离子膜电解槽的最佳换膜时机

王 宏

（河北盛华化工有限公司，河北 张家口 075000）

离子膜电解槽的最佳换膜时机

王 宏

（河北盛华化工有限公司，河北 张家口 075000）

介绍了离子膜电解装置中离子膜的经济使用寿命，分析计算了更换离子膜的最佳时机。合理确定离子膜换膜时间，有利于离子膜制碱能源利用效率的提高，降低生产成本。

离子膜电槽；经济寿命；分析计算

1 离子膜经济寿命

决定离子交换膜的使用寿命主要有2个方面，一是离子膜是否遭到机械损害；二是离子膜的技术经济性能。离子膜的技术经济性能主要指电流效率和膜电压。随着使用时间的延长，电流效率逐步变低，膜电压也出现一定的增长，当二者变化到一定程度时，离子膜再继续使用，吨碱电耗将过高，此时，应该更换离子膜。

目前，国内一些氯碱企业以膜的电效低于93%为换膜的标准，有一定的根据，但从经济角度来讲，并不十分准确。电价高的企业可能需要在电效为93%(甚至高于93%)时进行更换，但电价较低的企业在电效为93%时，可能还不需要更换。这就要求对离子膜的经济使用寿命进行较为准确的测算。

由于新膜和旧膜的工艺控制 (如加酸量和进口酸度等)有差异，同时，为了减少停车次数，氯碱企业离子膜的更换一般都是整台更换。因此，确定离子膜的经济使用寿命需综合考虑吨碱的离子膜费用、离子膜的技术进步因素、槽密封垫费用、换膜的人工成本、操作电流密度、电耗、电价等因素，根据效益最大化原则，测算出最佳的换膜周期。

离子膜费用、密封垫费用、人工成本等计为换膜费用，该费用随着离子膜使用周期的延长摊入吨碱费用逐步降低；但电耗费用随着离子膜使用周期延长摊入吨碱的平均费用逐步上升。吨碱换膜费用下降、电费上升和最佳换膜周期的关系见图1。

2 离子膜经济寿命分析

近年来，离子膜生产技术的进步较为明显，国产离子膜已进入工业化试验阶段，而进口离子膜的价格也大幅下降，特别是日本旭硝子的离子膜价格下降较快，这有利于中国离子膜烧碱的生产以及生产成本的下降，有利于提高离子膜电槽的经济运行水平和降低生产成本，提高能源的综合利用效率。

河北盛华化工有限公司加大安全投入项目，6万t/a离子膜烧碱装置于2009年3月投入运行，电解槽已经运行3年，折电流密度为5 kA/m2时，交流电耗由开车初期2 098 kW·h/t上升至目前的2 428 kW·h/t（2012年2月电耗值）（初期3个月为试车期，合计运行3年），现通过测算，确定离子膜电解槽最佳的换膜时机，以确保企业效益的最大化。

以该离子膜烧碱装置A槽为例，分析离子膜经济寿命变化情况。该电解槽为伍迪公司生产的高电流密度自然循环复极式电解槽，年生产能力为2万t，单元槽个数为128个/台。

2009年3月开车并投入使用，2009年6月生产基本正常，到2012年2月为止膜已使用3年，膜的电流效率为93.03%。

2.1 换膜费用及人工成本

（1）换膜费用。每个单元槽换膜备件及膜成本以10 000元计（考虑大部分备件重复使用），则128台单元槽总费用为128万元。

（2）人工成本。检修时间18天，其中拆槽8天，平均每天13人，装槽10天，平均每天22人，共计324人/天，每人每天工资以100元计，合计32400元。（3）其他管理费用5 000元。以上各项合计131.74万元。

2.2 吨碱电耗和电费

当地电价按0.5元/kW·h计。从2009年6月至2010年5月，运行时间1年，初期电解电费 （取2009年 5 月和 6 月平均值）为（1 049.20+1 023.95）/2＝1 086.58（元），增加至1 170.95元，吨碱年增加电费1 170.95-1 086.58=84.37（元），单槽年产 2 万t离子膜碱，年增加电费为：84.37×2＝168.74（万元）。

从2010年5月至2011年5月，运行时间1年，电解电费从1 170.95元增加至1 203.30元，吨碱年增加电费 1 203.30-1 170.95＝32.35（元），单槽年产2 万t离子膜碱，年增加电费为：32.35×2＝64.7（万元）。

按2009年6月至2011年5月运行2年的平均值计算，年平均单台电槽增加的用电成本为（168.74+64.7）/2=116.72（万元）。

2.3 下一轮换膜时间的估算

延长离子膜的使用时间，虽然会使换膜成本降低，但吨碱电耗却增加。当年电费增加总值正好等于当年换膜成本下降总值时，就应该进行下一轮的离子膜更换。

如前述，离子膜更换的总费用为131.74万元。

假设每年电耗上升速度相等，取两年的平均电耗增加值为电耗年平均上升速度，单台槽每年烧碱产量2万t，最佳更换年限为X，则：

第X年吨碱交流电耗费用比X-1年上升，仍然为58.36元/t，单台电槽（每台2万t）电耗上升降总费用为 58.36×2＝116.72（万元）；

第X年换膜成本比X-1年下降总值为：131.74/（X-1）-131.74／X，当电耗上升费用和换膜成本下降相等时，即：131.74/（X-1）-131.74/X=116.72

得出：X=1.67（年）即该公司6万t/a离子膜装置A槽于2009年6月正常投入生产，下一轮换膜应在2011年3月前后进行。

实际上换膜时间还应考虑以下几个方面。

（1）需要根据企业的氯气平衡情况做适当的调整，考虑在氯气有余的时候更换。

（2）需要根据产品的效益情况做适当的调整，考虑在产品效益较差的时候更换。

（3）需要根据离子膜技术技术进步情况做适当的调整，如推出了电压更低的或是更经济的离子膜，则换膜时间应适当提前。

（4）需要根据电流密度情况做适当的调整，如运行电流密度低时，可适当推迟，否则相反。

3 结论

由于离子膜制造技术的进步及离子膜售价的大幅降低，使得离子膜电解槽更换离子膜的周期变短，从而降低了离子膜碱的综合能耗，使得能源成本在离子膜烧中所占的比重将逐步降低，有利于全行业的技术进步。

离子膜烧碱生产企业在离子膜制造技术进步及离子膜售价的大幅降低的情况下，要不断提高离子膜电槽的管理水平，加强工艺技术的控制，延长膜的使用寿命，增加企业的经济效益。

总之，要综合考虑，确定最佳的换膜时间。

Best timing for replacement of membrane of ion-exchange membrane electrolyzer

WANG Hong
(Hebei Shenghua Chemical Industry Co.,Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)

Introduced the economic life of the ion-exchange membrane in manufacture of ion-exchange membrane alkaline.Analyzed and calculated the best time to be replaced ion-exchange membrane in our company.The drop in market price of ion-exchange membrane causes changing ion-exchange membrane time ahead of time,improves energy utilization efficiency in manufacture of ion-exchange membrane caustic soda and reduces the production costs.

ion-exchange membrane electrolyzer;economic life；analysis and calculation

TQ114.26

B

1009－1785(2012)10-0005-02

王宏（1968年—），男，高级工程师，1993年毕业于河北工学院（现河北工业大学）化学工程系，现于河北盛华化工有限公司从事能源管理工作。

2012-05-17