耗水平呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。特別是離子膜國產(chǎn)化的成功應(yīng)用，將為中國氯堿工業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

聚氯乙烯生產(chǎn)中的主要設(shè)備聚合釜技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從 30 m3、70 m3到目前的 135 m3的大型聚合釜的轉(zhuǎn)變，裝置生產(chǎn)能力也由5 000 t/a臺提高到67 000 t/a臺；聚氯乙烯生產(chǎn)過程廢棄物治理及綜合利用、干法乙炔發(fā)生配套干法水泥生產(chǎn)技術(shù)、電石渣綜合利用技術(shù)等有力地促進(jìn)了電石法聚氯乙烯向大型化、清潔化方向發(fā)展；低汞觸媒的推廣和應(yīng)用以及無汞觸媒的研發(fā)對平衡我國能源需求結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響。下面列舉幾種較為典型的氯堿節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。

2.1 新型高效節(jié)能膜極距離子膜電解槽技術(shù)

2008年以來，國內(nèi)新建氯堿項(xiàng)目絕大部分都采用了膜極距離子膜電解制堿技術(shù)，該技術(shù)已成為燒堿行業(yè)節(jié)能減排取得重大進(jìn)展的助力之一。北京藍(lán)星化工股份有限公司通過自主研發(fā)的零極距NBZ-2.7電解槽，自2009年已經(jīng)成功應(yīng)用到國內(nèi)氯堿企業(yè)，并取得了良好的效果。近幾年在國內(nèi)市場已經(jīng)有了較高的占有率。該技術(shù)不僅適用于新建項(xiàng)目，而且還可以對原有的有極距電解槽改造成膜極距電解槽。國外公司如日本旭化成高電密零極距（NCZ）電解槽、伍德迪諾拉公司推出的超窄極距電解槽BM2.7、英國INEOS公司推出的Bichlor復(fù)極零極距電解槽以及日本氯工程研制的新型 “零極距”n-BiTAC電解槽在國內(nèi)都有實(shí)際應(yīng)用。

膜極距復(fù)極式離子膜電解槽是通過降低電解槽陰極側(cè)溶液的電壓降，從而達(dá)到節(jié)電效果。有極距電解槽陰陽極之間的極間距為1.8～2.2 mm，溶液電壓降為200 mV左右。膜極距電解槽其主要原理是采用彈性陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和柔性微網(wǎng)陰極，使陰極緊貼膜表面，陰極與陽極之間沒有可壓縮間隙，只有膜的厚度距離，最大限度地降低溶液電壓降。另外，因極間距離比有極距電槽均勻，使得電流密度分布更均勻，槽電壓也相應(yīng)降低。膜極距電槽與傳統(tǒng)的電解槽比較，從電解槽的結(jié)構(gòu)、電極的材質(zhì)、涂層的活性、電解性能等方面都有了很大的提高。當(dāng)前行業(yè)最廣泛使用的高電流密度電解槽中，膜極距電解槽節(jié)能優(yōu)勢更加明顯，改造后單元槽槽電壓比改造前可降低0.2V左右。根據(jù)電化當(dāng)量公式計(jì)算，離子膜電解槽槽電壓每降低0.1V，t堿可節(jié)電約Q=0.1×1 000/1.492×0.95=70 （kW·h）。

行業(yè)推廣情況：2013年全國燒堿產(chǎn)能3850萬t/a，其中離子膜法3 640萬t/a，在離子膜法中膜極距產(chǎn)能約為1 500萬t/a，還有大約2 140萬t/a的產(chǎn)能需要改進(jìn)，若全部改為膜極距電解槽，每年可節(jié)電能約 2 140×0.2×70=2.996 （億kW·h/a）。

2.2 三效逆流離子膜燒堿蒸發(fā)濃縮技術(shù)

三效逆流蒸發(fā)工藝中，蒸發(fā)的操作流程為逆流：即堿液的流向與加熱蒸汽的流向相反。因其充分利用了蒸汽的熱量，同傳統(tǒng)的二效蒸發(fā)及三效順流工藝相比，三效逆流及多效蒸發(fā)具有汽耗低的顯著特點(diǎn)?；驹頌?2%堿液通過原液堿泵送到Ⅲ效加熱器，蒸發(fā)濃縮后的堿液由Ⅲ效堿泵送到進(jìn)Ⅱ效加熱器，堿液在Ⅱ效加熱器里與殼程加熱蒸汽進(jìn)行間接換熱使溫度升至沸點(diǎn)，蒸發(fā)濃縮后的堿液由Ⅱ效堿泵送到Ⅰ效加熱器進(jìn)行間接加熱升溫蒸發(fā)，堿液在Ⅰ效加熱器里與管間加熱蒸汽進(jìn)行間接換熱使溫度升至沸點(diǎn)，最后從Ⅰ效加熱器底部流出進(jìn)入Ⅰ效蒸發(fā)罐，沸點(diǎn)狀態(tài)下的堿液進(jìn)入Ⅰ效蒸發(fā)罐后產(chǎn)生急劇蒸發(fā)濃縮，這時(shí)堿液濃度為50%。堿液溫度約170℃，由Ⅰ效堿泵出料并經(jīng)成品冷卻器與循環(huán)冷卻水進(jìn)行間接換熱冷卻，最后從成品冷卻器出來的就是最終的成品堿液。堿液濃度為50%，堿液溫度為45℃以下。

目前，新上燒堿項(xiàng)目及現(xiàn)有離子膜燒堿蒸發(fā)系統(tǒng)改造項(xiàng)目，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用三效逆流降膜蒸發(fā)工藝。以生產(chǎn)50%離子膜燒堿為例，三效逆流降膜堿蒸發(fā)技術(shù)較現(xiàn)有雙效堿蒸發(fā)技術(shù)相比，t堿汽耗平均由約0.72 t降至約0.52 t。即生產(chǎn)1 t 50%的NaOH溶液可節(jié)約蒸汽約0.2 t；比單效堿蒸發(fā)技術(shù)節(jié)約的蒸汽量可達(dá)0.55～0.6 t/tNaOH。

2.3 聚氯乙烯70 m3聚合釜釜頂冷凝器改造技術(shù)

聚氯乙烯70 m3聚合釜釜頂冷凝器改造技術(shù)依據(jù)108 m3聚合釜的設(shè)計(jì)理念，對70 m3聚合釜本身進(jìn)行改造，增加釜頂冷凝器，提高70 m3聚合釜單臺釜利用率，從設(shè)備本身進(jìn)行改造，提高設(shè)備的設(shè)計(jì)產(chǎn)能。VC聚合釜體外冷凝器均設(shè)置在設(shè)備頂部，冷凝器屬列管式換熱器，需垂直安裝。釜內(nèi)氣相介質(zhì)VCM進(jìn)入釜頂冷凝器管程，被冷凝成液體，沿?fù)Q熱管內(nèi)壁流回釜內(nèi)，達(dá)到冷卻目的，使物料的溫度保持在工藝要求的范圍內(nèi)。這種冷卻方式結(jié)合攪拌系統(tǒng)可將介質(zhì)中絕大部分熱量移出釜外，實(shí)現(xiàn)熱交換，縮短聚合周期，從而進(jìn)一步提高聚合釜的生產(chǎn)能力。

該技術(shù)適用于PVC裝置聚合生產(chǎn)過程原有70 m3聚合釜釜頂冷凝器改造。據(jù)測算，釜頂冷凝器投用后，整套聚合生產(chǎn)系統(tǒng)利用率將有很大提高，在不增加原料的情況下，反應(yīng)釜聚合效率可提高25%，噸PVC產(chǎn)品電耗可降低20%。

2.4 電石渣漿乙炔回收裝置

乙炔氣體在電石渣漿中的溶解度與溫度和壓力密切相關(guān)，利用乙炔在不用溫度或壓力條件下與水溶液兩組分飽和蒸汽分壓相差較大的物理性質(zhì)，可采取對電石渣漿抽真空脫析工藝技術(shù)將電石渣漿中的乙炔氣體進(jìn)行脫析回用，即將電石渣漿送入一密閉的容器中進(jìn)行抽真空、減壓、將溶解在電石渣漿中的乙炔氣體脫析出來，從而達(dá)到回收利用的目的。

投資和回收情況：以60萬t/a聚氯乙烯生產(chǎn)裝置為例，乙炔氣回收裝置項(xiàng)目建成投資需要1 800萬元，10個(gè)月內(nèi)共計(jì)回收乙炔1 212 180 m3，折合電石4 041 t（按300 L/kg發(fā)氣量計(jì)），年節(jié)約電石4 849 t，節(jié)約折合標(biāo)煤2 333 t；按電石市場均價(jià)3 150元核算，共計(jì)節(jié)約 1 527萬元/a，14個(gè)月即可收回成本。

3 最新節(jié)能技術(shù)展望

3.1 氧陰極燒堿電解生產(chǎn)技術(shù)

氧陰極技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型電解技術(shù)。技術(shù)原理是以氧氣還原反應(yīng)代替氫析出的還原反應(yīng)，由于陰極反應(yīng)不同，陰極的理論分解電壓也就不同。氧陰極比現(xiàn)行的普通陰極 （鎳網(wǎng)+活性涂層）的電極電位降低了1.2 V左右，在相同電流密度的運(yùn)行條件下，可以在理論上達(dá)到節(jié)能30%的效果。該技術(shù)適用于不需要?dú)錃獾墓に嚭蛨鏊?，比如生產(chǎn)MDI或TDI等配套氯氣生產(chǎn)系統(tǒng)，具有節(jié)電顯著特點(diǎn)。目前，該項(xiàng)技術(shù)因其節(jié)能效果明顯受到各有關(guān)部門及氯堿生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注。

藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司和北京化工大學(xué)共同承擔(dān)的 “氧陰極低槽電壓離子膜電解制燒堿技術(shù)”，2013年5月，5萬t/a氧陰極技術(shù)制燒堿工業(yè)化規(guī)模裝置正式開車運(yùn)行，并通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的專家審查驗(yàn)收；2013年6月29日，項(xiàng)目通過了國家科技部的驗(yàn)收。為了進(jìn)一步改進(jìn)氧陰極技術(shù)，藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司和北京化工大學(xué)合作，繼續(xù)進(jìn)行氧陰極技術(shù)的研究和改良工作，開發(fā)出具有更好性能效果的第二代氧陰極催化劑技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能夠提高氧陰極的催化效果，延長氧陰極的壽命，目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室放大實(shí)驗(yàn)，下一步將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)。

伍德迪諾拉公司和濱化集團(tuán)股份有限公司在山東濱州簽訂了8萬t/a燒堿的鹽水氧陰極電解制堿技術(shù)裝置合同，項(xiàng)目一期4萬t/a裝置將于2015年下半年投產(chǎn)。

3.2 催化氧化制氯技術(shù)

催化氧化制氯技術(shù)是解決行業(yè)副產(chǎn)的大量氯化氫（或鹽酸）無法有效利用的一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)氯在工業(yè)體系中循環(huán)利用、具有較大節(jié)能潛力的技術(shù)。

催化氧化法是在催化劑存在下，以空氣或氧氣作為氧化劑氧化HCl生成C12的方法，其化學(xué)方程式可表述為：4HCl（g）+O2=H2O+Cl2↑+114.48 kJ。 催化氧化法是目前最容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的方法，具有代表性的催化氧化法主要有Deacon過程、MT–Chlor過程和Shell-Chlor過程等。催化氧化制氯在能耗方面具有較強(qiáng)競爭優(yōu)勢，因此越來越受到現(xiàn)代工業(yè)重視，隨著不斷加大研究投入和進(jìn)行不同方法的嘗試，使催化氧化制氯在工業(yè)化方面取得了顯著進(jìn)展。

2013年8月，華誼集團(tuán)上海氯堿化工股份有限公司國內(nèi)首套千t級氯化氫催化氧化制氯氣（Deacon技術(shù)）裝置投產(chǎn)，各項(xiàng)工藝參數(shù)均已達(dá)標(biāo)，中國由此成為全球第二個(gè)擁有Deacon技術(shù)的國家。

3.3 二氯乙烷催化重整制取聚氯乙烯技術(shù)

二氯乙烷催化重整制取聚氯乙烯技術(shù)是以乙炔和二氯乙烷為原料，在一種全新的非汞催化劑作用下，通過催化重整制得氯乙烯。該工藝中乙炔和二氯乙烷以1∶1摩爾比合成氯乙烯，氯乙烯聚合生產(chǎn)聚氯乙烯。

該工藝與乙炔法相比省去了氯化氫的合成與精制工藝，采用了非汞催化劑；用二氯乙烷的消除反應(yīng)，消耗了乙炔加成反應(yīng)放出的大量熱能。由于實(shí)現(xiàn)了能量的內(nèi)部轉(zhuǎn)換，反應(yīng)能量變化溫和，可大幅度提高反應(yīng)強(qiáng)度，從而提高生產(chǎn)效率。

德州實(shí)華化工有限公司與中科易工（廈門）化學(xué)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的姜鐘法氯乙烯合成新工藝，已于2013年4月在中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會的組織下完成了百t級中試試驗(yàn)專家鑒定，并在德州實(shí)華化工有限公司投產(chǎn)建成2 000-5 000 t/a的擴(kuò)大中試試驗(yàn)裝置，目前正在運(yùn)行階段。如該工藝在德州實(shí)華如期順利完成生產(chǎn)示范線生產(chǎn)，并在運(yùn)行穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量、能耗環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)性等方面經(jīng)過長期運(yùn)行考核和論證后，在充分考慮二氯乙烷來源條件下，對西部地區(qū)部分電石法聚氯乙烯裝置改造成無汞工藝具有較大支撐。

［1］國家《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》