氯堿化工生產(chǎn)中的能源利用

王文峰，陳建剛

（山東新龍集團(tuán)有限公司，山東 壽光 262709）

1 離子膜燒堿裝置節(jié)能改造的意義

山東新龍集團(tuán)有限公司20萬(wàn)t/a離子膜燒堿節(jié)能技改項(xiàng)目于2010年11月、2012年9月分二期建成并投產(chǎn)，該工程項(xiàng)目由1套獨(dú)立的離子膜電解廠房和滿足20萬(wàn)t/a離子膜燒堿生產(chǎn)的配套工程及附屬工程組成。在兩年多的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)整套裝置運(yùn)行情況不斷進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)，結(jié)合以往的氯堿生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)裝置除自身固有的節(jié)能優(yōu)勢(shì)外，在生產(chǎn)系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)也還存在較大的節(jié)能改造空間。通過(guò)改造，可充分、有效利用生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢熱、余熱及其他再生能源，進(jìn)一步減少能源損失，降低生產(chǎn)及運(yùn)行成本，在環(huán)境保護(hù)方面也具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 改造前生產(chǎn)狀況

該公司燒堿生產(chǎn)能力為20萬(wàn)t/a，年可聯(lián)產(chǎn)干純氯氣約1.77噸，為調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，延伸生產(chǎn)鏈條，2012年配套建設(shè)了10萬(wàn)t/a的50%燒堿項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)整套生產(chǎn)裝置及系統(tǒng)工藝進(jìn)行詳細(xì)審核，發(fā)現(xiàn)在以下4個(gè)方面存在較大的改造空間。

（1）電解工序生產(chǎn)出來(lái)的氣態(tài)氯氣溫度為85～90℃，并被水蒸氣飽和，內(nèi)含大量熱能。該氯氣經(jīng)洗滌、降溫、干燥處理，最后輸送至液氯工序，經(jīng)冷凍后制成液態(tài)成品氯。在整個(gè)流程環(huán)節(jié)，氯氣所含的熱能不但未被有效利用，而且在洗滌、降溫、冷卻時(shí)還耗費(fèi)了大量的冷量，造成了較大的能量損失。

（2）在氯的衍生產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，要使用大量的高純氣氯作為原料，高純氣氯的制得需要將-17℃左右的低溫液氯汽化，而低溫液氯自身具有較多的冷量，這部分冷量可用來(lái)對(duì)某些需要降溫的物料進(jìn)行間接冷卻，從而在一定程度上能減少因冷凍降溫而造成的能量消耗。

（3）50%燒堿生產(chǎn)工序需要消耗大量的高溫蒸汽，濃縮32%離子膜燒堿，產(chǎn)生的溫度較高的Ⅰ效蒸汽冷凝水經(jīng)過(guò)大氣冷卻降溫后送至鹽水車(chē)間用于化鹽，Ⅱ效、Ⅲ效的弱堿性蒸汽冷凝水也經(jīng)過(guò)冷卻后送至鹽水車(chē)間進(jìn)行化鹽，這兩部分蒸汽冷凝水的溫度較高，并具有較大的熱能，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中卻存在著一定的熱能損失。Ⅰ效蒸汽冷凝水的水質(zhì)等同于純水水質(zhì)，用于化鹽也是浪費(fèi)資源，完全可以以其較高的品質(zhì)用作他用。

（4）在鹽酸合成工序中，氯氣與氫氣反應(yīng)生成氯化氫伴隨釋放出大量反應(yīng)熱，即每合成1 kg氣態(tài)氯化氫約釋放出2 532 kJ的反應(yīng)生成熱。氯氣與氫氣在合成爐內(nèi)以燃燒形式反應(yīng)生成氯化氫，火焰中心區(qū)溫度達(dá)到2 500℃以上，生成的氯化氫氣體溫度為2 000℃以上，在氯化氫氣體溶解于水生成鹽酸時(shí)，又有溶解熱放出，平均每千克氯化氫約放出1 692.4 kJ的溶解熱（平均積分溶解熱），這些熱量相當(dāng)可觀，但未被有效利用，存在著熱能的浪費(fèi)。

3 節(jié)能技改思路

為更高效利用潛在和顯在的能量，決定跨公司、跨車(chē)間、跨工序進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，以便將生產(chǎn)過(guò)程中流失的部分能源得以充分整合及利用，通過(guò)橫向和縱向的調(diào)配，爭(zhēng)取達(dá)到能量及資源利用的最大化。針對(duì)以上思路，一是對(duì)于未采取能源利用的生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)潛在能量進(jìn)行挖掘利用；二是對(duì)于能源綜合利用率低的工藝進(jìn)行再次改造，提高能源的利用率。

4 改造實(shí)施方案

（1）氯氣與鹽水換熱

利用85～90℃并被水蒸氣飽和的高溫濕氯氣來(lái)加熱一次鹽水，利用這部分熱量將從鹽水生產(chǎn)工序送至電解工序的五十?dāng)z氏度左右的精鹽水，加熱至五十七攝氏度左右，不但能降低加熱鹽水需用的蒸汽消耗量，也能相應(yīng)減少氯氣干燥處理工序氯氣冷卻降溫需用的冷凍水冷量。

（2）液氯與氣氯換熱

將氯氫工序氯壓機(jī)輸送出來(lái)的三十五攝氏度左右的氣態(tài)氯與經(jīng)過(guò)冷凍站降溫冷卻后的-17℃左右的低溫液態(tài)氯通過(guò)換熱器設(shè)備進(jìn)行間接換熱，氣態(tài)氯降溫后被送至氟利昂冰機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行冷凍液化，而液態(tài)氯升溫并經(jīng)過(guò)進(jìn)一步氣化后，作為高純氯氣送至下游工序。氣態(tài)氯和液態(tài)氯彼此之間進(jìn)行能量交換，不僅減少了液氯氣化所需要的蒸汽使用量，也降低了進(jìn)氟利昂機(jī)組的氯氣的溫度，相應(yīng)地降低了氟利昂液化機(jī)組的能量消耗。

（3）50%燒堿Ⅰ效蒸汽冷凝水綜合利用

將50%燒堿蒸發(fā)工序產(chǎn)生的等同于純水水質(zhì)的Ⅰ效蒸汽冷凝水用不銹鋼貯罐進(jìn)行收集，不再經(jīng)過(guò)冷卻送至鹽水工序化鹽使用，而是直接送至鍋爐車(chē)間除氧器用于制取蒸汽，不但能節(jié)省一部分鍋爐用水量，還能節(jié)省很大一部分鍋爐水溫加熱需用的蒸汽量。

（4）50%燒堿Ⅱ效、Ⅲ效的蒸汽冷凝水和鹽酸合成爐燃燒熱綜合利用

將50%燒堿蒸發(fā)工序Ⅱ效、Ⅲ效產(chǎn)生的六十?dāng)z氏度左右的熱水以及鹽酸合成爐副產(chǎn)的六十四攝氏度左右的熱水匯集，一并進(jìn)入熱水循環(huán)槽，經(jīng)蒸汽加熱至九十八攝氏度左右，由熱水循環(huán)泵將槽內(nèi)熱水送至溴化鋰機(jī)組使用。經(jīng)過(guò)機(jī)組作功后排出的熱水大約為五十五攝氏度，送入鹽酸合成爐吸熱后經(jīng)過(guò)加溫達(dá)到98℃再次送入溴化鋰機(jī)組，循環(huán)使用，多余熱水被輸送至一次鹽水工序化鹽。本工藝改造既利用了熱水的熱量進(jìn)行制冷，又避免了蒸發(fā)工序產(chǎn)生的熱水因溫度過(guò)高而無(wú)法直接進(jìn)行化鹽生產(chǎn)，熱水的熱量有效地得到了利用。

5 改造后節(jié)能效果

（1）氯氣與鹽水換熱

a.計(jì)算依據(jù)

生產(chǎn)規(guī)模：20萬(wàn)t/a燒堿；年生產(chǎn)時(shí)間：8 000 h；鹽水進(jìn)換熱器溫度：50℃；鹽水出換熱器溫度：57℃；鹽水流量：260 m3/h；鹽水比熱：3 886 kJ/m3；標(biāo)煤發(fā)熱量：29 307 kJ/kg。

b.熱量計(jì)算

鹽水從50℃升至57℃時(shí)所需要的熱量為：

Q=cmΔt

=260×3 886×（57-50）=7 072 520（kJ/h）

每小時(shí)可節(jié)省標(biāo)煤：

7 072 520÷29 307÷1 000=0.24（t）

全年可節(jié)省標(biāo)煤：8 000×0.24=1 920（t）

（2）液氯與氣氯換熱

a.計(jì)算依據(jù)

生產(chǎn)規(guī)模：20萬(wàn)t/a燒堿；年生產(chǎn)時(shí)間：8 000 h；條件：氯氣成份（干）97%；溫度：氯氣經(jīng)冷卻器冷卻，溫度從35℃降到5℃。

35℃時(shí)氯氣比熱為 0.487 kJ/kg℃；5℃時(shí)氯氣比熱為 0.483 kJ/kg℃；35℃時(shí)空氣比熱為1.013 kJ/kg℃；5℃時(shí)空氣比熱為 1.009 kJ/kg℃。標(biāo)煤發(fā)熱量為29 307 kJ/kg。

b.物料計(jì)算

每小時(shí)氯氣量：22÷8 000×0.885=24.34（t/h）

每小時(shí)空氣量：24.34×1.3×0.03×29=0.28（t/h）（29為空氣分子量）

c.熱量計(jì)算

氣體帶入熱量

氯氣帶入熱量：Q1=cmΔt=24.34×1 000×0.487×35=414 875（kJ）；

空氣帶入熱量：Q2=cmΔt=0.28×1 000×1.013×35=9 927（kJ）；

氣體帶出熱量

氯氣帶出熱量：Q3=cmΔt=24.34×1 000×0.483×5=58 781（kJ）；

空氣帶出熱量：Q4=cmΔt=0.28×1 000×1.009×5=1 412（kJ）；

液氯利用熱量

Q=Q1+Q2-Q3-Q4=364 609（kJ）。

此換熱既可以減少液氯氣化所需的蒸汽熱量，又可以減少冰機(jī)液化氯氣所吸收的熱量。實(shí)際節(jié)省的能量為2Q。

折標(biāo)煤：364 609×2÷29 307÷1 000＝0.025（t/h）。

全年可節(jié)省標(biāo)煤：0.025×8 000 h=200（t）。

（3）50%燒堿Ⅰ效蒸汽冷凝水綜合利用

a.計(jì)算依據(jù)

熱水比熱為4.187 kJ/kg.℃，標(biāo)煤發(fā)熱量為29 307 kJ/kg；純水在除氧器由20℃加熱至105℃；50%燒堿產(chǎn)能10萬(wàn)t/a；噸堿耗蒸汽約500 kg/t；蒸汽冷凝水溫度97℃。

b.熱量計(jì)算

蒸汽冷凝水從20℃升至97℃時(shí)所需要的熱量為：

Q=cmΔt=100 000×500×4.187×（97-20）

=16 119 950 000（kJ）

則全年可節(jié)省標(biāo)煤：16 119 950 000÷29 307÷1 000=550.04（t）

（4）鹽酸合成爐燃燒熱綜合利用

a.計(jì)算數(shù)據(jù)

鹽酸工序單臺(tái)合成爐鹽酸產(chǎn)量為80 t/d，年生產(chǎn)時(shí)間8 000 h；熱水進(jìn)入系統(tǒng)溫度55℃；出系統(tǒng)溫度64℃；HCl≥31%；空氣中氧氣含量為21%；氫氣和氧氣的燃燒熱為484 kJ/mol；熱水比熱為4.187 kJ/kg；標(biāo)煤發(fā)熱量為29 307 kJ/kg，尾氯氧氣含量為18%，尾氯純度為70%。

b.物料和熱量計(jì)算

鹽酸合成爐燃燒熱部分

物料計(jì)算

氯化氫產(chǎn)量：80×1 000÷24×0.31÷36.5

=28.3（kmol/h）；

純氯氣進(jìn)量：28.3÷2=14.15（kmol）；

氫氣進(jìn)量：14.15（kmol）；

氧氣進(jìn)量：14.15÷0.7×0.18=3.64（kmol/h）。

熱量計(jì)算

氫氣與氯氣燃燒熱為：14.15×184.8×1 000

=2 614 920（kJ/h）；

氫氣與氧氣燃燒熱為：3.64×484×1 000

=1 761 760（kJ/h）；

總熱量為：1 761 760+2614920=4376680（kJ/h）；

熱水流量為：V=Q/（c×△t ）=4376680÷4.187÷9=116 144（kg/h）=116（m3/h）；

全年可節(jié)省標(biāo)煤 4 376 680×8 000÷29 307÷1 000=1 194.7（t）。

（5）50%燒堿Ⅱ效、Ⅲ效的蒸汽冷凝水綜合利用

a.物料計(jì)算

32%燒堿密度：1.31 g/mL；50%燒堿密度：1.51 g/mL。

按年產(chǎn)50%燒堿10萬(wàn)t計(jì)算

1 m350%燒堿含堿為：1.51×50%=0.755（t）；

生產(chǎn)1 m350%燒堿需要32%燒堿為：0.755÷0.32÷1.31=1.8（m3）；

生產(chǎn)1 m350%燒堿產(chǎn)生水量為：1.8×1.31-1.51=0.85（m3）；

生產(chǎn)10萬(wàn)t 50%燒堿產(chǎn)生水量為：100 000÷1.51×0.85=56 291.39（m3）。

b.熱量計(jì)算

熱水比熱為4.187kJ/kg，標(biāo)煤發(fā)熱量為29 307 kJ/kg

Q=cmΔt=56 291.39×4.187×1 000×5

=1 178 460 200（kJ）；

年可節(jié)約標(biāo)煤：1 178 460 200÷29 307

=40 211 kg=40.2（t）。

6 改造后年可節(jié)省標(biāo)煤量、純水量的經(jīng)濟(jì)效益

1年節(jié)省標(biāo)煤總量1 920+200+550.04+1 194.7+40.2=3 904.94（t），按當(dāng)前本地區(qū)標(biāo)煤價(jià)格 670元/t計(jì)算，每年可節(jié)省費(fèi)用=670×3904.94≈261.63（萬(wàn)元），50%堿蒸發(fā)冷凝水回鍋爐年可節(jié)省純水量 （按全年10萬(wàn)t 50%堿生產(chǎn)量計(jì)算）=500×100 000÷1 000=50 000 t，按每噸純水價(jià)格6.0元計(jì)算，年節(jié)省水費(fèi)=6×50 000=30.0（萬(wàn)元）。

2項(xiàng)合計(jì)，年可節(jié)省費(fèi)用291.63（萬(wàn)元）。