何冠平，王辛成

（山東鋁業(yè)公司氯堿廠，山東淄博255000）

山東鋁業(yè)公司氯堿二期采用日本旭化成公司生產(chǎn)的NCH型自然循環(huán)高電密電解槽，裝置于2008年6月投產(chǎn)，到2013年6月已運(yùn)行5年，在4.5 kA/m2負(fù)荷下槽電壓升高到3.18 V，電流效率下降到91%左右，離子膜需要更換。為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，該企業(yè)決定利用此次更換離子膜的機(jī)會(huì)一并進(jìn)行零極距改造。

1 改造時(shí)機(jī)的選擇

NCH電解槽雖已運(yùn)行5年，除電流效率較低外，電解槽運(yùn)行狀態(tài)比較平穩(wěn)，不需要立即改造。選擇什么時(shí)機(jī)進(jìn)行改造，主要原則是便于快速組織，使企業(yè)利潤(rùn)影響、市場(chǎng)客戶影響等降到最低程度。

從企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益方面考慮，改造時(shí)間要利用市場(chǎng)淡季。山東氯堿的市場(chǎng)變化有一定的規(guī)律可循，分析山東鋁業(yè)公司氯堿廠近幾年以來(lái)的氯氣、液堿（32%NaOH）市場(chǎng)價(jià)格變化規(guī)律可以看出，液氯產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格，每年的1月、2月和7月、8月是傳統(tǒng)的市場(chǎng)淡季，液堿價(jià)格除2010年11月上升明顯外，其余時(shí)間年度內(nèi)變化不大。液氯市場(chǎng)晚冬早春的淡季，主要受春節(jié)和冬季氣溫低影響，盛夏的淡季主要受夏季高溫和農(nóng)藥、溴素等耗氯行業(yè)停減產(chǎn)影響，深入分析液氯價(jià)格變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)盛夏的淡季比晚冬早春的淡季市場(chǎng)更差，所以應(yīng)選擇盛夏淡季實(shí)施改造。

從外圍環(huán)境對(duì)改造質(zhì)量、進(jìn)度方面的影響考慮，晚冬早春，特別是春節(jié)前后，受節(jié)日影響，企業(yè)和電極改造企業(yè)的員工思想均會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，不利于提高工作質(zhì)量；電極的運(yùn)輸、其他備件的供應(yīng)、極化整流設(shè)備的調(diào)試等方面工作的組織、協(xié)調(diào)的難度和不確定性增加，會(huì)對(duì)改造進(jìn)度造成影響。而在夏季，這方面的影響要低得多。

從墊片安裝質(zhì)量、離子膜安裝質(zhì)量方面考慮，夏季比冬季氣溫高更有利于保證工作質(zhì)量。但盛夏季節(jié)，天氣本就炎熱潮濕，兩側(cè)的電解槽又處于運(yùn)行狀態(tài)，在電解廠房?jī)?nèi)進(jìn)行電解槽的拆除安裝等工作，必須要做好防中暑等安全工作。在電解廠房?jī)?nèi)施工的過(guò)程中，可采取人員輪流作業(yè)，加強(qiáng)通風(fēng)，供應(yīng)冷飲等措施，克服氣溫高的困難。

綜合考慮上述因素，利用盛夏季節(jié)市場(chǎng)淡季，選擇7月初至8月末，60天左右的時(shí)間，采取好防中暑安全健康措施，即可實(shí)現(xiàn)以最低的停產(chǎn)代價(jià)獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 NCH電解槽陰陽(yáng)極改造方案選擇

山東鋁業(yè)公司氯堿二期NCH電解槽運(yùn)行到接近5年時(shí)間時(shí)，在4.5 kA/m2負(fù)荷下，槽電壓達(dá)到3.18 V，電流效率下降到91%左右。此時(shí)進(jìn)行離子膜更換，有3種方案供選擇。

A方案：只更換離子膜和墊片。

B方案：更換離子膜、墊片同時(shí)陰極進(jìn)行零極距改造，因?yàn)殛?yáng)極保證壽命為8年，預(yù)計(jì)10年，目前僅用了5年，待下次換膜時(shí)再進(jìn)行重涂。這樣，本次投資較少，但所帶來(lái)的問(wèn)題是下一期離子膜更換時(shí)，陽(yáng)極需要重涂，而陰極保護(hù)難度大；

C方案：更換離子膜、墊片、對(duì)陰極進(jìn)行零極距改造同時(shí)進(jìn)行陽(yáng)極重新涂層，以便陰陽(yáng)極更新步驟一致起來(lái)，下一期離子膜更換時(shí)僅更換離子膜即可，但浪費(fèi)了陽(yáng)極涂層壽命，且本次投資高。

對(duì)上述3種方案從投資、停產(chǎn)損失和綜合效益等方面進(jìn)行比較。

每整臺(tái)電解槽150臺(tái)單元槽，墊片和膠黏劑按每整臺(tái)8.4萬(wàn)元計(jì)，離子膜按165萬(wàn)元計(jì)，陽(yáng)極重新涂層按165萬(wàn)元計(jì)，陰極零極距改造按145萬(wàn)元計(jì)，新離子膜對(duì)槽電壓的貢獻(xiàn)按100 mV計(jì)，新離子膜3年平均電流效率按94%計(jì)。5整臺(tái)電解槽折百燒堿年產(chǎn)量按10萬(wàn)t計(jì)（每整臺(tái)每年折百燒堿產(chǎn)量按2萬(wàn)t計(jì)），含稅電價(jià)按0.67元/kW·h計(jì)。

2.1 A方案

每整臺(tái)投資：165萬(wàn)元 （離子膜費(fèi)用）+8.4萬(wàn)元（墊片、膠黏劑和防粘計(jì)費(fèi)用）=173.4萬(wàn)元。

改造前標(biāo)準(zhǔn)電流密度下槽電壓3.18 V，改造后按3.08 V計(jì)。

電解電耗公式[2]：W=Qv/1 000 η，（η 為電流效率，Q=670.2 kA·h）

改造后比改造前降低電解電耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×3.08/0.94=2 342.0-2 195.9=146.1（kW·h/t）

每整臺(tái)電解槽3年合計(jì)總效益（與B、C方案相比，可設(shè)定A方案產(chǎn)量損失為零）：

2×3×146.1×0.67-173.4=413.92（萬(wàn)元）。

2.2 B方案

每整臺(tái)投資：165萬(wàn)元 （離子膜費(fèi)用）+8.4萬(wàn)元（墊片和膠黏劑費(fèi)用）+145萬(wàn)元（陰極零極距改造費(fèi)用）=318.4萬(wàn)元

陰極進(jìn)行零極距改造，與不進(jìn)行改造比，電壓降低貢獻(xiàn)3年平均按100 mV計(jì)，加離子膜的電壓降貢獻(xiàn)，3年平均合計(jì)200 mV，改造后標(biāo)準(zhǔn)電流密度下槽電壓按2.98 V計(jì)。

改造后比改造前降低電解電耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×2.98/0.94=2 342.0-2 124.6=217.4（kW·h/t）

B方案與A方案比，每整臺(tái)電解槽多停產(chǎn)10天，由于處于淡季虧損季節(jié)，根據(jù)“避峰填谷”彈性生產(chǎn)組織方案，“平段”和“峰段”期間，5臺(tái)電解槽運(yùn)行和4臺(tái)電解槽運(yùn)行的總負(fù)荷可以調(diào)整為總負(fù)荷相同，即5臺(tái)電解槽運(yùn)行時(shí)平均電流控制在8 kA；1臺(tái)改造，4臺(tái)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)電解槽平均電流控制在10 kA，則總產(chǎn)量相同。但在“谷段”時(shí)，電價(jià)低，電解槽負(fù)荷越高經(jīng)濟(jì)效益越好，在改造的10天內(nèi)，整臺(tái)電解槽每天實(shí)際影響產(chǎn)量8 h（谷段時(shí)間），共影響產(chǎn)量80 h，影響折百燒堿產(chǎn)量1 000 t，效益損失5萬(wàn)元。

B方案每整臺(tái)電解槽3年合計(jì)總效益：

2×3×217.4×0.67-318.4-5=550.55（萬(wàn)元）。

2.3 C方案

每整臺(tái)投資：165萬(wàn)元 （離子膜費(fèi)用）+8.4萬(wàn)元（墊片和膠黏劑費(fèi)用）+145萬(wàn)元（陰極零極距改造費(fèi)用）+150萬(wàn)元（陽(yáng)極重涂費(fèi)用）=468.4萬(wàn)元

陰極進(jìn)行零極距改造，與不進(jìn)行改造比，電壓降低貢獻(xiàn)3年平均100 mV。

陽(yáng)極進(jìn)行重涂，因?yàn)樾窕晒镜脑b陽(yáng)極僅使用了4年，基本沒(méi)有變化，此次進(jìn)行重涂，僅僅為了陰陽(yáng)極更新時(shí)間一致起來(lái)，對(duì)槽電壓降低沒(méi)有貢獻(xiàn)。

改造后比改造前降低電解電耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×2.98/0.94=2 342.0-2 124.6=217.4（kW·h/t）

產(chǎn)量影響方面，C方案與B方案相同，均比A方案多停產(chǎn)10天，同樣執(zhí)行淡季“避峰填谷”彈性生產(chǎn)組織方案，影響折百燒堿產(chǎn)量1 000 t，效益損失5萬(wàn)元。

C方案每整臺(tái)電解槽3年合計(jì)總效益：

2×3×217.4×0.67-468.4-5=400.55（萬(wàn)元）

比較 A、B、C 3種方案 3年經(jīng)濟(jì)效益，A方案413.92萬(wàn)元，B方案550.55萬(wàn)元，C方案400.55萬(wàn)元?？梢?jiàn)，B方案效益最好，投資比C方案低150萬(wàn)元，并可使企業(yè)快速降低生產(chǎn)成本，不利因素是下一期陽(yáng)極重涂時(shí)陰極保護(hù)困難。經(jīng)綜合平衡，認(rèn)為B方案可使企業(yè)爭(zhēng)取3～5年行業(yè)比較優(yōu)勢(shì)。所以，選擇B方案。

3 抑制停產(chǎn)時(shí)反向電流方案的選擇

無(wú)論緊急停車還是計(jì)劃停車，停止供電后，由于電解質(zhì)的作用，電解槽會(huì)立即形成原電池，產(chǎn)生反向電流，對(duì)陰陽(yáng)極涂層和離子膜造成損傷。抑制停產(chǎn)時(shí)反向電流的方案主要有施加極化電流法和C-DCDS斷路器法。C-DCDS斷路器，進(jìn)口日本產(chǎn)品需要投資20萬(wàn)元，而極化整流柜，國(guó)產(chǎn)的已經(jīng)非常成熟，投資不高于8萬(wàn)元。另外，該企業(yè)對(duì)極化整流裝置已有10年的管理使用經(jīng)驗(yàn)，2005年一期裝置伍迪公司電解槽就設(shè)置了防止反向電流的極化整流柜，而且對(duì)電解槽保護(hù)方面的使用效果良好。從節(jié)省投資和使用經(jīng)驗(yàn)方面考慮，選擇了配套極化整流的方案，與C-DCDS法相比，5套電解槽節(jié)省投資六十余萬(wàn)元。

4 離子膜型號(hào)的選擇

目前，氯堿行業(yè)所用離子膜中比較成熟先進(jìn)的是旭化成公司的F6801、杜邦公司的N-2030和旭硝子公司的F-8080。對(duì)旭化成NCH電解槽進(jìn)行零極距改造，F(xiàn)6801型離子膜是首選，但是，N-2030和F-8080也是成熟的。為了降低投資，并進(jìn)一步檢驗(yàn)這3種離子膜的比較性能，為今后的離子膜選擇提供可靠依據(jù)，對(duì)5整臺(tái)電解槽中的3整臺(tái)選擇使用了F6801離子膜，另外2臺(tái)分別使用N-2030和F-8080。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)方案的優(yōu)化選擇，充分利用生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)淡季，從全廠各崗位抽調(diào)20名員工，組成零極距改造小組，克服天氣炎熱和電解廠房?jī)?nèi)高溫施工等困難，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)電極改造、極化整流柜改造調(diào)試、離子膜和電解槽零部件供應(yīng)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)度，用56天的時(shí)間，總投資1 400萬(wàn)元，完成了5臺(tái)（750臺(tái)單元槽）的零極距及配套改造工作，各臺(tái)電解槽一次開車成功，達(dá)到了預(yù)期效果，72 h考核期間，標(biāo)準(zhǔn)電流密度下，單元槽電壓平均2.95 V，比改造前降低電解電耗261 kWh，年化效益1 460余萬(wàn)元。

［1］歐陽(yáng)玉霞，何冠平，咸立穎.“避峰填谷”彈性生產(chǎn)運(yùn)行模式在氯堿生產(chǎn)中的應(yīng)用，中國(guó)氯堿，2015，（2）：14-16.

［2］陸忠興，周元培.氯堿化工生產(chǎn)工藝，氯堿分冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，1994年版，34-35.