撬裝式燒堿裝置應用與研究進展

裴允彤，單明月，謝 楠，楊婉瑩

（藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176）

氯堿工業以氯化鈉為原料， 通過電解工藝制成燒堿、鹽酸、氯氣和氫氣，氯氣進一步制成以聚氯乙烯為代表的多種耗氯產品。 進入21 世紀后，中國的氯堿工業獲得了長足的發展與進步， 生產的高質量氯堿開始走向世界，成為最主要的氯堿產品輸出地。八十年代，藍星（北京）化工機械有限公司（以下稱藍星北化機）將離子膜電解裝置國產化后[1]，經過四十多年的潛心研究和持續發展， 藍星北化機現已成為全球三大離子膜電解裝置成套供應商之一， 具有年產200 萬t燒堿裝置和300 萬t電極生產能力。 截至2022 年，國內氯堿市場占有率已達到40%，產業分布在北美、歐洲、南美、東南亞等全球二十多個國家。而今， 面對不斷發展的國際經濟形勢及全球節能減排的可持續發展策略，氯堿行業改革已勢在必行，國外已逐步對氯堿成套裝置實現撬裝化， 但國內氯堿行業卻鮮有研究。為貫徹實施中國碳達峰、碳中和的政策要求，加快推進氯堿工業“智能化、數字化”發展，以及解決國內外氯堿項目施工周期長的困境，從而提高氯堿產品的低價競爭力， 氯堿工業撬裝化已迫在眉睫。

1 撬裝裝置的特點

撬裝化的設計理念最早出現于六七十年代，主要是用于英、美等國家的油氣田建設，特別是計量站和集氣站等， 如今已逐步成為石油化工行業和精細化工行業對“集成化裝置”的共識。 撬裝化裝置是將閥門、儀表、泵等設備，利用管道連接集成到一套由結構鋼組合成的撬塊中[2]。 撬裝裝置主要在工廠內部進行組裝，再運輸至施工現場。與傳統的現場施工安裝方式相比，撬裝裝置具有以下優點：

（1）占地面積小。 撬裝裝置具有結構緊湊的特點， 在滿足相關規范要求的前提下可以充分利用三維空間進行集成，可最大限度地節約占地面積。對于年產量小于2 萬t的燒堿工藝，傳統設計布置下綜合占地面積約為510 m2， 而在撬裝設計下占地僅為375 m2，比常規工藝減少20%以上。

（2）現場施工周期短。 在實際工程建設中，通常整個工程項目耗時最長的便是工藝管道和設備的安裝，而撬裝裝置主要在工廠內完成大部分安裝工作，再運送至施工現場進行撬塊間的組合拼接， 無需再安裝閥門、儀表等設備，現場工作量少。同時，在工廠組撬安裝進行的過程中， 現場可以同步進行土建基礎的建設及設備就位等工作， 大大減少了現場安裝的時間，提升了整體工程進度，節約了施工成本。

（3）設備再利用率高。 撬裝裝置的管道、閥門及設備全部安裝在結構鋼制成的撬體中， 撬塊可以進行整體拆解和遷移，這種高流動性的特點，使工廠在對設備進行搬遷和改造時節省了大量成本， 設備的循環利用也減少了企業重復投資問題的發生。

（4） 安裝調試費用低。 撬裝裝置在出廠前就已經進行了如管道試壓、除銹防腐、儀表測試等各種檢查工作，現場調試工作量少，現場安裝調試費用較傳統方式減少約10%～20%。

但撬裝化裝置同時也存在一些不可避免的缺點。 常規模式下的安裝方式，設備布置較為寬松，方便后期巡檢維修操作，同時在工程實踐中，如果遇到各種特殊狀況，可以對設備安裝進行適當調整。而撬裝化緊湊的結構布局，使其很難進行局部整改，在設備的安裝調試工作中存在靈活性不足的缺陷， 同時也增加了檢修工作的難度。 這也是下一步工藝優化的重點， 如何在撬裝化設計的前提下盡可能保證設備、閥門等的維修操作空間。

2 成套燒堿裝置撬裝化方案研究

2.1 電解工藝簡介-離子膜法

氯堿工業是指工業上用電解飽和食鹽水的方法制取氫氧化鈉、氯氣和氫氣，并以其為原料生產一系列化工產品，其廣泛應用于輕工業、紡織工業、冶金工業、石化工業等。離子交換膜法是世界上較為先進的電解制堿技術， 這一技術在20 世紀50 年代開始研究，80 年代開始工業化生產。 離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導電銅棒等組成， 每臺電解槽由若干個單元槽串聯或并聯組成[3]。 其中，陽離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽極室兩部分。 此外， 該離子膜還有一種特殊的性質，即只允許陽離子通過，阻止陰離子和氣體通過，也就是說只允許Na+通過，而Cl-、OH-和氣體則不能通過[4]。 這樣既能防止陰極產生的H2和陽極產生的Cl2相混合引起爆炸， 又能避免Cl2和NaOH 溶液反應生成NaClO 而影響燒堿的質量。

精制的飽和氯化鈉溶液進入陽極室；純水（加入一定量的NaOH 溶液）加入陰極室。 通電時，H2O 在陰極表面放電生成H2，Na+穿過離子膜由陽極室進入陰極室，導出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽極表面放電生成Cl2。 電解后的淡鹽水從陽極導出，可重新用于配制食鹽水循環利用。

經過40 多年的工業化發展和行業競爭，離子膜法現多以復極式電解槽作為燒堿裝置的核心設備。作為國內最早制造膜極距電解槽的企業， 藍星北化機對電解槽結構和電極技術潛心研究多年。 自2010年成功推出NBZ-2.7 膜極距電解槽以來，不斷進行結構改進和電極的研發，2014 年推出NBZ-2.7（Ⅱ）膜極距電解槽，運行更穩定，性能更優異，電極壽命更長久。從2017 年開始，為降低氯堿企業能源消耗，藍星北化機技術研發人員將工作重心集中在電極性能的提升上，經過反復試驗，不斷改進，于2021 年推出NBZ-2.7（Ⅱ）Plus 膜極距電解槽，不僅降低了電解槽電壓， 電解槽電壓的穩定性和均一性也得到了顯著的改善，電解槽間的電壓差異明顯減少，同時抵抗反向電流的能力顯著提高[5]。 因此，NBZ-2.7（Ⅱ）Plus 膜極距電解槽推出以來， 深受廣大氯堿企業的歡迎和認可。

2.2 撬裝化布置方案概述及工藝優化

依托藍星北化機行業領先的電解槽生產技術和多年的氯堿工藝設計經驗， 公司已先后完成了年產燒堿百噸級別以下的一系列廢鹽電解評價裝置等小型化撬裝項目。但這遠遠不足以滿足市場需求，所以自2020 年起，開始推進年產5 000 t 至2 萬t左右的燒堿工藝撬裝化設計研究。

在撬裝化布置方案的探討中， 考慮到國內撬裝裝置主要是通過公路運輸的方式，因此撬裝化布置首先要滿足公路運輸方面的要求。 調研發現，公路運輸中要求高度低于4.2 m（涵蓋車高，普高1.2 m），寬度低于2.5 m，長度低于18 m。而對于海外項目，為保證運輸過程中的安全性及海上運輸中惡劣天氣的影響，則需要撬塊尺寸滿足進集裝箱的要求。國際標準集裝箱共有13 種規格，其寬度一樣均為2 438 mm、長度有四種（12 192 mm、9 125 mm、6 058 mm、2 991 mm）、高度有四種（2 896 mm、25 911 mm、2 438 mm、＜2 438 mm）[6]。如果撬塊尺寸超出公路運輸或集裝箱運輸的規定要求， 則可以選擇分層或分塊的方式將撬塊運輸至施工現場，再進行撬塊與撬塊之間的組裝。 此外，在運輸條件允許的情況下， 為滿足各項目對操作空間和工藝技術的不同需求， 在實際安裝過程中需要對撬內裝置進行合理布局，以提高整體安裝的靈活性。

對于年產5 000 t、100%wt 燒堿撬裝式電解生產裝置，為滿足撬裝需求，在傳統電解工藝基礎上進行了工藝改進。電解裝置電解所需的電解液，改為由增加了變頻控制的精制鹽水泵和堿液循環泵直接供給。 通過變頻控制泵保持穩定的出口壓力， 實現電解液進入電解槽壓力和流量的穩定， 從而取代了傳統電解工藝中由鹽水高位槽、 堿液高位槽的液位來控制電解液進入電解槽壓力和流量的穩定的方法。離子交換樹脂塔和電解槽在生產全過程中產生的廢液，通過共用回收鹽水槽、廢水槽進行回收，取消設置陽極液排放槽、陰極液排放槽。 最終減少了設備、管道、儀表及閥門的資金投入，降低了整套生產系統安裝框架結構高度[7]。 后經技術研討，將整個燒堿工藝區分成了多個集成化撬裝單元一樹脂塔撬裝單元，廢液處理、精制鹽水、純水撬裝單元，淡鹽水脫氯、電解循環撬裝單元（分為上下兩層），成品堿撬裝單元等。對撬裝單元內的設備、管道、儀表、閥門等進行預組裝， 各個撬裝單元主要借助地腳螺栓在混凝土基礎中進行固定， 并通過法蘭等連接件連接各個撬塊。 其中較大的槽、罐設備包括電解槽、離子交換樹脂塔，回收鹽水槽，廢水槽，精制鹽水槽，淡鹽水循環槽，堿液循環槽，脫氯塔，脫氯淡鹽水槽，成品堿槽，高純鹽酸槽，純水槽等可根據不同情況作為獨立設備進行運輸或安裝。由于上述設備體積較大，可以不必進行撬裝式封裝，而單獨進行相應管道及儀表、泵等的安裝，以方便生產商安裝使用。單獨安裝設置的較大槽、罐等設備，由于體積相對較小，也更方便運輸。 同時擬定對電解設備和脫氯設備分別在框架結構上進行現場安裝， 整套生產系統占地面積約為300 m2，最大安裝高度為6 m。 基于此技術方案的電解裝置， 生產商的施工現場在滿足土建條件要求的基礎上，即可實現撬裝式快速、便捷地安裝施工。

2.3 撬塊結構設計和三維建模

經過對燒堿工藝的優化，在設計全階段，對整套燒堿撬裝裝置進行了三維建模和結構設計。 由于撬裝裝置空間有限， 為保證工藝的合理性和布置方案的經濟節約原則， 在設計初階段就對全套撬裝設備進行了多次三維建模和修改， 實現了撬裝裝置設計的可視化。 同時結合儀表、電氣等各專業經驗，對電儀橋架進行預設計，保證了撬裝工藝設計的完整性。通過三維建模能夠將管道和設備的整體安裝狀態直觀、全面地展現出來，使設計、施工、操作人員一目了然地熟悉撬裝設備的安裝、管道的布置、空間布局，方便設計人員自檢和各專業的會審， 能有效避免相互碰撞現象的發生。 部分撬塊的三維模型圖見圖1。

圖1 撬塊三維模型圖

在橇裝設計中撬架設計是關鍵， 其結構合理設計是難點，即要結構簡單美觀滿足功能要求（如管支架，線槽橋架等合理布置），又要滿足撬內安裝、檢修及操作空間的要求， 還要使整撬安裝空間滿足施工場地的要求。 為此，在完成初步的三維建模后，為保證撬塊結構的合理性及起吊和運輸過程的安全性，借助ANSYS Workbench 軟件對撬體結構進行模擬，通過對有限元分析結果的對比、優化，選擇合理的鋼材型號。 本文僅選擇其中一個撬塊進行模擬結果展示，結果如圖2，其中撬體主框架鋼材選用的材質為Q235-B。

圖2 撬塊結構模擬結果圖

由于撬塊與撬塊之間的管道由法蘭連接， 為保證施工精度，撬架結構的變形量不得超過3 mm。 由上圖結果可知， 在模擬條件下撬塊的最大變形量約為0.6 mm，滿足撬裝設計的結構要求。 同時，在撬裝設計中還需要注意撬體與土建基礎的連接方式。 本方案預采用預埋地腳螺栓的方式， 與撬柱底板進行現場連接，但此方式對土建施工的精度要求較高。因此在撬裝設計中， 應綜合考慮施工現場情況及施工方的施工水平，合理設計撬塊與撬塊之間、撬塊與基礎之間的連接形式。

2.4 撬裝項目成果展示

憑借前述的研發技術和設計理念， 藍星北化機成功簽訂了國內首套撬裝式燒堿裝置。 經工藝技術人員商討，決定進行全撬裝設計，安裝時在廠內預制了15 個撬塊進行現場組裝，全套裝置的管道、閥門及設備車間安裝完成率達90%。 在出廠前，撬裝裝置已在工廠內進行了焊接、除銹防腐和無損檢測，避免了現場惡劣氣候對焊接和防腐質量的不利影響，有效保證了工程質量。撬塊運輸進廠后，現場施工人員僅需將各個撬塊與土建基礎進行固定安裝， 并進行撬塊間的組裝、 少量直管段的連接及部分儀表電氣的連接工作即可， 較常規現場安裝方式工期縮短約50%。 該裝置現已順利交付，通過撬裝式設計有效降低了項目投資成本，得到了客戶的廣泛好評。

3 結語

與傳統氯堿工藝安裝模式相比， 撬裝式裝置具有明顯優勢，特別是對于部分人力資源緊張、施工工期短或征地存在較大困難的工程項目， 適合應用撬裝化設計。 本文通過對氯堿工業的撬裝化進行應用研究，深入探討燒堿裝置撬裝方案，成功完成了國內首套撬裝式燒堿項目， 填補了國內氯堿撬裝化設計的空白，為氯堿工業的持續化發展提供了新的思路。