氯堿行業能源消耗現狀及節能技術應用進展

李素改

（中國氯堿工業協會，天津 300192）

1 氯堿行業能源消耗現狀

1.1 氯堿行業能源消耗現狀及相關政策

中國氯堿工業經過80多年的發展，生產技術和裝備水平不斷提高，行業整體綜合能耗水平也隨之提高。中國“缺油、少氣、富煤”的能源現狀使中國氯堿形成了以燒堿和電石法聚氯乙烯為主要產品的產業結構。西部地區的大型煤電鹽化一體化發展模式和東部地區的氯資源多次利用發展模式進一步提高了資源和能源的利用效率和產業集中度。

氯堿行業屬能源密集型行業，主要體現在燒堿生產的電耗方面。根據燒堿產量和行業單位產品平均電耗估算，2013年全國燒堿耗交流電共計約665億kW·h，約占全國總發電量1.27%。較高的能源消耗狀態，提供了行業節能減排空間。

國家《節能減排“十二五”規劃》提出，2015年，全國萬元國內生產總值能耗下降到0.869 t標準煤（按2005年價格算），比2010年的1.034 t標準煤下降16%（比2005年的1.276t標準煤下降32%）。“十二五”期間，實現節約能源6.7億t標準煤。主要節能指標中，對燒堿提出了較為具體的指標要求，單位產品燒堿（離子膜）綜合能耗由2010年的351 kg標準煤/t下降到331 kg標準煤/t[1]。

為進一步適應促進節能減排，推動產業結構調整的有關要求，應國家發展改革委資源節約和環境保護司的要求，2013年，中國氯堿工業協會負責組織完成了 《燒堿單位產品能源消耗限額》（2007版）標準的重新修訂及 《聚氯乙烯樹脂單位產品能源消耗限額》標準的制定工作。新標準中，對新建裝置單位產品能耗限額準入值提出了更加嚴格的要求。燒堿和聚氯乙烯兩大主要產品的準入值均以行業先進值為基礎，根據實際生產運行情況確定。兩項標準已于2013年11月底，充分形成報批稿上報有關部委。

面對行業過快的產能增長及國家為實現節能減排和調整產業結構出臺的一系列相關政策，氯堿行業節能減排壓力巨大。

1.2 綜合能耗情況

根據中國氯堿工業協會統計，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：五年內通過產品結構調整和節能技術的推廣應用，燒堿單位產品綜合能耗呈現逐年遞減的趨勢，燒堿行業的節能降耗水平可以歸納為以下幾個方面。

（1）2008年以后，隔膜法電解槽經過了普通陽極到擴張陽極+改性隔膜技術改造，加上一次鹽水過濾技術的不斷提高，使得燒堿單位產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達到了一定水平，基本不再具有節能空間。

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

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

2 氯堿行業節能技術應用情況

隨著氯堿行業的快速發展，一些先進適用節能技術和裝備得到很好的推廣應用，促進了氯堿行業節能減排水平不斷提高。

燒堿生產的核心設備電解槽經歷了水銀法電解槽、隔膜法電解槽及其節能的擴張陽極加改性隔膜電解槽，特別是離子膜法燒堿生產工藝逐步替代隔膜法生產工藝使得行業產品結構發生較大的變化，尤其是自2008年以來膜極距電解槽及其相關改造技術的不斷應用，使燒堿行業整體綜合能耗水平呈現逐年下降的趨勢。特別是離子膜國產化的成功應用，將為中國氯堿工業的發展提供強有力的保障。

聚氯乙烯生產中的主要設備聚合釜技術發展經歷了從 30 m3、70 m3到目前的 135 m3的大型聚合釜的轉變，裝置生產能力也由5 000 t/a臺提高到67 000 t/a臺；聚氯乙烯生產過程廢棄物治理及綜合利用、干法乙炔發生配套干法水泥生產技術、電石渣綜合利用技術等有力地促進了電石法聚氯乙烯向大型化、清潔化方向發展；低汞觸媒的推廣和應用以及無汞觸媒的研發對平衡我國能源需求結構產生了重要影響。下面列舉幾種較為典型的氯堿節能技術的應用實例。

2.1 新型高效節能膜極距離子膜電解槽技術

2008年以來，國內新建氯堿項目絕大部分都采用了膜極距離子膜電解制堿技術，該技術已成為燒堿行業節能減排取得重大進展的助力之一。北京藍星化工股份有限公司通過自主研發的零極距NBZ-2.7電解槽，自2009年已經成功應用到國內氯堿企業，并取得了良好的效果。近幾年在國內市場已經有了較高的占有率。該技術不僅適用于新建項目，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電解槽在國內都有實際應用。

膜極距復極式離子膜電解槽是通過降低電解槽陰極側溶液的電壓降，從而達到節電效果。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電結構和柔性微網陰極，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，槽電壓也相應降低。膜極距電槽與傳統的電解槽比較，從電解槽的結構、電極的材質、涂層的活性、電解性能等方面都有了很大的提高。當前行業最廣泛使用的高電流密度電解槽中，膜極距電解槽節能優勢更加明顯，改造后單元槽槽電壓比改造前可降低0.2V左右。根據電化當量公式計算，離子膜電解槽槽電壓每降低0.1V，t堿可節電約Q=0.1×1 000/1.492×0.95=70 （kW·h）。

行業推廣情況：2013年全國燒堿產能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能約為1 500萬t/a，還有大約2 140萬t/a的產能需要改進，若全部改為膜極距電解槽，每年可節電能約 2 140×0.2×70=2.996 （億kW·h/a）。

2.2 三效逆流離子膜燒堿蒸發濃縮技術

三效逆流蒸發工藝中，蒸發的操作流程為逆流：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，同傳統的二效蒸發及三效順流工藝相比，三效逆流及多效蒸發具有汽耗低的顯著特點。基本原理為32%堿液通過原液堿泵送到Ⅲ效加熱器，蒸發濃縮后的堿液由Ⅲ效堿泵送到進Ⅱ效加熱器，堿液在Ⅱ效加熱器里與殼程加熱蒸汽進行間接換熱使溫度升至沸點，蒸發濃縮后的堿液由Ⅱ效堿泵送到Ⅰ效加熱器進行間接加熱升溫蒸發，堿液在Ⅰ效加熱器里與管間加熱蒸汽進行間接換熱使溫度升至沸點，最后從Ⅰ效加熱器底部流出進入Ⅰ效蒸發罐，沸點狀態下的堿液進入Ⅰ效蒸發罐后產生急劇蒸發濃縮，這時堿液濃度為50%。堿液溫度約170℃，由Ⅰ效堿泵出料并經成品冷卻器與循環冷卻水進行間接換熱冷卻，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，新上燒堿項目及現有離子膜燒堿蒸發系統改造項目，已經開始廣泛應用三效逆流降膜蒸發工藝。以生產50%離子膜燒堿為例，三效逆流降膜堿蒸發技術較現有雙效堿蒸發技術相比，t堿汽耗平均由約0.72 t降至約0.52 t。即生產1 t 50%的NaOH溶液可節約蒸汽約0.2 t；比單效堿蒸發技術節約的蒸汽量可達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

聚氯乙烯70 m3聚合釜釜頂冷凝器改造技術依據108 m3聚合釜的設計理念，對70 m3聚合釜本身進行改造，增加釜頂冷凝器，提高70 m3聚合釜單臺釜利用率，從設備本身進行改造，提高設備的設計產能。VC聚合釜體外冷凝器均設置在設備頂部，冷凝器屬列管式換熱器，需垂直安裝。釜內氣相介質VCM進入釜頂冷凝器管程，被冷凝成液體，沿換熱管內壁流回釜內，達到冷卻目的，使物料的溫度保持在工藝要求的范圍內。這種冷卻方式結合攪拌系統可將介質中絕大部分熱量移出釜外，實現熱交換，縮短聚合周期，從而進一步提高聚合釜的生產能力。

該技術適用于PVC裝置聚合生產過程原有70 m3聚合釜釜頂冷凝器改造。據測算，釜頂冷凝器投用后，整套聚合生產系統利用率將有很大提高，在不增加原料的情況下，反應釜聚合效率可提高25%，噸PVC產品電耗可降低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，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，可采取對電石渣漿抽真空脫析工藝技術將電石渣漿中的乙炔氣體進行脫析回用，即將電石渣漿送入一密閉的容器中進行抽真空、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聚氯乙烯生產裝置為例，乙炔氣回收裝置項目建成投資需要1 800萬元，10個月內共計回收乙炔1 212 180 m3，折合電石4 041 t（按300 L/kg發氣量計），年節約電石4 849 t，節約折合標煤2 333 t；按電石市場均價3 150元核算，共計節約 1 527萬元/a，14個月即可收回成本。

3 最新節能技術展望

3.1 氧陰極燒堿電解生產技術

氧陰極技術是近年來發展起來的一項新型電解技術。技術原理是以氧氣還原反應代替氫析出的還原反應，由于陰極反應不同，陰極的理論分解電壓也就不同。氧陰極比現行的普通陰極 （鎳網+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行條件下，可以在理論上達到節能30%的效果。該技術適用于不需要氫氣的工藝和場所，比如生產MDI或TDI等配套氯氣生產系統，具有節電顯著特點。目前，該項技術因其節能效果明顯受到各有關部門及氯堿生產企業的關注。

藍星（北京）化工機械有限公司和北京化工大學共同承擔的 “氧陰極低槽電壓離子膜電解制燒堿技術”，2013年5月，5萬t/a氧陰極技術制燒堿工業化規模裝置正式開車運行，并通過了中國石油和化學工業聯合會組織的專家審查驗收；2013年6月29日，項目通過了國家科技部的驗收。為了進一步改進氧陰極技術，藍星（北京）化工機械有限公司和北京化工大學合作，繼續進行氧陰極技術的研究和改良工作，開發出具有更好性能效果的第二代氧陰極催化劑技術，這項技術能夠提高氧陰極的催化效果，延長氧陰極的壽命，目前正在進行實驗室放大實驗，下一步將根據試驗結果進行工業化試驗。

伍德迪諾拉公司和濱化集團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裝置合同，項目一期4萬t/a裝置將于2015年下半年投產。

3.2 催化氧化制氯技術

催化氧化制氯技術是解決行業副產的大量氯化氫（或鹽酸）無法有效利用的一項技術，同時也是實現氯在工業體系中循環利用、具有較大節能潛力的技術。

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現工業化的方法，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競爭優勢，因此越來越受到現代工業重視，隨著不斷加大研究投入和進行不同方法的嘗試，使催化氧化制氯在工業化方面取得了顯著進展。

2013年8月，華誼集團上海氯堿化工股份有限公司國內首套千t級氯化氫催化氧化制氯氣（Deacon技術）裝置投產，各項工藝參數均已達標，中國由此成為全球第二個擁有Deacon技術的國家。

3.3 二氯乙烷催化重整制取聚氯乙烯技術

二氯乙烷催化重整制取聚氯乙烯技術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，消耗了乙炔加成反應放出的大量熱能。由于實現了能量的內部轉換，反應能量變化溫和，可大幅度提高反應強度，從而提高生產效率。

德州實華化工有限公司與中科易工（廈門）化學科技有限公司聯合開發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工業聯合會的組織下完成了百t級中試試驗專家鑒定，并在德州實華化工有限公司投產建成2 000-5 000 t/a的擴大中試試驗裝置，目前正在運行階段。如該工藝在德州實華如期順利完成生產示范線生產，并在運行穩定性、產品質量、能耗環保以及經濟性等方面經過長期運行考核和論證后，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《節能減排“十二五”規劃》