氯堿生產企業節能降碳有效路徑

2022-10-26 09:09:40周文斌

中國氯堿 2022年9期

唐俊，周文斌，龔瑋

（浙江鎮洋發展股份有限公司，浙江寧波 315800）

在“碳達峰，碳中和”背景下，國內產業政策對氯堿行業發展的調控和限制措施日益嚴格，包括落后產能淘汰、清潔生產、安全、環保等各方面政策調整，國家相繼發布了《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》、《關于發布〈高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平（2021 年版）〉的通知》、《關于發布〈高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南（2022 年版）〉的通知》等，其中《燒堿行業節能降碳改造升級實施指南》中提出，當前燒堿行業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，節能降碳改造升級潛力較大。推薦燒堿企業加快成熟工藝的普及推廣，有序推動改造升級，其中一項為綠色技術工藝：推動離子膜法燒堿裝置進行膜極距離子膜電解槽改造升級，實現氯堿生產企業節能降碳。

近年來離子膜電解法成為了主流燒堿工藝技術，此工藝具有產品純度高、設備投資小、占地面積小、可持續穩定生產、單臺產能大等優點。在此基礎上發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的電壓降，達到降低能耗的目的[1，2]。對于氯堿生產企業來說，在最大限度保留現有廠房和生產設備的基礎上，對耗能核心裝置——電解槽進行升級換代，在提升電解槽電流密度的同時降低燒堿單位產品的能耗，無疑是一條可行的節能降碳有效路徑。

1 電槽改造前基本情況

浙江鎮洋發展股份有限公司（以下簡稱“浙江鎮洋”）原有2 臺舊電槽于2000 年10 月投運，最初為低電密自然循環標準型復極槽（旭化成NCS 型），每臺電槽140 片單元槽，每個單元槽有效面積2.7 m2，運行電流密度4 kA/m2。

在2013 年，因城市發展公司停產搬遷，委托藍星北化機公司對這2 臺電槽進行零極距改造，改造內容為：陽極氣液分離盒增加除沫器、陽極室增加進液分布管、陽極室上半部分增加消波擋板、陰極室增加彈性網及面網。經過改造后的NCS 電槽（以下簡稱 “NCS-Z 電槽”），于2013 年7 月開車成功。因NCS 單元槽的構造與NCH 有區別，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，為了安全穩定運行，將電解槽運行電流控制在13 kA 以下。投運后的電解槽電壓下降明顯、達到了增產降耗的目的。

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

2 對舊電槽更新換代的設想和選擇

這2 臺NCS-Z 電槽為浙江鎮洋Ⅱ期電解系統，公司近年有意向將其進行更新換代。升級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上替換成運行電流更高、運行電壓較NCS-Z 更低、涂層均勻穩定的單元槽，并通過增大相關管道尺寸來適應高電密電解槽的運行。由于近兩年疫情和市場環境的影響，更新換代項目一直沒有提上日程。2 021 年底，公司確定了年度大修時間為2022 年2月中旬，同時這2 臺電槽的更新換代項目也被臨時加入到大修技措技改項目表中。

2.1 新電解槽的選擇

該項目中，新單元槽的選擇是一項很重要的工作。首先，由于項目確定時間較晚，留給這2 臺NCS-Z 電槽更新換代的時間有限；其次，從技術層面看，國內外都有符合高電密運行、電壓更低、運行穩定的電槽，選擇余地相對較大；由于本次更換的項目除了單元槽外還有8 根電槽進出口總管、系統總管與電槽相連的液相支管，系統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目實際實施的配合。此次裝置的更新換代，不僅需要供應商具有先進的技術設備，同時需要其具有豐富的安裝經驗和項目施工建設經驗，綜合以上因素與各供應商溝通后，選擇了藍星北化機為合作單位，此次改造選用其NBZ-2.7（Ⅱ）型離子膜電解槽。

2.2 藍星北化機NBZ-2.7（Ⅱ）型離子膜電解槽技術特點

（1）電解槽技術特點：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上，進行技術創新后形成的新一代產品，其通過對內部循環和氣液分離結構的優化，使電解槽的內部傳質傳熱效果更佳，通過對陰極彈性體的匹配性設計、陰極電極強度和組裝工藝的改善，達到改善其與離子膜的接觸狀態以及電極表面的氣液流通效果的目的。

（2）電極技術特點：此次選用的電解槽所用電極采用了藍星北化機公司性能最優異的新一代電極產品。藍星北化機最新研發的單原子催化析氫陰極使用了單原子催化技術，在一定程度上起到了抗逆反電流的作用。有數據顯示新一代陰極的過電位更低，且經多個逆電周期涂層殘留量更高，失重更少，有效保護涂層不受劣化，成功克服了停車后逆反電流對電極造成的傷害，在一定程度上避免極化整流器初始投資費用和運轉成本增大，操作繁瑣的問題。

綜合以上技術的NBZ-2.7（Ⅱ）型電解槽，更加適合在更高電流密度下運行，在行業內已廣泛應用，技術性能穩定可靠，非常符合浙江鎮洋此次設備更新換代的技術需求。

3 NCS-Z 更新換代項目實施方案概述

確定項目施工開始時間為公司大修的開始時間，因公司計劃大修時間為10 天，所以第9 天需要完成相關管道與系統連接的工作，確保Ⅱ期電解系統正常開車，在系統開車后的8 天里陸續將這2 臺電槽成功開車。具體安排見表1。

表1 NCS-Z更新換代項目實施方案

4 項目實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

因為是在原有框架上更新換代，電槽固定頭和側板位置已經不能移動，系統各總管位置也已經確定。像原有側板長度、活動頭到中間固定頭的最遠距離、側板到出口總管固定支架的距離等關鍵數據需要現場確定，與原有管道對接的工作也需要現場測量。但因為疫情原因，出行限制，所以廠家沒有條件委派專業工程人員過來確定。

（2）實際管道焊接工期緊張

因升級的電槽與系統一起停車，在停車后還需要先將原來的電槽進出口總管吊出，然后把新的電槽進出口總管安裝完畢，槽頭相關影響新配管的老管道要進行切割，在這個基礎上確定槽頭配管的位置，然后才能進行焊接工作，所以實際管道焊接工期十分緊張。

（3）新配管路無法按常規進行清洗吹掃試壓試漏。

（4）同一系統中有不同槽型的電槽導致操作規程的不同，增加了操作上的復雜性和不可控因素。這套系統有3 種槽型，即北化機最新一代NBZ-2.7（Ⅱ）型高電密自然循環復極式膜極距電解槽，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，但在操作細節上還是有一定的差別，同一系統中有不同槽型的電槽導致操作規程的不同，增加了操作上的復雜性和不可控因素。

4.2 解決方法

（1）因時制宜，由線下確認轉為線上溝通，廠方提供圖紙和所需數據清單，項目組成員進行實地測量。通過視頻會議、微信工作群、電話等形式深入溝通，最終完成確定單元槽數量、管道閥門供貨清單、施工方案等工作，充分做好了前期準備工作。

（2）項目組和藍星北化機緊密聯系配合。升級換代2 臺電解槽，藍星北化機除電槽及相關配套離子膜、配管、閥門、電氣外，還涉及相應管道焊接、和項目施工安裝。因大修時間為10 天，前期的總管更換需要花費幾天時間，為保證系統能按時開車，項目組和藍星北化機雙方不斷確認安裝材料清單及制定縝密外采、供貨、施工組織計劃以確保按期完工。項目組首先委托藍星北化機將閥前槽頭氣液相配管（槽頭閥門到電槽總管部分）作為標準件，在藍星北化機工廠焊接制作，現場只要將這些標準管道進行安裝就可以；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電槽管道。正值春節期間，藍星北化機按照前期制定計劃，所供設備及人員合同簽訂后25 天后陸續達到現場。

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

（4）通過提前與供方的技術交流，預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要求修改程序和參數，現場手動操作部分，對照北化機電槽的操作規程和原有的操作規程，兼顧長期操作的習慣做適當修改，做到系統統一。并在開車前按規定進行操作規程的學習培訓。

通過這幾個措施，保證了Ⅱ期電解系統按時開車，也加快了項目進度。

5 單元槽升級換代后運行數據

5.1 單元槽升級換代后折標電壓計算

最終NBZ-2.7（Ⅱ）型高電密自然循環復極式膜極距電解槽，分別于2022 年3 月7 日（B 槽）和3 月10 日（A 槽）先后投入運行。A 槽共148 個電解單元，B 槽共146 個電解單元，配套使用旭硝子公司的F-9010 離子膜。選取2022 年3 月18 日的運行數據進行5.5 kA/m2折標電壓計算。

A 槽運行數據平均值見表2。