氯堿化工綠色低碳技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

趙長森，袁 平，邊偉康，童 剛，牛 強

（內(nèi)蒙古鄂爾多斯電力冶金集團股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016064）

氯堿化工主要聯(lián)產(chǎn)燒堿、PVC 兩大基礎(chǔ)化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、建筑、軍工、交通等領(lǐng)域，在全球經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的地位。 中國是全球氯堿PVC 生產(chǎn)大國，產(chǎn)量占比約50%，其中國內(nèi)PVC 工藝以煤炭-電石法為主，國外以石油-乙烯法為主。 中國“貧油少氣富煤”的能源結(jié)構(gòu)決定了國內(nèi)乙烯法PVC 相較國外處于劣勢，因此，電石法PVC 更符合中國實際國情，可有效緩解國家對于石油進口的依賴，降低能源安全風(fēng)險。 同時，以塑代鋼，以塑代木已成為行業(yè)發(fā)展趨勢，中國作為消費大國， 近年人均PVC 消費尚不及發(fā)達國家的60%，市場仍具潛力。 以內(nèi)蒙古為代表的西北地區(qū)基于獨特的資源優(yōu)勢，是全國乃至全球電石法PVC 的成本洼地，是國內(nèi)最適合的產(chǎn)業(yè)基地之一，地區(qū)總體產(chǎn)能達到全國的四分之一，全球的十分之一[1]。

自黨的十八大以來，中共中央、國務(wù)院頒發(fā)《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》，將綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、 低碳發(fā)展作為建設(shè)生態(tài)文明的基本途徑。其中，在雙碳背景下，能源低碳轉(zhuǎn)化是循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分，帶有強烈的時代背景。 其中，工業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型升級是可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系；促進能源高質(zhì)量發(fā)展和經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型；科學(xué)有序地推動實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)，為建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟體系提供保障。 氯堿化工的綠色低碳可持續(xù)發(fā)展面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)[2]。

1 綠色低碳關(guān)鍵問題

在國際國內(nèi)綠色低碳雙重背景下，氯堿化工問題聚焦在氯乙烯無汞化、新能源耦合、降碳新技術(shù)、三廢循環(huán)利用、產(chǎn)品附加值提升上[3]。（1）無汞化。電石法氯乙烯轉(zhuǎn)化采用含汞催化劑，《關(guān)于汞的水俁公約》規(guī)定了含汞催化劑退出節(jié)點，直接關(guān)系到產(chǎn)業(yè)生存與發(fā)展[4]；（2）新能源應(yīng)用。 光伏/風(fēng)電新能源與氯堿新老產(chǎn)業(yè)的耦合發(fā)展是實現(xiàn)源頭控碳的重要路徑，目前還處于初期摸索階段；（3）燒堿節(jié)能降耗。 氯堿能耗絕大部分來自燒堿單元，缺乏對于原鹽-電解槽作用機理以及配鹽應(yīng)用的基礎(chǔ)研究[5]；（4）PVC 附加值提升。 PVC 樹脂在塑料制品中附加值較低，且電石法PVC 價格不及乙烯法，特種PVC樹脂以及電石法PVC 樹脂提質(zhì)的研究與應(yīng)用迫在眉睫；（5）電石渣循環(huán)利用[6]。 氯堿產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)大量電石渣，目前除雜機理及應(yīng)用研究不深入，導(dǎo)致電石渣規(guī)模化循環(huán)利用不足；（6） 二氧化碳高效轉(zhuǎn)化。適用于電石法氯堿產(chǎn)業(yè)的二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化技術(shù)是實現(xiàn)碳中和的重要手段，尚處于初級階段。 這些問題嚴重制約氯堿產(chǎn)業(yè)的綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

2 綠色低碳技術(shù)進展

在國家及自治區(qū)戰(zhàn)略背景下，鄂爾多斯電冶集團依托當(dāng)?shù)丶爸苓呚S富且高品質(zhì)的煤炭、 石灰石、原鹽、蘭炭等礦產(chǎn)資源，建立并不斷提升“石灰石-風(fēng)光火儲多能互補綠色智能獨立電網(wǎng)-電石-燒堿/PVC-水泥/脫硫劑”的綠色低碳氯堿循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈能效水平，構(gòu)成了上下游產(chǎn)品有序鏈接、多層次利用、轉(zhuǎn)化增值的循環(huán)經(jīng)濟模式，具有顯著的高運營效率、高能源利用率、高市場競爭力、高度節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)優(yōu)勢。 電冶集團現(xiàn)有石灰石產(chǎn)能510 萬t/a，電石產(chǎn)能120 萬t/a， 氯堿PVC 產(chǎn)能80 萬t/a、 燒堿60 萬t/a。

鄂爾多斯電冶集團氯堿化工在國家綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的指引下， 長期致力于打造資源循環(huán)化、能源低碳化、生產(chǎn)自動化、工廠智能化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的現(xiàn)代化新型氯堿化工產(chǎn)業(yè)，通過技術(shù)和管理持續(xù)改進，燒堿、PVC 能耗遠低于國標(biāo)先進值，綠色指數(shù)達到行業(yè)先進。 自主開發(fā)與合作引進了成熟可靠、行業(yè)先進的綠色、低碳工藝技術(shù)及設(shè)備，不僅在困擾氯堿行業(yè)的汞削減與無汞化、乙炔回收、廢硫酸處理、電石渣利用、高鹽水零排放、余熱梯級利用等環(huán)保降碳問題上實現(xiàn)了技術(shù)升級， 還通過自動化、信息化、智能化平臺建設(shè)，進一步提升了能源管控水平，取得了“綠色、節(jié)能、科學(xué)、高效”的運行效果。

2.1 綠色技術(shù)進展

（1）汞削減。 從“人、機、料、法、環(huán)、測”上持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，延長汞觸媒使用壽命，通過對用汞的精益管理，持續(xù)降低了汞觸媒消耗（36.7 g/t PVC），達到國內(nèi)一流水平，獲得了“全球環(huán)境基金-中國聚氯乙烯生產(chǎn)汞削減及最小化示范項目”。

（2）無汞化。 電冶集團自2015 年成立了技術(shù)專項攻關(guān)組開展無汞催化技術(shù)的研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用，投資5 億元， 實現(xiàn)了無汞催化生產(chǎn)技術(shù)的重大突破，解決了催化劑壽命短、副產(chǎn)物量大、誘導(dǎo)期長、黃金流失嚴重等一系列核心問題，建設(shè)了全球首家電石法PVC 無汞規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)示范工廠，獲得了國家生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心的鑒定，對全球存量及增量PVC 產(chǎn)業(yè)做出了重要的探索和示范。

（3）電石渣利用。 電石渣全部就地資源化利用，年生產(chǎn)100 萬t水泥、80 萬t脫硫劑。 其中，利用窯頭窯尾廢氣中的熱量， 配套一臺熱風(fēng)爐輔助補充熱源，年生產(chǎn)脫硫劑80 萬t，是國內(nèi)最大的電石渣制脫硫劑生產(chǎn)裝置，所有脫硫劑直接回用于電冶集團自有電力使用。 該裝置生產(chǎn)工藝先進，實現(xiàn)了電石渣資源化高效利用， 減少了對于石灰石原生礦的開采。

（4）廢硫酸處理。 工業(yè)應(yīng)用了行業(yè)首臺套乙炔廢硫酸裂解循環(huán)利用技術(shù)，徹底解決了生產(chǎn)過程的廢硫酸問題，實現(xiàn)了循環(huán)利用，節(jié)能環(huán)保效益顯著，并在行業(yè)進行了推廣。

（5）乙炔氣回收。 工業(yè)應(yīng)用了電石渣漿回收乙炔氣技術(shù)、加料貯斗回收乙炔氣技術(shù)、精餾尾氣回收技術(shù)，改善了勞動作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了乙炔氣的高效回收利用，降低了單位PVC 的電石消耗，降耗增效顯著。

（6）其他環(huán)保技術(shù)。 通過自主開發(fā)以及與行業(yè)先進單位合作， 工業(yè)應(yīng)用了燒堿廢硫酸提濃技術(shù)、高效電石破碎及除塵技術(shù)、電石粉塵密閉回用技術(shù)等，實現(xiàn)了工業(yè)“三廢”的高效利用，同時也在不斷迭代現(xiàn)有技術(shù)，促進生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的和諧友好。

2.2 低碳技術(shù)進展

（1）新能源利用。 首期與中國三峽新能源集團合作建設(shè)200 MW 光伏可再生能源替代示范工程項目，現(xiàn)已并網(wǎng)發(fā)電，所發(fā)綠電全部接入自有電力微網(wǎng)系統(tǒng)全額消納， 用于燒堿單元制備 “綠堿”產(chǎn)品。 同時，落地了地區(qū)首個零碳無塵智慧物流示范項目，以自建光伏綠電項目為能源基礎(chǔ)，將綠電轉(zhuǎn)換為園區(qū)物流運輸?shù)男聞恿υ矗瑥木G電到電動重卡的“零碳物流”，全部用于氯堿化工原料與生產(chǎn)過程的短途運輸， 每年可實現(xiàn)減少二氧化碳排放量3 萬t以上。

（2）燒堿降碳。 搭建了模試裝置，開展了電解機理、 原鹽組分對離子膜和槽電壓影響規(guī)律的研究，結(jié)合模試和生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化了實際生產(chǎn)中原鹽摻配、鹽水精制處理等工藝過程，使系統(tǒng)能耗遠低于國標(biāo)先進值，同時延長了離子膜使用壽命，降低了綜合生產(chǎn)成本。

（3）高鹽水低碳零排放。 構(gòu)建了工業(yè)高鹽廢水與燒堿單元的耦合發(fā)展， 主要工藝采用反滲透提濃、納濾分離一價二價鹽、冷凍結(jié)晶、超級氧化技術(shù)，10%的淡鹽水回用燒堿單元化鹽，使高鹽水無需大規(guī)模MVR 處理，大幅降低了能耗，實現(xiàn)了高鹽水處理低碳零排放。

（4）產(chǎn)品碳增值。 對標(biāo)乙烯法PVC，建立了“表征-分析-中試-工業(yè)化-下游應(yīng)用-再驗證-企標(biāo)固化-穩(wěn)定生產(chǎn)”的研究應(yīng)用平臺，樹脂品質(zhì)得到大幅提升，可在透明片材、樹脂瓦及部分超透膜的使用上替代乙烯法PVC 樹脂，增值空間大，還將進一步迭代提升樹脂質(zhì)量。

（5）余熱梯級利用。 氯化氫合成采用三合一石墨合成爐，副產(chǎn)蒸汽壓力達到0.45 MPa，直接應(yīng)用并入系統(tǒng)低壓蒸汽管線，送往各用汽裝置，單臺爐產(chǎn)蒸汽量達到3.8 t/h， 減少電廠送入蒸汽總量的40%；用VCM 轉(zhuǎn)化熱水進行溴化鋰制冷，全年60%的時間無需使用離心機制冷。 并將蒸汽凝液直接加入合成爐，可增產(chǎn)蒸汽1.5 t/h；利用低品位熱源（放散蒸汽、減溫減壓蒸汽等，90 ℃以上），采用ORC 有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)發(fā)電，有機工質(zhì)吸收余熱生成具有一定溫度壓力的蒸汽進入透平機械膨脹做功，帶動電機發(fā)電，不斷循環(huán)。

（6）節(jié)水改造。 通過將冷卻塔風(fēng)機運行方式改為變頻器控制避免冷卻塔風(fēng)機全負荷啟動造成的不必要的水量蒸發(fā)， 對燒堿化鹽系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)對外界處理后的高鹽水進行二次利用，加大循環(huán)水換熱溫差，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，乙炔發(fā)生回用檢修廢水及部分生產(chǎn)廢水，機封水密閉回收技術(shù)應(yīng)用，采用電磁除垢新技術(shù)實現(xiàn)循環(huán)水零外排等成套節(jié)水技術(shù)，實現(xiàn)年節(jié)水量50 萬t以上。

（7）其他節(jié)能技術(shù)。 固堿四效降膜蒸發(fā)技術(shù)由串聯(lián)的四組蒸發(fā)器組合構(gòu)成，設(shè)備整個加熱系統(tǒng)蒸汽加熱均勻、料液為液膜式流動蒸發(fā)，具有傳熱效率高、加熱時間短等特點。 多次循環(huán)利用二次蒸汽，可以有效降低設(shè)備的能耗， 減少蒸汽使用費用；真空程度較高，降低蒸發(fā)溫度，部分二次蒸汽經(jīng)過熱壓泵與生蒸汽的混合，節(jié)省較多的新鮮蒸汽。 同時，裝置升級沸騰干燥床，蒸汽消耗0.37 t/t PVC，遠低于行業(yè)先進值；并且對大型風(fēng)機、給水泵采用了變頻控制，運行能耗大幅降低。

2.3 信息化進展

（1）氯堿化工智能工廠建設(shè)。 定制化開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用MES 系統(tǒng)，與氯堿化工的深度融合，打通了離子膜燒堿-乙炔發(fā)生-氯乙烯轉(zhuǎn)化-PVC 聚合各個工序的信息孤島，顯著提升了生產(chǎn)調(diào)度水平和能源管理水平，節(jié)能降耗達到2%；通過設(shè)備智能巡檢系統(tǒng)定制化開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用，包含了氯堿化工80%以上的設(shè)備，實現(xiàn)了從計劃檢維修和事后檢維修向預(yù)測性檢維修的轉(zhuǎn)變， 大大提高了設(shè)備運轉(zhuǎn)效率，減少了非停2%， 顯著提升了企業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定性和運營效率；全面打造了自動化、數(shù)字化、智能化工廠，已通過信息化系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程工藝控制系統(tǒng)智能化，開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用合成爐自動點火、發(fā)生器自動上料、VCM 一鍵換堿、水洗塔一鍵換水、一鍵切酸系統(tǒng)、尾冷一鍵切換、發(fā)生器一鍵排渣功能，降低了人員干預(yù)影響，提升了智能化水平。

（2）能源管理信息化平臺建設(shè)。 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析建成了能源管理信息化平臺，具備數(shù)據(jù)采集-安裝傳感器和監(jiān)測設(shè)備， 收集生產(chǎn)過程中的能源數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)整合-將收集的數(shù)據(jù)傳輸至能源管理系統(tǒng)平臺，進行數(shù)據(jù)清洗和整合；數(shù)據(jù)分析-利用能源管理系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)分析，找出能源消耗的瓶頸和改進空間； 成果評估-通過對比歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，評估能源管理系統(tǒng)的實施效果等多項功能，實現(xiàn)了提高能源利用效率、減少能源浪費、提高生產(chǎn)過程可控性、優(yōu)化生產(chǎn)流程的效果。

3 綠色低碳技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

氯堿化工產(chǎn)業(yè)緊緊圍繞著綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展主題， 將重點開展一系列關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與突破。 在綠色技術(shù)上，開展氯乙烯無汞成套技術(shù)、電石渣制活性氧化鈣回用電石、二氯乙烷深度提純等典型工藝技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；在低碳技術(shù)上，重點開展光伏新能源耦合氯堿、 二氧化碳加氫制化學(xué)品、PVC 樹脂附加值提升等典型工藝技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化， 加速實現(xiàn)氯堿產(chǎn)業(yè)的能源利用清潔化、生產(chǎn)制造智能化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精品化的可持續(xù)發(fā)展之路。

通過對設(shè)備智能化監(jiān)測以及工藝智能化調(diào)整兩大維度研發(fā)與應(yīng)用，以數(shù)字孿生、智能仿真等信息化技術(shù)為核心驅(qū)動力， 實現(xiàn)對生產(chǎn)過程實時管控、仿真模擬、精準(zhǔn)預(yù)測、智能優(yōu)化，全力打造行業(yè)的數(shù)字化“燈塔工廠”，實現(xiàn)從信息化到局部智能化再到全面智能化的快速轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》 明確了工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型路徑后，鄂爾多斯電冶集團一方面深入推進節(jié)能降碳，提高循環(huán)產(chǎn)業(yè)能源利用效率；另一方面推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級， 大力發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)，穩(wěn)步實施“源頭控碳、過程降碳、謀求碳增值，綠色循環(huán)經(jīng)濟”， 加速實現(xiàn)了綠色低碳高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

氯堿化工作為鄂爾多斯電冶集團的拳頭產(chǎn)業(yè)之一，踐行國家和集團綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，堅持以科技創(chuàng)新和戰(zhàn)略投資驅(qū)動產(chǎn)業(yè)升級，立足工業(yè)綠色低碳發(fā)展實際，結(jié)合碳達峰碳中和目標(biāo)，建設(shè)無汞、新能源-氯堿耦合等更多的綠色低碳示范項目，同時加快數(shù)字化低碳解決方案的應(yīng)用與推廣，以期加快推進氯堿行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型。