电解法烧碱生产中的能耗及节能技术.pdf

【综 述】电解法烧碱生产中的能耗及节能技术刘启照(全国氯碱工业信息站,辽宁 葫芦岛125001)关键词烧碱;电解;能耗;节能技术摘 要叙述了电解法烧碱生产中能耗的分布、影响能耗的主要因素和可采取的措施。介绍了近年来开发的新节能技术,并对今后节能技术的开发提出建议。中图分类号 TQ114.2文献标识码 A文章编号 1008-133X(2002)08-0001-08Energy consumption and energy-savingtechnology in electrolytic production of caustic sodaL IU Qi-zhao(National Chlor-Alkali Industry Information Center,Huludao 125001,China)Key words:caustic soda;electrolysis;energy consumption;energy-saving technologyAbstract:The distribution of energy consumption and main factors influencing energy consumptionin electrolytic production of caustic soda are described as well as adoptable measures.New energy-saving technology developed in recent years are introduced,and suggestions on development of energy-saving technology in the future are also proposed.前 言烧碱是重要的化工原料,它广泛地用于国民经济各个部门。自1998年以来,随着国民经济的快速发展,我国烧碱产量也增长很快,2000年全国(台湾省除外,下文同)烧碱产量已达667.88万t1,与1999年的556.97万t2相比,增长了19.9%,仍列世界第二位。但是,电解法烧碱生产也是高能耗工业,据估算,全国电解法烧碱生产耗标煤总量约占全国生产能源总量的0.5%,其中耗电量约占全国总发电量的1.5%。表1列出了19982000年我国电解法烧碱生产的能耗情况。表119982000年我国电解法烧碱生产的能耗项 目 隔 膜 法 离 子 膜 法 1998年1999年2000年1998年1999年2000年蒸汽消耗/t(t 碱)-14.314.204.070.750.780.67综合能耗/kg 标煤(t 碱)-1 1 661.9 1 572.1-1 109.8 1 106.2-直流电耗/kWh(t 碱)-1-2 360.7 2 374.4-2 317.3 2 329.3 注:表中“t 碱”为“t100%NaOH”(下同)。从表1可知,近年来我国电解法烧碱生产能耗有所下降,但下降的幅度较小。因此,我们还要围绕电解法烧碱生产中节能这一特定的永恒课题,努力开发节能技术与装置,从而降低烧碱的生产成本,提高我国烧碱产品在加入WTO后的竞争能力。1 电解法烧碱生产的能耗电解法烧碱生产工艺界区内包括整流、盐水精制、电解、氯氢处理、液碱蒸发、固碱生产等工序。因此,其能耗包括上述工序及附加设施的水、电、蒸汽等消耗。为了便于叙述,本文中将耗水量折算到电耗中。1.1 能耗分布据测算,电解法烧碱生产吨碱综合能耗在各工序的分布如下:整流2.0%;盐水精制3.9%;电解53.2%;氯氢处理1.2%;液碱蒸发25.1%;固碱生产14.6%。从上述可知,电解和液碱蒸发是主要耗能工序。电解工序中的电耗约为吨碱电耗的90%,液碱蒸发中的蒸汽消耗占吨碱蒸汽消耗的74%以1第8期2002年8月氯碱工业Chlor-Alkali IndustryNo.8Aug.,2002收稿日期 2001-07-04 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.上。因此,下文中将对电解直流电耗和液碱蒸发汽耗加以较详细叙述。1.2 影响能耗的主要因素和节能措施1.2.1 整 流在整流工序中,主要能耗是整流电损,它约占吨碱交流电耗的4.6%。整流电损与整流效率相关,表2列出了以直流电耗2 450 kWh/(t 碱)为基准时它们之间的关系。表2 整流效率与整流电损的关系整流效率/%整流电损/kWh(t 碱)-19091929394959697982722422131841561291027650 从表2可知,整流效率每提高1%,整流电损可降低2630 kWh/(t 碱)。因此,在整流工序中,提高整流效率是节能的途径,而整流效率取决于整流机组的选择,目前使用晶闸管整流装置的整流效率比二极管整流装置高。1.2.2 盐水精制盐水精制工序的能耗主要是加热溶解固体盐的蒸汽和动力电耗,它们分别约占吨碱电耗和吨碱汽耗的0.2%和12%。因此,在此工序,节能措施主要是如何利用工厂的余热(废蒸汽或热水)来加热溶解固体盐,而采用盐水自流流程无疑也会节约动力电消耗。1.2.3 电 解电解工序的电解直流电耗约占吨碱电耗的90%,其蒸汽消耗约为吨碱汽耗的14%,因此,电解工序是电解法烧碱生产的最大耗能工序。下面将较详细地叙述电解直流电耗。电能消耗可按下式计算:W实=V1.492 1 000,(1)式中:W实为生产1 t烧碱的实际电能消耗(kWh);V为电解槽的槽电压(V);为电解槽电流效率(%);1.492是NaOH(烧碱)的电化当量值。从式(1)可知,影响直流电耗的因素是槽电压和电流效率,直流电耗与槽电压成正比,与电流效率成反比。因此,降低电解槽的槽电压和提高电流效率是电解工序的主要节能途径。实践表明:当电流效率为94%时,每降低槽电压0.1 V,就可减少直流电耗63 kWh/(t 碱);而当电槽电压为3.2 V时,每提高1%的电流效率,也可使直流电耗减少33 kWh/(t 碱)。1.2.3.1 槽电压槽电压的组成可用下式表示:VT=Ed+Emem+A+C+IRsol+IRmet,(2)式中:VT为槽电压(V);Ed为理论分解电压(V);Emem为膜电压降(V);A为阳极过电位(V);C为阴极过电位(V);IRsol为电解液电压降(V);IRmet为第一类导体电压降(V)。不同类型电解槽的理论分解电压各异。于25 下电解NaCl(食盐)饱和水溶液时,采用以固体电极和隔膜组成的电解槽(如隔膜电解槽和离子膜电解槽)理论分解电压为2.172 V,采用固体阳极和汞阴极组成的电解槽(如水银电解槽)理论分解电压为3.14 V,而采用固体阳极和氧(空气)阴极和隔膜组成的电解槽如氧(空气)阴极电解槽理论分解电压为0.942 V。从上述可知,采用氧(空气)阴极电解槽生产烧碱也是节能的途径。膜电压降随电流密度、膜厚度的增加而升高,也随膜孔隙率和膜电导率的提高而下降。因此降低电流密度、减少膜厚度、提高膜孔隙率和膜电导率是节能途径。电解时,电解质在电极上的实际放电电位要高于理论值,这个差值称之为电极过电位。食盐水溶液电解属电化学极化过程,其电极过电压可用塔菲尔公式表示:=a+blni,(3)式中:为电极过电位(V);i为电流密度(A/cm2);a值是在电流密度1 A/cm2时的电极过电位(V);b值为经验常数。例如,对于析氢阴极而言,大多数金属纯净表面的b值在0.10.4 V,而Pb、Cd、Hg、Ti、Al、Zn、Ca、Bi、Sn等为析氢高过电位金属(a=1.01.5 V),Fe、Co、Ni、Cu、W、Au等为析氢中过电位金属(a=0.50.7 V),Pt和Pd等铂族贵金属为析氢的低过电位金属(a=0.10.3 V)3。电流通过阴、阳极间电解液时所产生的电压降称为电解液电压降,它符合欧姆定律:V=DL,(4)式中:V为电解液电压降(V);D为电流密度(A/cm2);L为阴、阳极间距(cm);为电解液电导2综 述 氯碱工业 2002年第8期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.率(cm-1)。式(4)表明:缩小阴、阳极间距,降低电流密度和提高电解液电导率是节电的途径。电流通过第一类金属导体所产生的电压降随电流强度、导体电阻率和长度的增加而增加,而随导体的截面积增加而降低。从上述可知,采用下列技术可降低槽电压:应用氧(空气)阴极、离子膜和活性金属阳极组成的氧(空气)阴极电解槽电解法生产烧碱,其理论分解电压比隔膜法(含离子膜法)低1.23 V,虽然其自身有较高的电压降,但实验证明,实际的槽电压可降低0.851.00 V。日本耐久性气体扩散电极即氧(空气)阴极已取得3年连续运行的业绩,槽电压为1.93 V(目标为1.84 V),目前正进行中等规模试验;采用改性石棉隔膜或合成微孔隔膜来克服石棉隔膜膨胀的缺点,以降低隔膜电压降(通常为0.1 V);若采用离子交换膜做隔膜,由于它具有对阳离子(Na+)高选择性通过和对阴离子(Cl-、OH-)阻止通过的特性,而且很薄,因此,不但可生产高纯度烧碱,同时也能大幅度降低直流电耗;采用以钛为基体,涂敷钌、钛、铱、钯、铑等金属氧化物为活性层的活性金属阳极氯过电位比石墨阳极氯过电位低0.31 V,因而可使电解直流电耗减少200 kWh/(t 碱);采用铁(钢)为基体,涂敷镍、镍合金和少量铂族贵金属(如钌)的多孔活性阴极通常可降低阴极过电位(氢超)100300 mV,节约直流电耗60200 kWh/(t 碱);采用扩张金属阳极取代固定式盒式金属阳极,并用改性隔膜(或合成微孔隔膜)配合,可缩小极间距,从而降低电解液电压降;由于电流密度与膜电压降、电极过电位、电解液电压降及第一类导体都有正比关系,因此在不影响设备生产能力的条件下,可采用降低电流密度来降低槽电压。1.2.3.2 电流效率电解饱和食盐水溶液时,除Cl-和H+分别在阳、阴极放电外,其它离子放电或电解时产生的副反应会消耗一部分电能,所以产品的实际产量总是比理论产量小,它们之间的比值为电流效率。以阳极室产物计算的电流效率称为阳极电流效率,以阴极室产物计算的电流效率称为阴极电流效率。各种电解槽的阴极电流效率均可用式(5)计算得到:阴=(CVKItn1 000)100%,(5)式中:阴为电解槽阴极电流效率(%);C为电解液质量浓度(kg/cm3);V为电解液体积(m3);K为NaOH的电化当量1.492 g/(Ah);I为直流电流强度(A);t为时间(h);n为电解槽台数。离子交换膜的阴极电流效率计算式则因进电解槽盐水的酸碱性而不同。当进电解槽盐水中有NaClO3、Na2CO3、NaHCO3和NaOH存在时,可按式(6)计算:NaOH=100-2FI3qC(d)NaClO3106.45)-(3pC(f)NaClO3106.45)+(qC(a)Cl270.91)-(pX70.91)/(1+2vO2/vCl2),(6)式中:NaOH为进槽盐水为碱性时离子膜电槽的阴极电流效率(%);F为法拉第常数(96 487/mol);I为电流负荷(A);q为淡盐水流量(L/s);C(d)NaClO3为淡盐水中NaClO3质量浓度(g/L);C(f)NaClO3为进槽盐水中NaClO3质量浓度(g/L);C(a)Cl2为阳极液中Cl2质量浓度(g/L);p为进电解槽盐水流量(L/s);X=1.338C(f)Na2CO3+0.884C(f)NaHCO3+1.773C(f)NaOH,C(f)Na2CO3、C(f)NaHCO3和C(f)NaOH分别为进电解槽盐水中Na2CO3、NaHCO3、NaOH的质量浓度(g/L)。当进槽盐水为酸性时,离子膜电解槽阴极电流效率可按式(7)计算:a=NaOH-FI(pC(f)HCl36.5)-(qC(d)HCl36.5),(7)式中:a为进槽盐水为酸性时离子膜电槽的阴极电流效率;C(f)HCl为进电解槽盐水中HCl质量浓度(g/L);C(d)HCl为阳极液中HCl质量浓度(g/L)。阳极电流效率的计算则因电解槽类型不同而异。石墨阳极隔膜电解槽阳极电流效率可按式(8)计算:石墨 阳=VCl2VCl2+2(VCO2+VO2)+VCO+CCl2溶100%,(8)式中:石墨 阳为石墨阳极隔膜电解槽阳极电流效率(%);VCl2、VCO2、VO2、VCO分别为阳极气体中Cl2、CO2、O2和CO的体积分数(通常VCO值取0.05%);CCl2溶为阳极液中Cl2的溶解数值(通常取0.55%)。金属阳极隔膜电解槽的阳极电流效率可按式(9)计算:金属 阳=VCl2VCl2+2VO2(VCl2CNaClO3FCNaOH),(9)3第8期2002年8月刘启照:电解法烧碱生产中的能耗及节能技术 综 述 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.式中:金属 阳为金属阳极隔膜电解槽阳极电流效率(%);VCl2为阳极气体中Cl2的体积分数(%);VO2为阳极气体中O2的体积分数(%);CNaClO3为用重铬酸钾法分析所得的阳极液中NaClO3、NaClO的总质量浓度(g/L);F为校正系数,可根据美国电极公司电流效率计算公式中电解液温度与校正值的关系图查得;CNaOH为电解液中NaOH的质量浓度(g/L)。离子膜电槽的阳极电流效率可按式(10)计算:Cl2=100/1+2vO2/vCl2+2.2456(2C(c)NaClO3C(f)NaClO3CNaOH),(10)式中:Cl2为离子膜电槽的阳极电流效率(%);C(c)NaClO3为阳极液中NaClO3的质量浓度(g/L);CNaOH为阴极液中NaOH的质量浓度(g/L)。从上述中可知,减少Cl2在阳极液中的溶解及副反应的产生、控制电解槽中性区和阳极液的pH值、选择经济电流密度是提高电解槽电流效率的主要途径。例如:利用出电解槽的氢气或氯气预热进电解槽盐水来提高电解槽操作温度,可减少Cl2在阳极液中的溶解和副反应产生;通过控制出电解槽的电解液中NaOH的含量隔膜电解槽在115130g/L,离子膜电解槽控制在规定的离子膜使用的质量浓度(误差不能超过 0.50%);采用酸性盐水,控制阳极液pH值为24,从而减少副反应和防止O2放电。应用式(11)选择经济电流密度:D经济=G0.719 8mnSK,(11)式中:D经济为电解槽经济电流密度(A/dm2);G为固定费用(含设备折旧费、维修费等,元/月);m为交流电电价元/(kWh);n为电解槽台数;S为电解槽阳极面积(dm2);K为电压梯度(Vdm2/A)。1.2.4 液碱蒸发液碱蒸发是以生蒸汽为热源,用蒸发装置将来自电解槽的电解液进行缩浓和分离盐,从而获得液碱产品(含NaOH分别为30%、42%、45%和50%)。本工序的汽耗约占吨碱汽耗的75%,电耗约占吨碱电耗的3%,因此液碱蒸发工序是电解法烧碱生产的一个主要耗能工序。蒸发器所需蒸汽供给的热量用式(12)表示:q=D(I-),(12)式中:q为蒸发器所需蒸汽供给的热量(kJ/h);D为蒸发器加热蒸汽的用量(kg/h);I为加热蒸汽的热焓(kJ/kg);为与加热蒸汽相同温度下冷凝水的热焓(kJ/kg)。向蒸发器供给的蒸汽热量主要消耗为:预热物料至沸点所需热量,蒸发水分所需热量,液碱的浓缩热,氯化钠析出的结晶热,设备的散热损失。蒸发过程中,实际的有效温差比理论温差小,这是溶液沸点升高引起的温差损失、由静压升高引起的沸点升高及由于流动阻力引起的温差损失造成的。根据上述情况,可以找到影响加热蒸汽消耗的主要因素:(1)生蒸汽压力。较高压力的生蒸汽可使 效蒸发器以至整个蒸发系统获得较大的加热温差,但是,蒸发器有一个传热温差临界值,通常有效温度应控制在这个临界温差值的90%,超过这个数值反而会降低蒸发器的传热系数;另一方面,从热力学观点看,提高生蒸汽压力不当会使蒸发过程的不可逆程度增加,造成热量的损失。因此,对不同的蒸发流程要选择相适应的生蒸汽压力范围。例如:采用三效顺流自然循环工艺的生蒸汽压力可选择0.5880.784 MPa。(2)真空度。它是关系到汽耗和装置生产能力的主要因素,提高真空度可增加末效及整个蒸发系统的温差而使汽耗降低,同时也提高蒸发系统的生产能力。表3示出了真空度提高与传热温度增加值的关系。表3 真空度提高与传热温差增加值关系真空度/kPa传热温差增加值/从66.65提高到73.15从73.15提高到79.80从79.80提高到86.45从86.45提高到93.1056812 三效顺流蒸发工艺因提高真空度所节约的蒸汽量可用式(13)近似计算:-D(78)t,(13)式中:-D为节约的蒸汽量 kg/(t 碱);t为真空度提高带来的传热温度增加值()。(3)电解液质量浓度。电解液蒸发时,加热蒸汽供给的热量主要消耗在水分蒸发上。因此,提高进蒸发器的电解液质量浓度(NaOH含量)有利于降低汽耗和提高装置生产能力。然而,在提高电解液质量浓度时,也会导致电解直流电耗的增加。因此,选择最佳的电解液质量浓度应是汽耗降低和电耗增加最合理的平衡点。实践证明:在电解液含NaOH为4综 述 氯碱工业 2002年第8期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.110130 g/L时,电解液中NaOH质量浓度每提高1 g/L可节约蒸汽30 kg/(t 碱)。(4)电解液预热。采用余热(或废热)预热进入蒸发器的电解液,使其温度达到(或接近)进料效体料液的沸点,这不但可降低汽耗,也使装置运行稳定;否则,进入蒸发器的电解液需用生蒸汽加热才能使其达到沸点,从而造成汽耗增加,并使操作不稳定。例如,当电解液的温度比进料效体料液沸点低4050 时,要消耗蒸汽0.70.9 t/(t 碱)才能使电解液达到效体中料液沸点,而这部分的汽耗约占蒸发总汽耗的20%以上。(5)出碱质量浓度。碱质量浓度增加不但增加蒸汽消耗,也会造成设备腐蚀加重。操作实践表明:出碱质量浓度每提高1%,吨碱汽耗约增加2030kg。(6)外加水量。这部分水主要指洗效水和洗盐水,因为它们要返回蒸发系统。通常洗效水为0.20.6 t/(t 碱),滤盐箱的洗盐水量为0.300.55t/(t 碱),离心机洗盐水量为0.150.20 t/(t 碱)。(7)散热损失。通常在较好的保温条件下,系统界区内热量损失约占总供热量的2%5%,但保温不好时会高达10%15%。上海天原化工厂对裸露的法兰、阀门、人孔等也实施保温,从而使散热损失由2.2%下降到1.5%,节约蒸汽30 kg/(t 碱)。此外,冷凝水排放时夹带蒸汽也会造成热量损失。从上述影响因素可知:液碱蒸发工序的节能(蒸汽)措施如下:(1)适当提高电解液质量浓度。例如,当电解液含NaOH从127 g/L提高到134 g/L时,蒸发节约蒸汽0.183 t/(t 碱),扣除因电解液质量浓度提高造成电解槽电流效率下降(约0.6%)而多耗电15kWh(折蒸汽0.048 t),仍可节约蒸汽0.135 t/(t碱)。(2)将电解槽的电解液直接进入蒸发器(输送管道采用保温),可节约蒸汽0.636 t/(t 碱)。用系统的余热(如冷凝水或二次蒸汽)预热电解液接近或达到进料效体的料液沸点,这不仅降低了蒸发汽耗,也利用了余热。(3)采用喷射冷凝器代替水喷射泵,可提高真空度13.3 kPa。(4)采用闪蒸技术。例如,在采用三效逆流强制循环蒸发工艺生产42%液碱时,38%液碱通过闪蒸(不需消耗外加蒸汽)可使质量分数达到42%。此外,将 效155165 的冷凝水闪蒸可获得115120 的蒸汽,这些蒸汽可用于预热电解液或作其它用途。(5)根据产品质量浓度要求,选择适合的蒸发工艺。例如,生产30%液碱应采用三效顺流自然循环(或部分强制循环)工艺,生产42%液碱应采用三效顺流部分强制循环工艺或三效逆流强制循环工艺,而生产45%、50%液碱应采用三效或四效逆流强制循环工艺。(6)减少洗水和洗盐水量。例如,上海天原化工厂加强操作控制和采用离心机分盐,使洗盐水量从占总蒸发水量的16%下降到9%,吨碱节约蒸汽0.148 t。(7)减少散热损失。对设备、管道所有裸露部分用合适的保温材料实施保温。此外,在冷凝水出口选用适合的疏水器、充分回收和利用系统内余热或废热和减少碱损失等都会直接或间接节约蒸汽。2 近年来的节能技术进展2.1 整流装置我国许多企业(特别是离子膜烧碱生产企业)采用国产晶闸管整流装置,这种装置效率正常值较二极管整流装置高2%3%。以离子膜烧碱电耗2 250 kWh/(t 碱)计算,整流效率提高2%,便可收到节电50 kWh/(t 碱)的效果4。例如,深圳市巨叶实业公司生产的晶闸管大功率整流装置已在沧州化工实业公司等企业应用,其整流效率在99%以上,运行功率因数在0.9以上5;锦化化工(集团)有限责任公司8万t/a离子膜烧碱所用整流装置完全国产化,其系统整流效率为97%,运行功率因素为0.96。2.2 电解方法与装置2.2.1 电解方法据测算,2000年底我国烧碱生产能力已达790万t/a,其中离子膜法烧碱生产能力突破200万t/a,占我国烧碱生产总能力的25%以上。从表1可知,离子膜法烧碱的综合能耗大大低于隔膜法约500 kg 标煤/(t 碱),是目前电解法烧碱最节能的方法。例如,锦化化工(集团)有限责任公司已由原来的水银法和隔膜法全部转换为离子膜法(28万t/a),取得显著的节能和降低生产成本的效果。表4列出了该公司3种方法生产的烧碱主要技术指标情况7。从表4可以看出,无论是直流电耗、综合能耗和产品成本,离子膜法都大大优于隔膜法。另外,若氧气(空气)阴极电解方法实现工业化,直流电耗将比5第8期2002年8月刘启照:电解法烧碱生产中的能耗及节能技术 综 述 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.离子膜法降低700 kWh/(t 碱),这将是一种更节能的方法。目前此法正在日本进行中试。我国中科院大连化物所也进行过研究开发,并进行过应用试验。表4 锦化3种工艺的烧碱主要技术指标项 目1996年水银法45%液碱1996年隔膜法42%液碱1999年离子膜法45%液碱直流电耗/kWh(t 碱)-13 2122 4422 202综合能耗/t 标煤(t 碱)-11.771.381.135产品成本/元(t 碱)-1601.63602.37509.232.2.2 电解装置近年来,我国对电解法烧碱生产节能装置研究很活跃,无论是电解槽还是部件都开发出一些新技术。2.2.2.1 隔膜电解槽及部件上海天原(集团)有限公司天原化工厂开发的C30-ING节能型固定式小极距隔膜电槽8于1995年成批投入工业化生产,与C30-型槽相比,槽电压下降0.21 V,节电145 kWh(t 碱)-1;沈阳市大方非标准设备厂于1998年底研究出S-3000型压滤式F4隔膜电解槽9,该槽可节电100 kWh(t 碱)-1;江苏索普化工股份有限公司于1998年6月和1999年1月分别采用北京化工机械厂提供的碳钢板网活性阴极和不锈钢网活性阴极与扩张阳极组装的电解槽进行试验,结果表明:在相同工况条件(电流密度1 528 A/m2)下与普通铁丝网阴极、扩张阳极电槽相比,碳钢板网活性阴极电槽槽电压平均下降0.05 V,不锈钢网活性阴极电槽则平均下降0.1 V10;武汉祥龙电业股份有限公司与武汉大学共同开发的氯碱工业新型节能活性阴极于2001年1月通过专家验收11,该活性阴极涂层采用阴极箱整体电镀、沉积新技术。该公司于1999年下半年投入一批使用该阴极的30 m2金属阳极电槽试运行,经测试表明,该电槽阴极电位降低150200 mV;用杭州津岩实业有限公司的津岩牌石棉及其 隔膜动态吸附津岩操作法 吸附工艺制备的隔膜可使单槽槽电压降低0.1 V以上,氯气纯度和电流效率均比传统吸附工艺的隔膜电解槽提高1.0%2.0%12。例如,吉林化工股份有限公司采用上述技术于2000年4月对30台25 m2金属阳极电槽的隔膜进行吸附并投入运行,在电流密度1 6801 700 A/m2下运行的实测结果为:槽电压3.2 V,电解液含NaOH125 g/L,氯酸盐含量0.3 g/L,电流效率96%。在相同工况下,与2000年13月未使用该技术的电槽相比,槽电压下降0.12 V,电流效率提高2%,节电164 kWh/(t 碱)13;浙江巨化股份有限公司电化厂通过改型真空泵、改进制膜槽结构、改造烘房结构、改造阴极箱以及改进石棉配比及吸附工艺,使改造后的C30-型金属阳极电解槽新槽电耗由2000年14月份的平均值下降到2 409 kWh/(t 碱),比改造前的1997年的电耗下降约100 kWh/(t碱)14;锦西化工研究院研制的高聚物/无机物复合纤维改性隔膜1999年9月在武汉葛化工业集团公司氯碱厂的5台电槽进行试验,在32 kA运行电流下,槽电压为2.802.85 V,电流效率达到96%以上15。2.2.2.2 离子膜电槽及部件由北京化工机械厂设计制造的18台BMCA-2.5型单极式(2万t/a烧碱)于2000年11月7日在河北省沧州大化集团黄骅氯碱厂顺利投入生产运行16。目前运行指标为:电流密度3.33.4kA/m2,产品中烧碱质量分数为30%32%,单台3组槽电压平均值为9.09 V(考核实测值),电流效率为96.1%(72 h考核值),该电槽采用美国杜邦公司的NX2002型离子交换膜,装置的国产化率达95%。中国石化公司江汉油田公司盐化工总厂使用广州四八零一厂的Ni-Al多孔活性阴极涂层和沈阳中科惠友科技开发有限责任公司的Co3O4内禀活性阴极涂层与英国ICI公司的CP205型活性阴极涂层在进行对比试验中表明17,它们的性能不相上下,而前两者的稳定性优于后者,且投资仅为后者的15%,该厂使用上述活性阴极后电耗从2 700kWh/(t 碱)下降到2 380 kWh/(t 碱)。该厂还采用了沈阳中科惠友科技开发有限责任公司的阳极涂层,该涂层由RuO2-IrO2-M1O2-M2-M3组成,其电位上升率为6 mV/a。2.3 液碱蒸发我国隔膜液碱蒸发装置较先进的工艺有:吉化股份有限公司电石厂三效顺流部分强制循环蒸发装置生产42%烧碱汽耗为3.48 t/(t 碱);沈阳化工股份有限公司的三效逆流强制循环蒸发装置生产42%烧碱汽耗为3.196 t/(t 碱);浙江巨化股份有限公司电化厂采用我国自行设计建成的三效逆流蒸发装置生产50%烧碱汽耗为3 t/(t 碱);齐鲁石化公司氯碱厂引进的四效逆流蒸发装置生产50%烧碱汽耗为2.2 t/(t 碱)18。此外,一些企业的改造也获得成效。例如:江苏安邦电化有限公司自行设计和安装的1套三效四体部分强制循环蒸发装置于6综 述 氯碱工业 2002年第8期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.2000年1月一次试车成功19,近期运行状况表明:该装置最大生产能力达12万t/a烧碱(折100%),蒸发蒸汽单耗2.2 t/(t 碱)。该装置的蒸发器以列文蒸发器为基础,在工艺上吸收了柴伦巴内循环蒸发器设计思想和悬框式蒸发器采盐特性改进而成,除 效蒸发器外,其余各效全部采用双加热器强制循环,效体采用 效二次蒸汽加热,液碱顺流蒸发,全部逆向采盐,结晶盐从 效抽出,与原装置相比,降低汽耗0.6 t/(t 碱);浙江巨化股份有限公司电化厂于1998年初对其二效顺流蒸发工艺进行改造20,改造后为三效顺流,、效带强制循环的工艺,已于1999年初投入化工试车,测试表明生产30%烧碱的汽耗从二效顺流蒸发的汽耗4 t/(t 碱)降至3.16 t/(t 碱);山东大成农药股份有限公司对其三效顺流部分强制循环蒸发装置进行了一系列改造,1999年烧碱蒸发汽耗比1998年平均降低0.39t/(t 碱),2000年19月平均蒸发汽耗为3.43t/(t 碱),收到了良好的节能效果21。2.4 固碱生产国内离子膜烧碱蒸发技术和装置多为引进的三效逆流降膜技术,它们既能生产50%液碱,也可以生产固碱,汽耗为0.40.6 t/(t 碱)。国产的双效或升膜式蒸发器的汽耗为0.81.5 t/(t 碱)。据报道22,我国有1家企业早在1993年就开发出流态化固碱造粒技术,并形成了工业规模(1万t/a)。该法换热效率高(比喷淋法增加50%),空气耗量小(所需风量为喷淋法的40%),装置功率小而电耗少,因此能耗低,效益高(年效益200万元),投资回收快(约半年)。该工艺适合各类型氯碱厂采用。2.5 氯氢处理杭州 振 兴 工 业 泵 制 造 有 限 公 司 开 发 的L YZ1500/0.36型高速悬臂式氯气透平压缩机于1998年6月在福建省东南电化有限公司试车并网成功23,并于1999年初通过鉴定。该机与同气量其它泵相比,节电50%20 kWh/(t 氯气),特别适用于2.5万6.0万t/a规模的烧碱企业。3 建 议我国电解法烧碱生产能耗与国外先进水平相比仍存在一定的差距,主要表现在:整流效率低(国外为96%99%),运转功率因素小(国外为0.920.99);电解直流电耗较高国外隔膜法为2 300kWh/(t 碱),离子膜法为2 1002 200 kWh/(t碱);蒸发汽耗较高国外隔膜法液碱采用柴伦巴三或四效逆流强制循环工艺时,蒸发汽耗分别为2.52.6 t/(t 碱)和2.02.1 t/(t 碱)。隔膜法综合能耗比国外先进水平高0.30.4 t 标煤/(t 碱),而离子膜法则比国外高0.10.2 t 标煤/(t 碱)。因此,我国烧碱生产节能技术尚需开发和完善。笔者根据国内现状和国外技术的开发情况,提出如下建议,仅供业内人士参考。(1)开发大功率、高整流效率和高功率因素的晶闸管可控硅微机自控整流机组,以便适应氯碱企业日趋大型化和节能的需要。(2)现有工艺采用PE管或烧碱碳素管过滤器对进入隔膜电解槽的精盐水进行二次精滤,或采用戈尔薄膜过滤技术,确保盐水中Ca2+、Mg2+总量小于1 mg/L,SS小于110-6,从而减小盐水质量对电解电耗的影响。(3)产、学、研结合,开发氧(空气)阴极电解槽技术,使直流电耗有较大幅度降低。(4)完善改性隔膜(类纤维改性)、扩张阳极(Ru-Ti-Ir涂层、Ru-Ti-Sn涂层或多元涂层)和活性阴极组成的改性隔膜活性电极电解槽技术,使直流电耗降低到2 300 kWh/(t 碱)以下,并在全国推广使用。(5)提高国产化单极、复极离子膜电解槽的综合性能,使它们达到和超过国外同类产品先进水平,直流电耗降低到2 1002 200 kWh/(t 碱)。(6)在L YZ1500/0.36型高速悬臂式氯气透平压缩机的基础上,开发适合与5万10万t/a烧碱装置配套的氯气透平压缩机,同时在LL Y-3700离心式氯压机基础上开发能力更大的机组,以与20万30万t/a烧碱装置配套。(7)根据液碱的产品品种,选择适合的液碱蒸发流程和控制指标,最大限度地利用生蒸汽的热焓,同时有效地回收和利用二次蒸汽及冷凝水,采用有效保温来减少系统的热损,使蒸发系统的汽耗达到国外同类装置的先进水平。(8)对电解法烧碱生产界区的物料和热量进行衡算,找出各工序最佳能耗控制指标和相应的操作方法。(9)加强能源管理,杜绝人为的热能损失,使热能损失降低到总供热能的0.5%以下。(10)提高设备的利用率。整流装置的额定电压利用率应大于90%,应防止用电机械设备大马拉小车的现象,其输出功率应在其额定指标的95%以上。(11)强化员工的节能意识,节能也要从每个人7第8期2002年8月刘启照:电解法烧碱生产中的能耗及节能技术 综 述 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.和点滴做起,树立积小变大、汇滴成河的思想,牢记节能降耗这一永恒课题。参考文献1朱建平.2000年度全国氯碱企业经济效益完成情况及生产运行状况J.中国氯碱,2001,(4):48.2朱建平.1999年度全国氯碱企业经济运行及生产状况概述J.中国氯碱,2000,(5):48.3赵国瑞,等.活性阴极技术应用J.氯碱工业,2000,(12):13-14.4廖秀华.氯碱整流电源采用国产晶阐管装置的几点思考J.中国氯碱,2000,(1):13-14.5刘启照,等.烧碱生产装置进展J.氯碱工业,2000,(7):1-8.6杜景辰.8万t/a离子膜法烧碱装置的整流系统J.氯碱工业,1999,(4):1-3.7李铁军,等.制碱技术进步对企业的影响J.氯碱工业,2000,(11):1-3.8沈志良.科学进步是企业发展的永久动力J.中国氯碱,1999,(10):3-10.9王明璋,等.世界首台S-3000型压滤机式F4隔膜电解槽J.氯碱工业,1999,(8):11-13.10董 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