水处理药剂等消耗品生产工艺和比能耗

水处理药剂等消耗品生产工艺和比能耗

在废水处理过程中，除了处理现场的能耗之外，废水处理所需的药剂等消耗品在生产制造中也要消耗大量的能量。以往这部分能量一般没有被计入处理厂的日常能量预算之中，所以称之为间接能耗。但随着我国“双碳”目标的提出，间接能耗愈发重要。本文分享水处理药剂等消耗品的生产工艺及比能耗数据（文中将所有能耗折算至耗电量），供水处理人士参考。

1. 硫酸:商品硫酸有两种生产方法，都是用SO2作主要原料，反应方程式如下所示。方法一：

方法二：生产硫酸的能耗随生产技术不同而有很大变化。某些金属工业中, 生产硫酸只不过是利用二氧化硫废气的一种方法。用天然气为主要燃料时，其典型的能耗是0.50 kWh/kg。

2. 硫酸铝:硫酸铝生产系用铝矾土(Al2O3·2H2O) 和硫酸反应。这项技术相当成熟，始终用于生产中，反映方程式如下。从式中可见，生产明矾的反应是放热反应，但反应原料的生产、开采和精制、以及保持反应温度都需要消耗少量的能量。如前文所述硫酸的比能耗约为0.50 kWh/kg，以此为根据，生产明矾的总比能耗（包括其它所有原料）约为0.66 kWh/kg。

3. 氯气:生产氯气的主要能源是电力，基本上所有的氯气都是由电解食盐水产生的，如下式所示。

生产1 kg氯气大约需要1.8 kg的氯化钠和1.4~1.6 kWh的电能，同时，该反应还生成一些有用的副产品，如1.1 kg氢氧化钠和0.03 kg氢气。从阳极导出的热氯气必须冷却、干燥、加压、净化并冷冻液化。总的比能耗约为4.41 kWh/kg。

4. 氯化铁:有关氯化铁的能耗资料极少，它经常用钢厂的废酸洗液（含FeCl2或FeSO4）来生产。废液经中和、日晒浓缩，再和氯气反应就得到三氯化铁，反应方程式如下所示。

这里主要的能量需求是生产氯气的电能。如前所述，氯气生产的比能耗约为4.41 kWh/kg。所以，无论钢厂用的酸洗剂是盐酸还是硫酸，用废酸洗液生产三氯化铁消耗的电能都在0.97~2.87 kWh/kg之间。算上所有的原料，典型的三氯化铁比能耗是1.10 kWh/kg。

5. 聚丙烯酰胺（PAM）:聚合物的能耗资料非常稀少，因为很多生产方法属于专利。根据极有限的资料，估计聚合物的生产比能耗为0.66~1.32 kWh/kg，而其原料能耗约为9.92 kWh/kg，所以，生产PAM的总比能耗估计为10.58~11.24 kWh/kg。

6. 氢氧化钠:氢氧化钠可以在电解盐水时与氯气同时产生，所得到的稀氢氧化钠溶液一般用多效蒸发加以浓缩。比能耗为1.98~4.63 kWh/kg，典型值约为4.0 kWh/kg。

7. 次氯酸钠:对于现场采用盐水电解法制取的次氯酸钠，盐水电解产生的氯气和氢氧化钠重新化合，生成次氯酸钠，放出副产品氧气。产品为含有效氯的水溶液。电解、冷冻、制备盐水和生产中的泵送都要消耗电能。比能耗约为4.96~6.61 kWh/kg有效氯，对于13%的次氯酸钠溶液，约为5.5 kWh/kg。对于按照GB19106-2013《次氯酸钠》要求的氢氧化钠氯化法生产的次氯酸钠，生产次氯酸钠（13%水溶液）的比能耗是：3.31 kWh/kg，其反应方程式如下所示。

8. 氯化钠:食盐用于选择性离子交换树脂的再生工艺，其制法有三种：盐水或海水的多效蒸发、直接开采岩盐、盐水和海水的曝晒蒸发。燃料油和天然气是主要的能源，其相应的比能耗为：多效蒸发1.32 kWh/kg、开采岩盐0.33 kWh/kg、暴晒蒸发0.18 kWh/kg。

9. 石灰:用回转窑或竖窑在高温下煅烧石灰石（CaCO3）就得到生石灰，如下式所示。烧窑用油、天然气、石油气体或煤粉，一般倾向于用廉价的煤。能耗是原料、炉型及其效率、燃料、以及设备总效率的函数。老式回转窑一般不及竖窑效率高，典型比能耗约为2.31 kWh/kg。新式高效窑可能低到1.65 kWh/kg。

10. 甲醇:甲醇由合成气在高温高压下生成，一般用镍催化剂加速其反应，一般说来，甲醇生产的比能耗约为12 kWh/kg，其反应方程式如下所示。

11.氧气:氧气用分馏液化空气来生产，要消耗电能。所用的两个主要方法有低温蒸馏法和吸收分馏法。低温蒸馏法效率很高，生产氧气的比能耗为0.33~0.44 kWh/kg，生产液氧比能耗为1.10~1.32 kWh/kg。低温蒸馏法比较复杂，且缺乏灵活性，所以主要用于大型设备。效率较低的变压吸附（PSA）发生器主要用在小型设备上制备氧气。用PSA法的设备，其比能耗一般约为0.55~0.77 kWh/kg。

12.臭氧:臭氧可以用空气或氧气制造，两者都需要电能，增加原料空气中氧气的含量，可以减少能耗。进入臭氧发生器之前，空气必须预先净化和干燥。一般说来，比能耗约为24 kWh/kg，其中18 kWh/kg耗于发生器，6 kWh/kg耗于空气净化和干燥。如用纯氧作原料，则能耗降至12 kWh/kg。

13.活性炭:生产活性炭主要靠有机物在500~815℃的温度下热解。热解反应实际上是放热的，然而，炭化了的产物要用水蒸汽和二氧化碳进行“活化”，这需要消耗大量的能量，燃料主要用天然气。活性炭生产的比能耗为12~34 kWh/kg、活性炭再生的比能耗约为5.5  kWh/kg。

总结

熟悉水处理药剂等消耗品的生产工艺和比能耗数据，有助于在今后核算水处理碳排放量。