氯堿電解裝置節能降耗的應用總結

陳 凱，董紅波，馬立文，馬龍強

（濱化集團股份有限公司，山東 濱州 256600）

1 裝置簡介

濱化集團生產一部化工裝置現擁有36萬t/a離子膜裝置，分為一期22萬t/a離子膜燒堿裝置（含4萬t/a氧陰極裝置），二期14萬t/a離子膜燒堿裝置。一期離子膜裝置于2013年11月投入運行，采用伍德復極式離子膜電解槽，2015年引進伍德迪諾拉的氧陰極電解裝置對一期部分裝置進行改造，2015年11月投入運行。二期離子膜裝置為老廠區搬遷項目，于2014年11月開車運行，采用氯工程電解槽。

氧陰極電解技術是新型離子膜電解槽技術，以氧氣還原反應代替氫氣析出的還原反應，降低了陰極的理論分解電壓，單元槽電壓可由3 V左右降低至2 V左右，從而降低電解電耗，現濱化集團的氧陰極裝置噸堿直流電耗可達1582 kW·h左右，相較于伍德和氯工程的膜極距電解槽節能約30%，節能效果明顯。

濱化集團引進的氧陰極電解裝置是由伍德迪諾拉公司提供，于2015年11月7日一次性開車成功，設計生產能力為4萬t/a，共有兩臺電解槽，每臺162個單元槽。截至2022年5月，氧陰極電解裝置已運行6年6個月，運行總體平穩。

現有裝置近3年單位能源消耗統計見表1。

表1 36萬t/a燒堿裝置2019-2021年單位能源消耗統計

2 節能降耗措施的具體應用

2.1 先進電解技術的應用

2.1.1 零極距復極式離子膜電解槽

電解槽的槽電壓是影響電解電耗的重要指標參數。槽電壓由理論分解電壓、離子膜電壓降、陰陽極過電壓、陰陽極溶液歐姆定律電壓降和金屬歐姆定律電壓降組成。

普通離子膜電解槽陰陽極的極間距為1.8～2.2mm，溶液電壓降約為200 mV?？s小電極間的距離，可以降低電解槽陰極側的溶液電壓降，從而達到節能的效果。零極距電解槽通過改變陰極側的結構，增加彈性單元構件，將陰極網貼向陽極網，使得電極的間距縮小為膜的實際厚度，可以實際減小槽電壓約180 mV，折百噸堿直流電耗可減少約127 kW·h，節能效果良好。

公司一期裝置全部采用BM2.7型零極距復極式離子膜電解槽，二期裝置采用的氯工程Bitac電解槽，已全部進行了零極距改造，整體節能效果明顯。二期裝置安裝有一臺90個單元槽的nx-Bitac plus電解槽，現運行單元槽電壓較n-Bitac低約113 mV，節能效果更加明顯。后續將繼續實行裝置的升級改造，逐步將到運行壽命的電解槽升級為更加節能的電解槽槽型，持續推進電解先進技術的應用。

2.1.2 氧陰極電解槽

氧陰極電解槽技術是新近發展的新型電解槽技術。電槽的陽極側、離子膜等與普通電解槽相同，不同之處在于陰極反應。

普通電解槽的陰極反應為：

而氧陰極電解槽的陰極反應為：

由于陰極反應的不同，陰極的理論分解電壓不同，可以降低電壓約1.2 V，理論上降低噸堿直流電耗約800 kW·h。

一期裝置安裝有兩臺BM2.7-ODC型電解槽，實際運行過程中噸堿直流電耗約為1569 kW·h，比普通零極距電解槽節能27%左右，節能效果明顯。但因氧陰極電解裝置不產生氫氣，因此對于有大量氫氣需求的企業不適用。氧陰極電解裝置還需要高純度的氧氣作為原料，需要相配套的空分裝置。

2.2 熱量回收利用

2.2.1 高溫濕氯氣余熱利用

從電解槽出來的濕氯氣溫度為80～90℃，需要進行降溫后才能后續氯處理。而來自鹽水工序的一次鹽水需加熱至55～65℃后才能進螯合樹脂塔進行金屬雜質吸附制成二次精制鹽水。因此可以采用將高溫濕氯氣與一次鹽水進行換熱，既能夠節省一次鹽水進樹脂塔之前加熱的熱量，又可以節省濕氯氣冷卻需要的冷量。

通過在電解槽出口后氯氣總管處設置鈦列管式換熱器，與一次鹽水進行換熱，達到回收出電槽高溫濕氯氣余熱的目的。一期裝置設置1臺氯氣鹽水換熱器，二期裝置設置3臺氯氣鹽水換熱器，一期氧陰極設置1臺氯氣鹽水換熱器，盡可能回收高溫濕氯氣的熱量。為保證鹽水溫度的精準，設置了鹽水的旁路調節。并在列管式氯氣鹽水換熱器后均設置板式換熱器，以保證在開車初期及異常停車時的鹽水溫度正常。

高溫濕氯氣可將約550 m3/h的鹽水從53℃加熱到61℃，當不與氯氣換熱時，需消耗0.2 MPa的蒸汽6.6 t/h，每年可節省蒸汽消耗約5.28萬t，節能效果顯著。

2.2.2 成品堿熱量回收

在電解槽出口的32%燒堿溶液溫度為80～90℃，除送往片堿工序的部分不需冷卻外，其余送往成品罐區的堿液需冷卻到52℃以下，以減少對罐區設備和輸送管道的腐蝕。

通過設置1臺堿熱量回收器來用于回收在電解槽出口送往成品的32%堿液熱量，設置一套熱水罐和熱水泵，平常用于氯氫處理工段的氯氣過熱器、氫氣過熱器和內循環水板換等的熱量利用，還可用于冬季的辦公取暖和部分氯水管道的熱水伴熱，節省了不少的蒸汽消耗。

2.2.3 淡鹽水熱量回收

從電解槽出口的淡鹽水與氯氣分離后進入到陽極液罐，調節pH之后經陽極液泵打入脫氯塔，經真空脫氯后進入脫氯淡鹽水罐，加入燒堿和亞硫酸鈉后保證不含游離氯后送往鹽水工序。

送往鹽水工序的淡鹽水溫度可達到75～85℃，而進電解槽的精鹽水需要加熱到62～72℃進電解槽，以保證電解槽的正常操作溫度。

通過設置1臺淡鹽水熱量回收板換來回收利用此部分淡鹽水的熱量，節省預熱精鹽水的蒸汽消耗，即使在冬季熱損失較大的時段也能夠完全滿足進槽鹽水溫度的需求，保證電解槽運行溫度，裝置進槽鹽水板換的蒸汽消耗量極低，節能效果明顯。

2.3 水資源回收利用

2.3.1 樹脂塔再生廢水回收利用

在日常飼喂中需要做好消毒免疫以及定期驅蟲工作，進行感染源的有效控制，避免一系列傳染病的發生，減少不必要的損失。

鹽水中的鈣鎂離子和其他金屬離子對膜電解會產生極大的破壞性，導致電解槽單元槽電壓升高，降低電流效率。因此需要在一次鹽水和二次鹽水中去除，二次鹽水精制去除金屬陽離子的方法為螯合樹脂吸附，當樹脂吸附金屬離子一段時間后需要進行螯合樹脂的再生，此過程會產生大量的廢水。采用的再生程序可以將含金屬離子的酸性廢水和可回收利用的堿性廢水進行控制區分，分別進入到酸性廢水池和堿性廢水池。酸性廢水輸送至PO工段中和后送往污水處理，而堿性廢水輸送至一次鹽水工序用于化鹽。

一期裝置螯合樹脂塔共有4臺，分兩套運行，每塔樹脂填充量為15.6 m3，再生頻次為每天一塔，再生一次約產生堿性廢水300 m3。二期裝置螯合樹脂塔共有9臺，分3套運行，A套樹脂填充量為3.15 m3，B套樹脂填充量為4.8 m3，C套樹脂填充量為3.75 m3，每天每套再生一塔共產生堿性廢水約160 m3。裝置每天可產生堿性廢水360 m3，此廢水全部回收至鹽水工序化鹽使用，按一年運行340天計算，可以減少堿性廢水排放量12.24萬m3/a。

2.3.2 蒸汽冷凝水和機泵冷卻水的回收利用

蒸汽作為氯堿生產過程中的主要熱源，其產生的蒸汽冷凝水品質較高，各項指標良好的特性，能夠接近于純水的化驗指標。此部分蒸汽冷凝水部分收集進入熱水罐中，部分直接排入地溝中。收集進熱水罐的蒸汽冷凝水經過加熱后作為氯氫處理的熱源使用。排放入地溝的蒸汽冷凝水全部流至室內廢水池內，輸送至化鹽工序化鹽使用。

裝置機泵的機封冷卻水由片堿裝置的冷凝液提供，供應量達到約30 m3/h，機封冷卻水全部回收至室內廢水池后輸送至化鹽工序用作化鹽水。按照每年8000 h的運行時間計算，可以回收利用機封冷卻水約24萬m3/a，節省了大量水資源。

2.4 電氣節能措施

2.4.1 可調變頻電動機

在工業設計中，一般情況下設計會保證機泵的余量，實際運行過程中不需要全負荷運行即可滿足要求，機泵電動機也會根據最大負荷狀態時的工藝狀況進行選擇，這也導致運行的效率大幅降低。為提高效率，節省電能，對需調速的電動機采用加裝變頻器或電阻調速器，降低電動機的具體運行變頻，運行效果良好并能節電20%左右。

2.4.2 照明系統改造

原有裝置區內照明燈主要采用45 W節能燈和250 W金屬氯化物燈，其中45 W節能燈和250 W金屬氯化物燈，燈泡使用壽命為一年，鎮流器、觸發器等器件使用壽命均為兩年，需要定期更換燈泡。后經對比發現LED燈具有壽命長、功率小且光照強度不減弱的特點，所以對現場照明燈進行了改造。將250 W金屬氯化物照明燈更換為120 W LED燈，將45 W節能燈更換為30 W LED照明燈，既能夠滿足現場的照明強度要求，又能夠起到節能的作用，還減少后期維護和更換的施工頻次。改造后照明系統普遍采用了高效、節能、低損耗的照明燈具，運行效果良好并節能30%左右。

2.5 蒸汽伴熱管線改造為電伴熱

隨著運行時間增長，裝置內部分蒸汽伴熱管線出現生銹堵塞管道、跑冒滴漏現象，造成資源、能源浪費，且已到更換周期，需要對部分伴熱管線進行更換。電伴熱可以對伴熱溫度進行精準控制，避免蒸汽伴熱手動調節無法精準控制蒸汽流量的資源浪費或因蒸汽過小導致的凍結現象。電伴熱相對比蒸汽管道伴熱的使用壽命長，可達10年。根據裝置的實際運行情況，選取了一二期裝置去片堿管線蒸汽伴熱和一期、二期、氧陰極裝置去成品罐區的堿管線蒸汽伴熱進行改造。裝置運行時此部分管線溫度大于45℃且連續運行，改造后安裝的電伴熱，平時不需啟動，當下游工序停車或管線停用時才需啟動，可節省大量的伴熱蒸汽。經過計算，此部分蒸汽管線伴熱消耗蒸汽0.74 t/h，按照防凍周期75天運行計算，消耗蒸汽約1332 t。按蒸汽207.8元/t計算，整個冬季防凍共需花費27.68萬元。改造為電伴熱后，耗電量為2.16萬kW·h，按0.6元/kW·h計算，整個冬季防凍花費1.296萬元，一個防凍周期節約費用26.4萬元。

3 管理措施

3.1 建立完善的能源管理制度體系

公司建立了完善的能源管理體系，通過能源管理體系的有效運行，使企業的節能管理更系統、更科學，企業節能管理由粗放型逐步向精細化、規范化邁進。能源管理制度規定了制度的目的、范圍、職責，對其中的術語進行了定義，明晰了制度應對的主要風險，對具體規定進行了詳細的闡述，規定了監督考核的內容。管理制度規范了用能系統策劃、實施、驗收環節管理，控制了能源購入儲存、加工轉換、輸送分配、終端利用等過程的消耗，提高了能源利用水平，持續改進了能源績效。

通過運行能源管理體系，公司主動獲取并落實節能法律、法規和標準，及時獲取并公布了《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄》，及時將國家的有關要求落實到實際工作中。實現了節能技術進步常態化，主動獲取、引進適用的節能先進技術，不斷查找挖掘節能潛力。對公司能源利用的全過程實施了監控，從能源購入到最終利用都納入了管理范圍，制定了管理制度，規范了各類能源使用工作。組織開展能效對標、合理化建議、四值競賽等多項節能活動，提高了員工的節能意識，促進了企業節能工作的深入進行，有效提高了生產部門和班組的節能積極性，促進了節能目標的完成。

對各類建設項目全過程進行有效控制，體現清潔生產、清潔使用的思想，從最初的項目建設到最終的產品及使用都考慮減少能源、資源和原材料的消耗，在項目管理單位內部建立和保持一個符合標準的能源管理體系，通過不斷的審核評價活動推動體系的有效運行。通過設計目標、指標、管理方案以及運行實施，對重要節能因素進行控制，樹立項目全周期節能管理體系和目標，使項目在建設和交付使用后有效節約資源和能源。

3.2 精細化管理助力降本增效

裝置在緊盯年度生產經營任務的同時，向內挖潛降耗。在節能降耗方面多措并舉尋求突破，從細節出發，從點滴出發，持續對影響各類消耗指標的因素進行研究分析，各項工作取得實效。

嚴格工藝紀律，強化崗位操作，堅決治理各項跑冒滴漏，杜絕物料浪費，管理人員每天不定時對現場進行巡檢，查詢設備運行狀態，翻閱巡檢記錄等。為此裝置針對蒸汽疏水管線，選用高性能疏水閥，堅決杜絕蒸汽的浪費。制定管理制度，對冬季伴熱系統采取動態防凍措施，氣溫高時關小或關閉蒸汽伴熱，氣溫低開大蒸汽伴熱，實現對蒸汽的點滴節省。通過對電解槽槽電壓的精準分析，實現電解槽的精準維修，由整體更換變為按需、按片精準更換，根據維修計劃，始終將電壓最高的單元槽替換，降低了電解電耗。

持續開展修舊利廢工作，對有利用價值和能修復的備品備件進行修復再利用，持續改善設備運行條件，減少設備損耗。對裝置內長明燈、長流水堅決予以杜絕，通過技術措施對部分區域照明燈進行改造，安裝聲控燈和光控燈，從細節處杜絕資源浪費現象發生。針對裝置部分設備進口化依賴程度高，積極找尋國內替代廠商，對國內供應產品進行試用，通過長效機制實現了部分設備國產化，縮短了設備等待周期，節省了設備及維修費用。

4 結語

做好節能降耗不是一件簡單的事，但只要不斷使用新的先進節能技術，穩定控制工藝技術指標，保證裝置安全平穩運行，降低裝置消耗。除此之外，還需要不斷提高節能降耗的意識，從點滴做起，為氯堿工業的節能降耗做出自己的貢獻。