无水与含水HCl电解工艺的技术经济对比分析：高转化率与热集成策略的工业应用潜力

本研究针对传统含水HCl电解工艺存在的转化效率低(30.5%)、腐蚀严重等问题，通过Aspen建模对比分析了无水HCl电解工艺在不同转化效率(30.5%-93.4%)下的经济性。研究发现采用PBI膜的无水工艺在80%转化率时，通过热集成可降低BoP成本，实现更高纯度H2和Cl2联产，其NRR(净回报率)显著优于现行含水工艺，为氯碱工业提供了更经济的HCl回收方案。

　　

氯气作为PVC、聚氨酯等工业品的关键原料，全球年产量已突破1亿吨，但传统氯化钠电解法每吨氯气需消耗3.3MWh电能，占美国总能耗的3-4%。更棘手的是，约50%的氯最终转化为副产物氯化氢(HCl)，而盐酸市场需求增速(4.2%CAGR)远低于氯气，长途运输经济性差。现有含水HCl电解工艺虽成熟，却受限于30.5%的转化率上限(防爆要求)、Nafion膜腐蚀、以及复杂的上下游处理工序。

为解决这些痛点，研究人员开发了基于聚苯并咪唑(PBI)膜的无水HCl电解新工艺。通过Aspen Custom Modeler构建的一维电解槽模型显示，该工艺可将转化率提升至93.4%，并省去含水工艺必需的氧气供应系统。研究团队系统评估了30.5%、50%、80%和93.4%四种转化效率下的热集成方案，发现80%转化率配合热交换器优化能实现最佳经济效益。

关键技术方法包括：1) 采用PRSK状态方程和UNIFAC模型进行无水体系热力学计算；2) 基于Bruggeman关联式建立GDL层传质模型；3) 通过Net Rate of Return(NRR)评估不同热交换配置的经济性；4) 对比分析含/不含空气分离单元(ASU)的含水工艺全流程成本。

3.1 电解槽堆成本分析
催化剂成本构成差异显著：无水工艺采用IrRuO_x阳极催化剂(占总成本51%)，而含水工艺使用Ti/Pd-DSA(仅15%)。阴极方面，无水工艺的Pt催化剂(1mg/cm²载量)成本占比仅6%，远低于含水工艺Rh₂S₃的49%。

3.2 系统经济性对比
集成ASU的含水工艺总资本成本为1368万美元，低于无水工艺的2225万美元(30.5%转化率)。但将转化率提升至80%后，无水工艺的BoP成本降低398万美元，年氯气销售收入增加7141万美元。热集成方案在30.5%转化率时节省262万美元设备投资和108万美元/年运行费。

3.3 热交换器优化
三阶段冷却(空气-水-R4)在93.4%转化率时最经济，而80%转化率下热集成方案NRR最高。这是因为高转化率减少了可回收热量，此时分级冷却比热集成更具成本优势。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究证实，80%转化率的无水HCl电解工艺配合热集成，其10年净现值(NPV)可达3530万美元，较含水工艺提高49倍。该工艺通过消除水相腐蚀、简化后处理步骤，并利用高价值氢能副产物，为氯碱工业提供了兼具经济性和可持续性的技术升级路径。未来通过降低IrRuO_x载量至1mg/cm²、开发膜分离替代蒸馏等方法，可进一步强化其竞争力。