氯堿化工綠色低碳技術應用與發展

趙長森，袁 平，邊偉康，童 剛，牛 強

（內蒙古鄂爾多斯電力冶金集團股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 016064）

氯堿化工主要聯產燒堿、PVC 兩大基礎化工產品，廣泛應用于農業、食品、建筑、軍工、交通等領域，在全球經濟發展中具有舉足輕重的地位。 中國是全球氯堿PVC 生產大國，產量占比約50%，其中國內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”的能源結構決定了國內乙烯法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，降低能源安全風險。 同時，以塑代鋼，以塑代木已成為行業發展趨勢，中國作為消費大國， 近年人均PVC 消費尚不及發達國家的60%，市場仍具潛力。 以內蒙古為代表的西北地區基于獨特的資源優勢，是全國乃至全球電石法PVC 的成本洼地，是國內最適合的產業基地之一，地區總體產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、國務院頒發《關于加快推進生態文明建設的意見》，將綠色發展、循環發展、 低碳發展作為建設生態文明的基本途徑。其中，在雙碳背景下，能源低碳轉化是循環經濟發展的重要組成部分，帶有強烈的時代背景。 其中，工業的綠色低碳轉型升級是可持續發展的必經之路，加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系；促進能源高質量發展和經濟社會發展全面綠色轉型；科學有序地推動實現碳達峰、碳中和目標，為建設現代化經濟體系提供保障。 氯堿化工的綠色低碳可持續發展面臨著前所未有的機遇與挑戰[2]。

1 綠色低碳關鍵問題

在國際國內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、三廢循環利用、產品附加值提升上[3]。（1）無汞化。電石法氯乙烯轉化采用含汞催化劑，《關于汞的水俁公約》規定了含汞催化劑退出節點，直接關系到產業生存與發展[4]；（2）新能源應用。 光伏/風電新能源與氯堿新老產業的耦合發展是實現源頭控碳的重要路徑，目前還處于初期摸索階段；（3）燒堿節能降耗。 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用的基礎研究[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 樹脂提質的研究與應用迫在眉睫；（5）電石渣循環利用[6]。 氯堿產業副產大量電石渣，目前除雜機理及應用研究不深入，導致電石渣規?；h利用不足；（6） 二氧化碳高效轉化。適用于電石法氯堿產業的二氧化碳加氫轉化技術是實現碳中和的重要手段，尚處于初級階段。 這些問題嚴重制約氯堿產業的綠色低碳高質量發展。

2 綠色低碳技術進展

在國家及自治區戰略背景下，鄂爾多斯電冶集團依托當地及周邊豐富且高品質的煤炭、 石灰石、原鹽、蘭炭等礦產資源，建立并不斷提升“石灰石-風光火儲多能互補綠色智能獨立電網-電石-燒堿/PVC-水泥/脫硫劑”的綠色低碳氯堿循環經濟產業鏈能效水平，構成了上下游產品有序鏈接、多層次利用、轉化增值的循環經濟模式，具有顯著的高運營效率、高能源利用率、高市場競爭力、高度節能環保的基礎優勢。 電冶集團現有石灰石產能510 萬t/a，電石產能120 萬t/a， 氯堿PVC 產能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量發展的指引下， 長期致力于打造資源循環化、能源低碳化、生產自動化、工廠智能化、產業數字化的現代化新型氯堿化工產業，通過技術和管理持續改進，燒堿、PVC 能耗遠低于國標先進值，綠色指數達到行業先進。 自主開發與合作引進了成熟可靠、行業先進的綠色、低碳工藝技術及設備，不僅在困擾氯堿行業的汞削減與無汞化、乙炔回收、廢硫酸處理、電石渣利用、高鹽水零排放、余熱梯級利用等環保降碳問題上實現了技術升級， 還通過自動化、信息化、智能化平臺建設，進一步提升了能源管控水平，取得了“綠色、節能、科學、高效”的運行效果。

2.1 綠色技術進展

（1）汞削減。 從“人、機、料、法、環、測”上持續技術攻關，延長汞觸媒使用壽命，通過對用汞的精益管理，持續降低了汞觸媒消耗（36.7 g/t PVC），達到國內一流水平，獲得了“全球環境基金-中國聚氯乙烯生產汞削減及最小化示范項目”。

（2）無汞化。 電冶集團自2015 年成立了技術專項攻關組開展無汞催化技術的研發和工業應用，投資5 億元， 實現了無汞催化生產技術的重大突破，解決了催化劑壽命短、副產物量大、誘導期長、黃金流失嚴重等一系列核心問題，建設了全球首家電石法PVC 無汞規?；I生產示范工廠，獲得了國家生態環境部固體廢物與化學品管理技術中心的鑒定，對全球存量及增量PVC 產業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， 配套一臺熱風爐輔助補充熱源，年生產脫硫劑80 萬t，是國內最大的電石渣制脫硫劑生產裝置，所有脫硫劑直接回用于電冶集團自有電力使用。 該裝置生產工藝先進，實現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。 工業應用了行業首臺套乙炔廢硫酸裂解循環利用技術，徹底解決了生產過程的廢硫酸問題，實現了循環利用，節能環保效益顯著，并在行業進行了推廣。

（5）乙炔氣回收。 工業應用了電石渣漿回收乙炔氣技術、加料貯斗回收乙炔氣技術、精餾尾氣回收技術，改善了勞動作業環境，實現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）其他環保技術。 通過自主開發以及與行業先進單位合作， 工業應用了燒堿廢硫酸提濃技術、高效電石破碎及除塵技術、電石粉塵密閉回用技術等，實現了工業“三廢”的高效利用，同時也在不斷迭代現有技術，促進生產作業環境的和諧友好。

2.2 低碳技術進展

（1）新能源利用。 首期與中國三峽新能源集團合作建設200 MW 光伏可再生能源替代示范工程項目，現已并網發電，所發綠電全部接入自有電力微網系統全額消納， 用于燒堿單元制備 “綠堿”產品。 同時，落地了地區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，將綠電轉換為園區物流運輸的新動力源，從綠電到電動重卡的“零碳物流”，全部用于氯堿化工原料與生產過程的短途運輸， 每年可實現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律的研究，結合模試和生產數據分析，優化了實際生產中原鹽摻配、鹽水精制處理等工藝過程，使系統能耗遠低于國標先進值，同時延長了離子膜使用壽命，降低了綜合生產成本。

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

（4）產品碳增值。 對標乙烯法PVC，建立了“表征-分析-中試-工業化-下游應用-再驗證-企標固化-穩定生產”的研究應用平臺，樹脂品質得到大幅提升，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，副產蒸汽壓力達到0.45 MPa，直接應用并入系統低壓蒸汽管線，送往各用汽裝置，單臺爐產蒸汽量達到3.8 t/h， 減少電廠送入蒸汽總量的40%；用VCM 轉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 有機朗肯循環實現發電，有機工質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，帶動電機發電，不斷循環。

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

（7）其他節能技術。 固堿四效降膜蒸發技術由串聯的四組蒸發器組合構成，設備整個加熱系統蒸汽加熱均勻、料液為液膜式流動蒸發，具有傳熱效率高、加熱時間短等特點。 多次循環利用二次蒸汽，可以有效降低設備的能耗， 減少蒸汽使用費用；真空程度較高，降低蒸發溫度，部分二次蒸汽經過熱壓泵與生蒸汽的混合，節省較多的新鮮蒸汽。 同時，裝置升級沸騰干燥床，蒸汽消耗0.37 t/t PVC，遠低于行業先進值；并且對大型風機、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。 定制化開發與工業應用MES 系統，與氯堿化工的深度融合，打通了離子膜燒堿-乙炔發生-氯乙烯轉化-PVC 聚合各個工序的信息孤島，顯著提升了生產調度水平和能源管理水平，節能降耗達到2%；通過設備智能巡檢系統定制化開發與工業應用，包含了氯堿化工80%以上的設備，實現了從計劃檢維修和事后檢維修向預測性檢維修的轉變， 大大提高了設備運轉效率，減少了非停2%， 顯著提升了企業的生產穩定性和運營效率；全面打造了自動化、數字化、智能化工廠，已通過信息化系統實現了生產過程工藝控制系統智能化，開發和工業應用合成爐自動點火、發生器自動上料、VCM 一鍵換堿、水洗塔一鍵換水、一鍵切酸系統、尾冷一鍵切換、發生器一鍵排渣功能，降低了人員干預影響，提升了智能化水平。

（2）能源管理信息化平臺建設。 基于物聯網技術和大數據分析建成了能源管理信息化平臺，具備數據采集-安裝傳感器和監測設備， 收集生產過程中的能源數據； 數據整合-將收集的數據傳輸至能源管理系統平臺，進行數據清洗和整合；數據分析-利用能源管理系統平臺進行數據分析，找出能源消耗的瓶頸和改進空間； 成果評估-通過對比歷史數據和實時數據，評估能源管理系統的實施效果等多項功能，實現了提高能源利用效率、減少能源浪費、提高生產過程可控性、優化生產流程的效果。

3 綠色低碳技術發展規劃

氯堿化工產業緊緊圍繞著綠色低碳高質量發展主題， 將重點開展一系列關鍵技術的攻關與突破。 在綠色技術上，開展氯乙烯無汞成套技術、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的研發與產業化；在低碳技術上，重點開展光伏新能源耦合氯堿、 二氧化碳加氫制化學品、PVC 樹脂附加值提升等典型工藝技術的研發與產業化， 加速實現氯堿產業的能源利用清潔化、生產制造智能化、產品結構精品化的可持續發展之路。

通過對設備智能化監測以及工藝智能化調整兩大維度研發與應用，以數字孿生、智能仿真等信息化技術為核心驅動力， 實現對生產過程實時管控、仿真模擬、精準預測、智能優化，全力打造行業的數字化“燈塔工廠”，實現從信息化到局部智能化再到全面智能化的快速轉變。

4 結語

《工業領域碳達峰實施方案》 明確了工業綠色低碳轉型路徑后，鄂爾多斯電冶集團一方面深入推進節能降碳，提高循環產業能源利用效率；另一方面推動產業結構優化升級， 大力發展綠色低碳產業，穩步實施“源頭控碳、過程降碳、謀求碳增值，綠色循環經濟”， 加速實現了綠色低碳高質量可持續發展。

氯堿化工作為鄂爾多斯電冶集團的拳頭產業之一，踐行國家和集團綠色低碳發展戰略，堅持以科技創新和戰略投資驅動產業升級，立足工業綠色低碳發展實際，結合碳達峰碳中和目標，建設無汞、新能源-氯堿耦合等更多的綠色低碳示范項目，同時加快數字化低碳解決方案的應用與推廣，以期加快推進氯堿行業的綠色低碳轉型。