离子膜电解运行总结

陈玉国

(中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂，山东 淄博 255411)

离子膜电解运行总结

陈玉国*

(中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂，山东 淄博 255411)

离子膜；电解槽；膜极距

对比旭化成NCH离子膜电解槽性能变化情况。根据膜极距改造前后运行数据，分析了电解槽膜极距改造的利弊。针对电解装置运行中出现的问题，提出相应解决措施。

1 装置概况

某公司离子膜法烧碱装置于2004年10月建成投产，设计生产力能力为20万t/a。二次盐水、电解及淡盐水脱氯工序引进日本旭化成公司的工艺技术，采用旭化成自然循环复极式ML-32NCH电解槽，共10台电解槽，每台166个单元槽，正、负半区各83个单元槽，分别用油压系统压紧。复极元件面积为2.7 m2，设计寿命为6年。A槽采用杜邦N982膜；B～J槽采用旭化成F4401膜。

2 工艺流程

精制盐水及阴极液均通过高位槽进入电解槽，以保持流量、压力稳定。阴极液循环量每单元槽0.3 m3/h，通过手阀调节电解槽入口流量为50 m3/h；阳极液循环量由调节阀通过电流负荷串极控制，最低流量为13.3 m3/h。

阴极高位槽至电解槽碱总管设置高纯水管线，根据分析调节加水量，控制出电解槽阴极液总质量分数在31.5%～32%，不能对单台电解槽阴极液浓度单独进行调整。

精制盐水进入高位槽之前加高纯盐酸调节pH值在4.5～5.0之间，每台电解槽阳极入口管设有加酸线，根据单槽氯气纯度、游离氯等分析结果，调节单槽加酸量，以保持阳极效率；同时，部分淡盐水回流至高位槽出口管线，以避免上槽盐水钛管线被腐蚀。

3 运行情况

设计电解槽运行参数如下。

电流密度 4.2 kA/m2；

最高电流密度 4.63 kA/m2；

极网面积 2.7 m2；

阴极液质量分数 32%；

阴极效率 96%；

单元槽电压 2.95 V(F4401膜)，

2.99 V(N982膜)；

直流电耗 2 100 kW·h/t。

开车约1个月后，电解槽运行电流在11.3 kA时的实际性能考核结果如表1所示。

表1 开车约1个月后实际性能考核结果Table 1 Actual performance test resultsafter about one-month operation

从表1可以看出：实际运行电流11.3 kA时，杜邦N982膜平均单元槽电压约3.04 V，旭化成F4401膜平均单元槽电压约3.01 V，阴极效率为95.1%，直流电耗为2 123 kW·h/t。

离子膜设计使用寿命为3年，2007年开始第1次换膜，至2008年10台电解槽全部更换为新膜。通过运行数据对比，可以看出N982膜比F4401膜效率更高，性能更稳定，同时电压也较高，因此第1次换膜分别采用杜邦N982及旭化成新型离子膜—F6801膜。

表2 NCH槽初次换膜时间Table 2 First membrane-changing time of NCH cell

表3 NCH槽电压变化情况Table 3 Change of NCH cell voltage

图2 C，D 2个NCH槽电压变化趋势Fig.2 Voltage change trend of NCH cell C and D

图3 E，F 2个NCH槽电压变化趋势Fig.3 Voltage change trend of NCH cell E and F

图4 G，H 2个NCH槽电压变化趋势Fig.4 Voltage change trend of NCH cell G and H

图5 I，J 2个NCH槽电压变化趋势Fig.5 Voltage change trend of NCH cell I and J

4 膜极距改造

从表3及图1-5可以看出：经过2个膜周期，即极网运行6年多以后，性能显著下降，阴极效率下降，单槽加酸量大幅提高；第2次换膜后槽电压升高速率更快。为降低能耗、物耗，2011年开始将10台电解槽逐台改为膜极距电解槽，更换阳极网，阴极侧增加弹性网及面网，原阴极网保留，每台电解槽改造时间约4周。

具体改造时间见表4。

表4 NCH电解槽改NCZ时间Table 4 Time of remolding NCH cells into NCZ cells

根据运行数据对比，2010年12月首先对B槽进行了膜极距改造，采用旭化成工艺技术。为确保达到改造预期效果，旭化成提出了如下具体要求。

(1) 增设极化整流器，停车断电后投用15 min，电流150 A。

(2) 事故电机扩容，将主流程及辅助流程机泵均接入事故电源。

(3) 增加阴、阳极液缓冲罐至排放槽溢流线。

(4) 阴极液入口增加调节阀，停车置换时，将阴极液循环量降至17 m3/h。

(5) 调整阳极液流量调节阀，投用极化电流时，设定流量42 m3/h，15 min后降为28 m3/h。

第一次换膜前后的电压对比如表5所示。

表5 NCZ槽第一次换膜电压对比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个月；2. G槽使用45个月。

从表5可以看出：改为膜极距后，在12.5 kA运行时电压平均下降约45 V；若不考虑C，H槽中间换网因素，则电压平均下降约49 V。

表6 总电耗、效率变化情况Table 6 Change of total electricity consumptionand current efficiency

单台电解槽碱产量不能计量，且运行过程中负荷调整频繁、单槽电流差别大、改造间隔时间较长，因此改为膜极距后，单槽效率无法准确计算。

图6 总电耗变化情况示意图Fig.6 Diagram of change oftotal electricity consumption

图7 电流效率变化情况示意图Fig.7 Diagram of change of current efficiency

从表6及图6和图7可以看出：随着电解槽逐台改为膜极距，直流电耗下降显著，但阴极效率并没有明显提高。影响阴极效率的因素较多，在运行过程中发现盐水品质的影响相对较为明显，具体情况可参阅相关资料。

5 异常情况及处理措施

(1) 开车初期，电解槽停车检修后，槽电压均不同程度升高；开车约2周内逐渐下降；约1个月后稳定下来，比检修前最多升高5 V以上，平均升高3 V左右。分析后发现：由于停车时置换30 min，时间偏短，阳极室游离氯置换不彻底。通过分析阳极出口的游离氯，最终将置换时间调整为1 h；检修完开车后，电压下降2 V左右；而后逐渐升高至停车前电压。与外商交流后，分析原因是阴极网上附着的铁，及膜内金属离子氢氧化物沉淀被置换掉，离子膜透过性提高。2008年3月进行了短停检修。12.5 kA电流负荷下，检修前后电压对比如表7所示。

表7 检修前后电压变化Table 7 Cell voltage changebefore and after maintenance V

图8 检修前后A，B槽电压变化情况Fig.8 Voltage change of cell A and cell Bbefore and after maintenance

图9 检修前后C，D槽电压变化情况Fig.9 Voltage change of cell C and cell Dbefore and after maintenance

图10 检修前后E，F槽电压变化情况Fig.10 Voltage change of cell E and cell Fbefore and after maintenance

图11 检修前后G，H槽电压变化情况Fig.11 Voltage change of cell G and cell Hbefore and after maintenance

图12 检修前后I，J槽电压变化情况Fig.12 Voltage change of cell I and cell Jbefore and after maintenance

(2) 2009年8月每逢阴雨天时，各槽电压均出现不同程度升高；天气好转时，电压恢复正常。经分析检查发现：电解槽正常运行时，阴阳极侧保持4 kPa压差；当雨天气温明显下降时，由于氢气总管未保温，氢气侧压力下降，压力表膜片凝结水珠，导致测量误差，不能及时调节，使电解槽阴阳极侧压差大幅下降，引起槽电压显著升高。

针对分析出的原因，首先对氢气管线保温；利用停车机会，在氯、氢气相总管压力表与根阀之间增加135°弯头，以避免膜片表面聚集水珠。通过采取以上措施，消除了天气变化对电解槽运行的影响。

(3) 异常情况电解槽紧急停车时，降流速度不宜过快。现场曾观察到，当以20 A/s速度降电流时，阳极出口软管出现断流。

(5) 阳极出口软管螺母裂纹泄漏较多时也可能导致着火，降流时应密切注意，必要时连锁停单槽。

(6) 电解槽大修后必须充水排出空气，阴极液中含氢气，可能导致爆炸。

(7) 元件改为膜极距及每次换膜时，必须检查阴极网毛刺，同时检查阳极网焊点有无明显突起；若有突起，可用圆锉轻锉，并用手锤轻轻敲击，使表面保持光滑。

(8) 当单槽入口加的酸浓度较高时，若流量突然增大，由于氯化钠溶解度降低，可能使盐水析出的结晶堵塞阳极入口集管滤网，导致进槽盐水流量不足而连锁停车。

(9) 正常生产过程中应关注树脂过滤器出入口压差。当压差明显增大时，打开过滤器入口倒淋，检查盐水中有无夹带树脂，如果树脂量很少且明显破碎，可将过滤器切至旁路，清洗滤芯。若盐水中树脂较多，同时上槽盐水总量逐渐下降，可能是树脂塔纱纶网破损，或固定螺栓松动。此时应停车检修，不能打开过滤器旁路，以防止树脂进入上槽盐水线，堵塞电解槽入口滤网。

[1] 赵绍益，张定明.离子膜电解槽打火、爆鸣、飞弧的处理及预防[J].氯碱工业，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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陈玉国(1978—)，男，毕业于西安石油学院化学工程与工艺专业，现于中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂任工艺组长。

2017-06-04

TQ114.262

B

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

[编辑：蔡春艳]