氯堿生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降碳有效路徑

唐 俊，周文斌，龔 瑋

（浙江鎮(zhèn)洋發(fā)展股份有限公司，浙江 寧波 315800）

在“碳達(dá)峰，碳中和”背景下，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策對(duì)氯堿行業(yè)發(fā)展的調(diào)控和限制措施日益嚴(yán)格，包括落后產(chǎn)能淘汰、清潔生產(chǎn)、安全、環(huán)保等各方面政策調(diào)整，國家相繼發(fā)布了《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》、《關(guān)于發(fā)布〈高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（2021 年版）〉 的通知》、《關(guān)于發(fā)布〈高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南（2022 年版）〉的通知》等，其中《燒堿行業(yè)節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》中提出，當(dāng)前燒堿行業(yè)存在裝備水平和原料電耗相似但用能存在較大差異、余熱利用不足等問題，節(jié)能降碳改造升級(jí)潛力較大。推薦燒堿企業(yè)加快成熟工藝的普及推廣，有序推動(dòng)改造升級(jí)，其中一項(xiàng)為綠色技術(shù)工藝：推動(dòng)離子膜法燒堿裝置進(jìn)行膜極距離子膜電解槽改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)氯堿生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降碳。

近年來離子膜電解法成為了主流燒堿工藝技術(shù)，此工藝具有產(chǎn)品純度高、設(shè)備投資小、占地面積小、可持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)、單臺(tái)產(chǎn)能大等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的零極距電解槽，陰陽極極板與離子膜之間的距離幾乎為零，減小了極距的電解槽可有效降低電解槽陰極側(cè)的電壓降，達(dá)到降低能耗的目的[1，2]。對(duì)于氯堿生產(chǎn)企業(yè)來說，在最大限度保留現(xiàn)有廠房和生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)耗能核心裝置——電解槽進(jìn)行升級(jí)換代，在提升電解槽電流密度的同時(shí)降低燒堿單位產(chǎn)品的能耗，無疑是一條可行的節(jié)能降碳有效路徑。

1 電槽改造前基本情況

浙江鎮(zhèn)洋發(fā)展股份有限公司（以下簡稱“浙江鎮(zhèn)洋”）原有2 臺(tái)舊電槽于2000 年10 月投運(yùn)，最初為低電密自然循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)型復(fù)極槽（旭化成NCS 型），每臺(tái)電槽140 片單元槽，每個(gè)單元槽有效面積2.7 m2，運(yùn)行電流密度4 kA/m2。

在2013 年，因城市發(fā)展公司停產(chǎn)搬遷，委托藍(lán)星北化機(jī)公司對(duì)這2 臺(tái)電槽進(jìn)行零極距改造，改造內(nèi)容為：陽極氣液分離盒增加除沫器、陽極室增加進(jìn)液分布管、陽極室上半部分增加消波擋板、陰極室增加彈性網(wǎng)及面網(wǎng)。經(jīng)過改造后的NCS 電槽（以下簡稱 “NCS-Z 電槽”），于2013 年7 月開車成功。因NCS 單元槽的構(gòu)造與NCH 有區(qū)別，所以改造后的NCS-Z 零極距單元槽氣液分離效果和NCH 仍有一定差距，為了安全穩(wěn)定運(yùn)行，將電解槽運(yùn)行電流控制在13 kA 以下。投運(yùn)后的電解槽電壓下降明顯、達(dá)到了增產(chǎn)降耗的目的。

至2022 年2 月，這2 臺(tái)電槽雖然一直處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，從安全性的角度，已遠(yuǎn)超廠方保證的安全運(yùn)行年限，有必要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)換代，從技術(shù)性的角度，雖中間有進(jìn)行零極距改造，畢竟是20 年前的技術(shù)，與目前先進(jìn)的電解槽技術(shù)相比有一定差距，也有必要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)。在2012 年搬遷時(shí)已考慮了今后的升級(jí)換代，在電解槽供電變壓器的選擇上采用了滿足高電密運(yùn)行的變壓器。

2 對(duì)舊電槽更新?lián)Q代的設(shè)想和選擇

這2 臺(tái)NCS-Z 電槽為浙江鎮(zhèn)洋Ⅱ期電解系統(tǒng)，公司近年有意向?qū)⑵溥M(jìn)行更新?lián)Q代。升級(jí)換代的方向以用零極距高電密的NCH-Z 單元槽替換NCS-Z單元槽為主。初步的方案為在原有框架的基礎(chǔ)上替換成運(yùn)行電流更高、運(yùn)行電壓較NCS-Z 更低、涂層均勻穩(wěn)定的單元槽，并通過增大相關(guān)管道尺寸來適應(yīng)高電密電解槽的運(yùn)行。由于近兩年疫情和市場環(huán)境的影響，更新?lián)Q代項(xiàng)目一直沒有提上日程。2 021 年底，公司確定了年度大修時(shí)間為2022 年2月中旬，同時(shí)這2 臺(tái)電槽的更新?lián)Q代項(xiàng)目也被臨時(shí)加入到大修技措技改項(xiàng)目表中。

2.1 新電解槽的選擇

該項(xiàng)目中，新單元槽的選擇是一項(xiàng)很重要的工作。首先，由于項(xiàng)目確定時(shí)間較晚，留給這2 臺(tái)NCS-Z 電槽更新?lián)Q代的時(shí)間有限；其次，從技術(shù)層面看，國內(nèi)外都有符合高電密運(yùn)行、電壓更低、運(yùn)行穩(wěn)定的電槽，選擇余地相對(duì)較大；由于本次更換的項(xiàng)目除了單元槽外還有8 根電槽進(jìn)出口總管、系統(tǒng)總管與電槽相連的液相支管，系統(tǒng)總管與電槽相連的氣相支管、閥門等部件需要更換，所以需要綜合考慮采購及項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施的配合。此次裝置的更新?lián)Q代，不僅需要供應(yīng)商具有先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，同時(shí)需要其具有豐富的安裝經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目施工建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，綜合以上因素與各供應(yīng)商溝通后，選擇了藍(lán)星北化機(jī)為合作單位，此次改造選用其NBZ-2.7（Ⅱ）型離子膜電解槽。

2.2 藍(lán)星北化機(jī)NBZ-2.7（Ⅱ）型離子膜電解槽技術(shù)特點(diǎn)

（1）電解槽技術(shù)特點(diǎn)：NBZ-2.7（Ⅱ）型膜極距離子膜電解槽，是在早期零極距電解槽基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新后形成的新一代產(chǎn)品，其通過對(duì)內(nèi)部循環(huán)和氣液分離結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使電解槽的內(nèi)部傳質(zhì)傳熱效果更佳，通過對(duì)陰極彈性體的匹配性設(shè)計(jì)、陰極電極強(qiáng)度和組裝工藝的改善，達(dá)到改善其與離子膜的接觸狀態(tài)以及電極表面的氣液流通效果的目的。

（2）電極技術(shù)特點(diǎn)：此次選用的電解槽所用電極采用了藍(lán)星北化機(jī)公司性能最優(yōu)異的新一代電極產(chǎn)品。藍(lán)星北化機(jī)最新研發(fā)的單原子催化析氫陰極使用了單原子催化技術(shù)，在一定程度上起到了抗逆反電流的作用。有數(shù)據(jù)顯示新一代陰極的過電位更低，且經(jīng)多個(gè)逆電周期涂層殘留量更高，失重更少，有效保護(hù)涂層不受劣化，成功克服了停車后逆反電流對(duì)電極造成的傷害，在一定程度上避免極化整流器初始投資費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)成本增大，操作繁瑣的問題。

綜合以上技術(shù)的NBZ-2.7（Ⅱ）型電解槽，更加適合在更高電流密度下運(yùn)行，在行業(yè)內(nèi)已廣泛應(yīng)用，技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，非常符合浙江鎮(zhèn)洋此次設(shè)備更新?lián)Q代的技術(shù)需求。

3 NCS-Z 更新?lián)Q代項(xiàng)目實(shí)施方案概述

確定項(xiàng)目施工開始時(shí)間為公司大修的開始時(shí)間，因公司計(jì)劃大修時(shí)間為10 天，所以第9 天需要完成相關(guān)管道與系統(tǒng)連接的工作，確保Ⅱ期電解系統(tǒng)正常開車，在系統(tǒng)開車后的8 天里陸續(xù)將這2 臺(tái)電槽成功開車。具體安排見表1。

表1 NCS-Z更新?lián)Q代項(xiàng)目實(shí)施方案

4 項(xiàng)目實(shí)施過程中面臨的困難和解決方法

4.1 面臨的困難

（1）疫情原因廠方不能到廠

因?yàn)槭窃谠锌蚣苌细聯(lián)Q代，電槽固定頭和側(cè)板位置已經(jīng)不能移動(dòng)，系統(tǒng)各總管位置也已經(jīng)確定。像原有側(cè)板長度、活動(dòng)頭到中間固定頭的最遠(yuǎn)距離、側(cè)板到出口總管固定支架的距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù)需要現(xiàn)場確定，與原有管道對(duì)接的工作也需要現(xiàn)場測量。但因?yàn)橐咔樵?，出行限制，所以廠家沒有條件委派專業(yè)工程人員過來確定。

（2）實(shí)際管道焊接工期緊張

因升級(jí)的電槽與系統(tǒng)一起停車，在停車后還需要先將原來的電槽進(jìn)出口總管吊出，然后把新的電槽進(jìn)出口總管安裝完畢，槽頭相關(guān)影響新配管的老管道要進(jìn)行切割，在這個(gè)基礎(chǔ)上確定槽頭配管的位置，然后才能進(jìn)行焊接工作，所以實(shí)際管道焊接工期十分緊張。

（3）新配管路無法按常規(guī)進(jìn)行清洗吹掃試壓試漏。

（4）同一系統(tǒng)中有不同槽型的電槽導(dǎo)致操作規(guī)程的不同，增加了操作上的復(fù)雜性和不可控因素。這套系統(tǒng)有3 種槽型，即北化機(jī)最新一代NBZ-2.7（Ⅱ）型高電密自然循環(huán)復(fù)極式膜極距電解槽，旭化成原高電密電槽NCH 零極距化改造的電槽以及旭化成原裝的零極距電槽NCHZ。電槽都配有極化整流器，還有部分配有中央斷路器。雖然單元槽有較好的兼容性，但在操作細(xì)節(jié)上還是有一定的差別，同一系統(tǒng)中有不同槽型的電槽導(dǎo)致操作規(guī)程的不同，增加了操作上的復(fù)雜性和不可控因素。

4.2 解決方法

（1）因時(shí)制宜，由線下確認(rèn)轉(zhuǎn)為線上溝通，廠方提供圖紙和所需數(shù)據(jù)清單，項(xiàng)目組成員進(jìn)行實(shí)地測量。通過視頻會(huì)議、微信工作群、電話等形式深入溝通，最終完成確定單元槽數(shù)量、管道閥門供貨清單、施工方案等工作，充分做好了前期準(zhǔn)備工作。

（2）項(xiàng)目組和藍(lán)星北化機(jī)緊密聯(lián)系配合。升級(jí)換代2 臺(tái)電解槽，藍(lán)星北化機(jī)除電槽及相關(guān)配套離子膜、配管、閥門、電氣外，還涉及相應(yīng)管道焊接、和項(xiàng)目施工安裝。因大修時(shí)間為10 天，前期的總管更換需要花費(fèi)幾天時(shí)間，為保證系統(tǒng)能按時(shí)開車，項(xiàng)目組和藍(lán)星北化機(jī)雙方不斷確認(rèn)安裝材料清單及制定縝密外采、供貨、施工組織計(jì)劃以確保按期完工。項(xiàng)目組首先委托藍(lán)星北化機(jī)將閥前槽頭氣液相配管（槽頭閥門到電槽總管部分）作為標(biāo)準(zhǔn)件，在藍(lán)星北化機(jī)工廠焊接制作，現(xiàn)場只要將這些標(biāo)準(zhǔn)管道進(jìn)行安裝就可以；其次，在閥后的管道焊接過程中合理分配管段次序，先將與系統(tǒng)相連的管道焊接并試壓試漏吹掃完畢，接下去再焊其中一臺(tái)電槽管道。正值春節(jié)期間，藍(lán)星北化機(jī)按照前期制定計(jì)劃，所供設(shè)備及人員合同簽訂后25 天后陸續(xù)達(dá)到現(xiàn)場。

（3）采用現(xiàn)場預(yù)制的管路先進(jìn)行焊縫檢測，吹掃清洗后再與系統(tǒng)最后焊接，系統(tǒng)管路需焊接開口的都進(jìn)行打磨后先吹掃再焊接。

（4）通過提前與供方的技術(shù)交流，預(yù)先確定了保留極化整流器，取消中央斷路器的基本方案，開停車過程屬于DCS 控制的部分按照供方的技術(shù)要求修改程序和參數(shù)，現(xiàn)場手動(dòng)操作部分，對(duì)照北化機(jī)電槽的操作規(guī)程和原有的操作規(guī)程，兼顧長期操作的習(xí)慣做適當(dāng)修改，做到系統(tǒng)統(tǒng)一。并在開車前按規(guī)定進(jìn)行操作規(guī)程的學(xué)習(xí)培訓(xùn)。

通過這幾個(gè)措施，保證了Ⅱ期電解系統(tǒng)按時(shí)開車，也加快了項(xiàng)目進(jìn)度。

5 單元槽升級(jí)換代后運(yùn)行數(shù)據(jù)

5.1 單元槽升級(jí)換代后折標(biāo)電壓計(jì)算

最終NBZ-2.7（Ⅱ）型高電密自然循環(huán)復(fù)極式膜極距電解槽，分別于2022 年3 月7 日（B 槽）和3 月10 日（A 槽）先后投入運(yùn)行。A 槽共148 個(gè)電解單元，B 槽共146 個(gè)電解單元，配套使用旭硝子公司的F-9010 離子膜。選取2022 年3 月18 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行5.5 kA/m2折標(biāo)電壓計(jì)算。

A 槽運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值見表2。

表2 A槽運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值

其中，修訂電壓根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

V修訂值=[（V測量值-2.42）-KT（90-T陰極液）+Kc（32-C陰極液）]×λ1÷λ2+2.42=2.827（V）

B 槽運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值見表3。

表3 B槽運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值

其中，修訂電壓根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

V修訂值=[（V測量值-2.42）-KT（90-T陰極液）+Kc（32-C陰極液）]×λ1÷λ2+2.42=2.827（V）

5.2 單元槽升級(jí)換代后實(shí)際噸堿直流電耗計(jì)算

選取2022 年3 月18 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，初期電流效率按96.5%計(jì)，通過噸堿直流電耗公式進(jìn)行計(jì)算：

A 槽直流電耗=（V平均電壓×1 000）/（1.492×0.965）=（2.957×1 000）/（1.492×0.965）=2 054（kW·h/t）

B 槽直流電耗=（V平均電壓×1 000）/（1.492×0.965）=（2.958×1 000）/（1.492×0.965）=2 054（kW·h/t）

6 改造前后產(chǎn)能及電耗對(duì)比分析

6.1 單元槽升級(jí)換代前后產(chǎn)能對(duì)比

在A/B 換代前，A/B 實(shí)際運(yùn)行最大負(fù)荷12.8 kA，各有140 片單元槽，初期電流效率按96.5%計(jì)。

則A/B小時(shí)產(chǎn)能=（1.492×12.8×280×96.5）/100 000=5.16（t），若年運(yùn)行時(shí)間以340 天計(jì)，則

A/B 年產(chǎn)能=5.16×340×24=4.21（萬t）。

在A/B 換代后，A/B 實(shí)際運(yùn)行最大負(fù)荷16.2 kA，共有294 片單元槽，初期電流效率按96.5%計(jì)。

則A/B小時(shí)產(chǎn)能=（1.492×16.2×294×96.5）/100 000=6.86（t），若年運(yùn)行時(shí)間以340 天計(jì)，則

A/B 年產(chǎn)能=6.86×340×24=5.6（萬t）。

單元槽升級(jí)換代前和更換后產(chǎn)能變化情況參見表4。

表4 單元槽升級(jí)換代前后產(chǎn)能變化情況

綜上，升級(jí)換代后產(chǎn)能可增加1.39 萬t，產(chǎn)能提升幅度達(dá)到33%。

6.2 單元槽升級(jí)換代前后折標(biāo)電壓對(duì)比

單元槽升級(jí)換代前電壓情況如下。

選取2022 年2 月10 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行5.5kA/m2折標(biāo)電壓計(jì)算。

更換前A 槽運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值如下。

表5 更換到A槽運(yùn)行據(jù)據(jù)平均值

更換前B 槽運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值如下：

表6 更換到B槽運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值

對(duì)比本文5.1 節(jié)單元槽升級(jí)換代后的數(shù)據(jù)：

A 槽平均電壓變化=2.827-2.925=-0.098（V），降低98 mV。

B 槽平均電壓變化=2.827-2.954=-0.127（V），降低127 mV。

6.3 單元槽升級(jí)換代前后實(shí)際噸堿直流電耗對(duì)比

單元槽升級(jí)換代前噸堿直流電耗情況如下。

選取2022 年2 月10 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在A/B 升級(jí)前原有離子膜已運(yùn)行21 個(gè)月，離子膜原始電流效率按96.5%計(jì)，電流效率按每月下降0.1 計(jì)，則2 月份的電流效率為94.4%，通過噸堿直流電耗公式進(jìn)行計(jì)算：

單元槽升級(jí)換代前A 槽直流電耗=（V平均電壓×1 000）/（1.492×0.944）=（2.953×1 000）/（1.492×0.944）=2 097（kW·h/t）

單元槽升級(jí)換代前B 槽直流電耗=（V平均電壓×1 000）/（1.492×0.944）=（2.971×1 000）/（1.492×0.944）=2 109（kW·h/t）

對(duì)比本文5.2 節(jié)單元槽升級(jí)換代后的數(shù)據(jù)，見表7。

表7 升級(jí)換代后單元槽數(shù)據(jù)

綜上，在提高33%產(chǎn)量的情況下，A 槽直流電耗升級(jí)前后降低=2 097-2 054=43（kW·h/t），B 槽直流電耗升級(jí)前后降低=2 109-2 054=55（kW·h/t）。

6 結(jié)語

本次單元槽升級(jí)換代在保持原有框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行，用較短的時(shí)間完成升級(jí)換代工作，通過升級(jí)新電極單元槽的方法，配合公司錯(cuò)峰運(yùn)行的環(huán)境，達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果。在項(xiàng)目的實(shí)施過程中也遇到了一些困難，在各方的努力下舊電槽裝置在18 天內(nèi)完成了更新?lián)Q代，實(shí)施過程也可以給同行提供一些參考。