陳玉國

(中國石油化工股份有限公司齊魯分公司氯堿廠，山東 淄博 255411)

離子膜電解運行總結

陳玉國*

(中國石油化工股份有限公司齊魯分公司氯堿廠，山東 淄博 255411)

離子膜；電解槽；膜極距

對比旭化成NCH離子膜電解槽性能變化情況。根據(jù)膜極距改造前后運行數(shù)據(jù)，分析了電解槽膜極距改造的利弊。針對電解裝置運行中出現(xiàn)的問題，提出相應解決措施。

1 裝置概況

某公司離子膜法燒堿裝置于2004年10月建成投產(chǎn)，設計生產(chǎn)力能力為20萬t/a。二次鹽水、電解及淡鹽水脫氯工序引進日本旭化成公司的工藝技術，采用旭化成自然循環(huán)復極式ML-32NCH電解槽，共10臺電解槽，每臺166個單元槽，正、負半?yún)^(qū)各83個單元槽，分別用油壓系統(tǒng)壓緊。復極元件面積為2.7 m2，設計壽命為6年。A槽采用杜邦N982膜；B～J槽采用旭化成F4401膜。

2 工藝流程

精制鹽水及陰極液均通過高位槽進入電解槽，以保持流量、壓力穩(wěn)定。陰極液循環(huán)量每單元槽0.3 m3/h，通過手閥調節(jié)電解槽入口流量為50 m3/h；陽極液循環(huán)量由調節(jié)閥通過電流負荷串極控制，最低流量為13.3 m3/h。

陰極高位槽至電解槽堿總管設置高純水管線，根據(jù)分析調節(jié)加水量，控制出電解槽陰極液總質量分數(shù)在31.5%～32%，不能對單臺電解槽陰極液濃度單獨進行調整。

精制鹽水進入高位槽之前加高純鹽酸調節(jié)pH值在4.5～5.0之間，每臺電解槽陽極入口管設有加酸線，根據(jù)單槽氯氣純度、游離氯等分析結果，調節(jié)單槽加酸量，以保持陽極效率；同時，部分淡鹽水回流至高位槽出口管線，以避免上槽鹽水鈦管線被腐蝕。

3 運行情況

設計電解槽運行參數(shù)如下。

電流密度 4.2 kA/m2；

最高電流密度 4.63 kA/m2；

極網(wǎng)面積 2.7 m2；

陰極液質量分數(shù) 32%；

陰極效率 96%；

單元槽電壓 2.95 V(F4401膜)，

2.99 V(N982膜)；

直流電耗 2 100 kW·h/t。

開車約1個月后，電解槽運行電流在11.3 kA時的實際性能考核結果如表1所示。

表1 開車約1個月后實際性能考核結果Table 1 Actual performance test resultsafter about one-month operation

從表1可以看出：實際運行電流11.3 kA時，杜邦N982膜平均單元槽電壓約3.04 V，旭化成F4401膜平均單元槽電壓約3.01 V，陰極效率為95.1%，直流電耗為2 123 kW·h/t。

離子膜設計使用壽命為3年，2007年開始第1次換膜，至2008年10臺電解槽全部更換為新膜。通過運行數(shù)據(jù)對比，可以看出N982膜比F4401膜效率更高，性能更穩(wěn)定，同時電壓也較高，因此第1次換膜分別采用杜邦N982及旭化成新型離子膜—F6801膜。

表2 NCH槽初次換膜時間Table 2 First membrane-changing time of NCH cell

表3 NCH槽電壓變化情況Table 3 Change of NCH cell voltage

圖2 C，D 2個NCH槽電壓變化趨勢Fig.2 Voltage change trend of NCH cell C and D

圖3 E，F(xiàn) 2個NCH槽電壓變化趨勢Fig.3 Voltage change trend of NCH cell E and F

圖4 G，H 2個NCH槽電壓變化趨勢Fig.4 Voltage change trend of NCH cell G and H

圖5 I，J 2個NCH槽電壓變化趨勢Fig.5 Voltage change trend of NCH cell I and J

4 膜極距改造

從表3及圖1-5可以看出：經(jīng)過2個膜周期，即極網(wǎng)運行6年多以后，性能顯著下降，陰極效率下降，單槽加酸量大幅提高；第2次換膜后槽電壓升高速率更快。為降低能耗、物耗，2011年開始將10臺電解槽逐臺改為膜極距電解槽，更換陽極網(wǎng)，陰極側增加彈性網(wǎng)及面網(wǎng)，原陰極網(wǎng)保留，每臺電解槽改造時間約4周。

具體改造時間見表4。

表4 NCH電解槽改NCZ時間Table 4 Time of remolding NCH cells into NCZ cells

根據(jù)運行數(shù)據(jù)對比，2010年12月首先對B槽進行了膜極距改造，采用旭化成工藝技術。為確保達到改造預期效果，旭化成提出了如下具體要求。

(1) 增設極化整流器，停車斷電后投用15 min，電流150 A。

(2) 事故電機擴容，將主流程及輔助流程機泵均接入事故電源。

(3) 增加陰、陽極液緩沖罐至排放槽溢流線。

(4) 陰極液入口增加調節(jié)閥，停車置換時，將陰極液循環(huán)量降至17 m3/h。

(5) 調整陽極液流量調節(jié)閥，投用極化電流時，設定流量42 m3/h，15 min后降為28 m3/h。

第一次換膜前后的電壓對比如表5所示。

表5 NCZ槽第一次換膜電壓對比Table 5 NCZ Cell voltage when membraneis replaced for the first time

注：2010年11月30日前使用的是NCH膜，之后使用的是NCZ膜。1. A槽使用28個月；2. G槽使用45個月。

從表5可以看出：改為膜極距后，在12.5 kA運行時電壓平均下降約45 V；若不考慮C，H槽中間換網(wǎng)因素，則電壓平均下降約49 V。

表6 總電耗、效率變化情況Table 6 Change of total electricity consumptionand current efficiency

單臺電解槽堿產(chǎn)量不能計量，且運行過程中負荷調整頻繁、單槽電流差別大、改造間隔時間較長，因此改為膜極距后，單槽效率無法準確計算。

圖6 總電耗變化情況示意圖Fig.6 Diagram of change oftotal electricity consumption

圖7 電流效率變化情況示意圖Fig.7 Diagram of change of current efficiency

從表6及圖6和圖7可以看出：隨著電解槽逐臺改為膜極距，直流電耗下降顯著，但陰極效率并沒有明顯提高。影響陰極效率的因素較多，在運行過程中發(fā)現(xiàn)鹽水品質的影響相對較為明顯，具體情況可參閱相關資料。

5 異常情況及處理措施

(1) 開車初期，電解槽停車檢修后，槽電壓均不同程度升高；開車約2周內(nèi)逐漸下降；約1個月后穩(wěn)定下來，比檢修前最多升高5 V以上，平均升高3 V左右。分析后發(fā)現(xiàn)：由于停車時置換30 min，時間偏短，陽極室游離氯置換不徹底。通過分析陽極出口的游離氯，最終將置換時間調整為1 h；檢修完開車后，電壓下降2 V左右；而后逐漸升高至停車前電壓。與外商交流后，分析原因是陰極網(wǎng)上附著的鐵，及膜內(nèi)金屬離子氫氧化物沉淀被置換掉，離子膜透過性提高。2008年3月進行了短停檢修。12.5 kA電流負荷下，檢修前后電壓對比如表7所示。

表7 檢修前后電壓變化Table 7 Cell voltage changebefore and after maintenance V

圖8 檢修前后A，B槽電壓變化情況Fig.8 Voltage change of cell A and cell Bbefore and after maintenance

圖9 檢修前后C，D槽電壓變化情況Fig.9 Voltage change of cell C and cell Dbefore and after maintenance

圖10 檢修前后E，F(xiàn)槽電壓變化情況Fig.10 Voltage change of cell E and cell Fbefore and after maintenance

圖11 檢修前后G，H槽電壓變化情況Fig.11 Voltage change of cell G and cell Hbefore and after maintenance

圖12 檢修前后I，J槽電壓變化情況Fig.12 Voltage change of cell I and cell Jbefore and after maintenance

(2) 2009年8月每逢陰雨天時，各槽電壓均出現(xiàn)不同程度升高；天氣好轉時，電壓恢復正常。經(jīng)分析檢查發(fā)現(xiàn)：電解槽正常運行時，陰陽極側保持4 kPa壓差；當雨天氣溫明顯下降時，由于氫氣總管未保溫，氫氣側壓力下降，壓力表膜片凝結水珠，導致測量誤差，不能及時調節(jié)，使電解槽陰陽極側壓差大幅下降，引起槽電壓顯著升高。

針對分析出的原因，首先對氫氣管線保溫；利用停車機會，在氯、氫氣相總管壓力表與根閥之間增加135°彎頭，以避免膜片表面聚集水珠。通過采取以上措施，消除了天氣變化對電解槽運行的影響。

(3) 異常情況電解槽緊急停車時，降流速度不宜過快?，F(xiàn)場曾觀察到，當以20 A/s速度降電流時，陽極出口軟管出現(xiàn)斷流。

(5) 陽極出口軟管螺母裂紋泄漏較多時也可能導致著火，降流時應密切注意，必要時連鎖停單槽。

(6) 電解槽大修后必須充水排出空氣，陰極液中含氫氣，可能導致爆炸。

(7) 元件改為膜極距及每次換膜時，必須檢查陰極網(wǎng)毛刺，同時檢查陽極網(wǎng)焊點有無明顯突起；若有突起，可用圓銼輕銼，并用手錘輕輕敲擊，使表面保持光滑。

(8) 當單槽入口加的酸濃度較高時，若流量突然增大，由于氯化鈉溶解度降低，可能使鹽水析出的結晶堵塞陽極入口集管濾網(wǎng)，導致進槽鹽水流量不足而連鎖停車。

(9) 正常生產(chǎn)過程中應關注樹脂過濾器出入口壓差。當壓差明顯增大時，打開過濾器入口倒淋，檢查鹽水中有無夾帶樹脂，如果樹脂量很少且明顯破碎，可將過濾器切至旁路，清洗濾芯。若鹽水中樹脂較多，同時上槽鹽水總量逐漸下降，可能是樹脂塔紗綸網(wǎng)破損，或固定螺栓松動。此時應停車檢修，不能打開過濾器旁路，以防止樹脂進入上槽鹽水線，堵塞電解槽入口濾網(wǎng)。

[1] 趙紹益，張定明.離子膜電解槽打火、爆鳴、飛弧的處理及預防[J].氯堿工業(yè)，2004(8)：36-37.

Summaryofion-exchangemembraneelectrolysisoperation

CHENYuguo

(Chlor Alkali Factory of China Petroleum Chemical Co. Qilu Branch Company, Zibo 255411, China)

ion-exchange membrane; electrolysis; zero gap

The changes in performance of Asahi NCH ion-exchange membrane electrolyzers were compared. On the basis of operation data before and after zero gap remolding, the advantages and disadvantages of zero gap remolding electrolytic cells were analyzed. In view of the problems occurring in the operation of the electrolytic unit, corresponding countermeasures were put forward.

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陳玉國(1978—)，男，畢業(yè)于西安石油學院化學工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)于中國石油化工股份有限公司齊魯分公司氯堿廠任工藝組長。

2017-06-04

TQ114.262

B

1008-133X(2017)09-0014-06

[編輯：蔡春艷]