制氯电解槽阴阳极板打火问题研究

晏 玥

（中核集团三门核电有限公司，台州 317112）

为抑制贝类、藻类等海生物在海水冷却系统中生长繁殖造成的冷却回路堵塞，以海水作为最终热阱的核电厂会设置专门的电解海水制氯系统。该系统通过向海水中投加次氯酸钠来抑制海生物生长，从而保证电厂安全、稳定运行。

三门核电一期工程电解海水制氯系统电解槽在正常运行过程中多次出现电解槽阴阳极板间打火的情况，影响系统的运行安全。因此，需要定位问题原因，结合系统运行情况和设备实际情况，对系统设备进行优化。

1 电解槽介绍

1.1 电解槽整体介绍

三门核电一期工程采用青岛双瑞海洋环境工程有限公司供货的SC400A/1 型电解槽。电解槽盖为亚力克透明盖板，操作人员在设备运行过程中可以透过盖板直接观察槽内反应情况和结垢情况。电解槽壳体包括顶板、中间板及底板，采用极耐次氯酸钠腐蚀的PVC（聚氯乙烯）材料，进出水口采用法兰连接。电解槽内紧固件和结构件的材料为钛，外部紧固件材料为SS316。电解槽阴极和阳极的导电连接件为钛铜导电叉。导电叉在电解槽内部分为钛，在电解槽外部分为铜。

1.2 电解槽极板介绍

三门核电一期工程所使用的电解槽为单极板式电解槽，同极性电极与电源并联连接，海水经过多级电解槽单元后电解成高浓度次氯酸钠，如图1 所示。其中，实心模块为阳极板，空心模块为阴极板。

每个电解槽单元内有11 块阴极板和12 块阳极板。阴阳极板间隔放置，阳极板和阴极板间放置聚偏氟乙烯（PVDF）隔离钉，以保持阳极板和阴极板间有2.5mm 的间距。阴极板材料为哈氏合金C-276，耐腐蚀性强，吸氢电位较低，比钛阴极析氢电位低0.45V，因此耗电量更低，经济性能更好。阳极网板采用钛涂贵金属氧化物涂层的DSA 阳极，具有较低的析氯电位和较高的析氧电位[1]。低温下，DSA 阳极板耗损比常规阳极板损耗更小。阳极板的网状结构增加了海水的湍流，提高了电解效率。

2 电解槽工作原理

NaCl 在海水中以离子状态存在，通过电流后Na+、Cl-发生定向迁移直接产生NaClO[1]，具体反应为电化反应。

图1 电解槽极板连接方式

从以上反应式可知，电解海水所产生的有效化学反应产物是次氯酸钠和氢气。

3 阴阳极板间打火原因分析

三门核电一期工程共设计有4 套电解槽，每套电解槽包含22 个电解槽单元。自2018 年10 月至今，4 套电解槽共计出现7 次阴阳极板打火问题，其中多片阳极网板有较为明显的极板涂层损坏、极板击穿损毁现象，多片阴极板上有打火后的灼烧黑点。阴阳极板间打火主要是由于阴阳极板间短路造成极板短接点局部长时间发热，致使阳极板短接处烧毁，阴极板短接处被灼烧。根据系统设备上下游关系和电解槽结构，分析电解槽阴阳极板间短路问题。

3.1 电解槽结垢

海水中常见的阳离子有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、H+，常见的阴离子有Cl-、SO42-、HCO3-、OH-[2]。这些离子在通过电流时会发生电解反应，生成钙镁沉淀吸附在阴极板上。由于电解槽阴阳极板间间隔仅2.5mm，长时间未对电解槽进行酸洗时，电解槽阴极板上的钙镁沉淀物将堆积，使得阴阳极板间通过钙镁沉淀物单点连接。当电解槽阴阳极板通上电流时，结垢堆积处阴阳极板短路，结垢堆积处短时高温使得阳极板被熔断击穿，阴极板被灼烧。

3.2 异物进入电解槽

电解槽上游设置有预过滤器、旋力除砂器以及二级过滤器，以去除海水中的大颗粒杂质，保证电解槽的运行安全。离电解槽最近的二级过滤器过滤精度为0.5mm。运行过程中发现，有异物进入电解槽单元导致电解槽极板间打火。对异物来源进行排查发现，电解槽上游二级过滤器滤网损坏且过滤器滤网上螺栓断裂，断裂的螺栓和海水中杂质一同进入电解槽，使得第一个电解槽单元内发生阴阳极板短接，出现了阴阳极板间打火现象，致使阳极板熔断，阴极板局部被烧黑。阳极板熔渣会随着海水进入到下一个电解槽单元中，在后续电解槽单元中引入异物，使得下游电解槽单元极板间短路出现打火现象。

3.3 电极板变形

发现电解槽阴阳极板打火后，技术人员对电解槽阴阳极板进行拆解发现，临近次氯酸钠出口端的电解槽单元阴阳极板变形，特别是阳极网板变形较为严重。究其原因，主要在于在电解槽设计上，仅入口电解槽单元设置有流量分流器对进入电解槽的海水进行分流，而在后续串联的电解槽单元中没有设置流量分流器。入口电解槽单元电解产生氢气，进入下游的电解槽单元为水气混合物，因此下游电解槽单元的海水湍流严重。特别是临近次氯酸钠出口端的电解槽单元，海水湍流更加严重。水气混合物进入电解槽单元时，由于没有流量分流器的引流，阴阳极板中间的冲击力最大，两端的冲击力最小，造成电解槽长时间运行后阴阳极板变形，最终导致阴阳极板短接，在电解槽正常运行时出现阴阳极板打火情况。

4 优化方案

针对分析的电解槽阴阳极板间短路打火原因，对工程现场的电解槽运行方式和电解槽单元做出优化，以解决电解槽阴阳极板打火短路问题。

4.1 电解槽单元增加隔离钉和流量分流器

每个电解槽单元阴阳极板间增加2.5mm 的PVDF 隔离钉，增加数量为原设计隔离钉数量的50%，同时在每个电解槽单元进口处增加流量分流器。电解槽运行一年，未发现阴阳极板打火的情况。从电解槽外观来看，未发现阴阳极板变形的情况。电解槽单元新增了隔离钉和流量分流器，电解槽入口流量和压力变化不大，说明电解槽单元增加隔离钉和流量分流器可以解决由于极板变形导致的阴阳极板打火问题，且不对系统流量和压力等参数产生影响。

4.2 上游过滤器定期检查

为解决由于设备故障导致的电解槽极板间打火问题，有必要定期检查电解槽上游过滤器，特别是对离电解槽最近的上游过滤器的检查，因为这是进入电解槽前的最后一道屏障。上游过滤器正常运行，可以减少进入电解槽的海水杂质和设备自身故障带入的设备杂质。

4.3 缩短电解槽的酸洗周期

电解槽设计要求每隔30 天进行一次酸洗。根据现场实际情况，电解槽连续运行20 天后，电解槽的阴极板结垢较为严重。电解槽阴阳极板间的电压增大，电耗增多，还存在阴阳极板间的短路风险。因此，对电解槽的酸洗周期进行调整，由原设计的30 天缩短为20 天。若运行不满20 天时电解槽结垢已经较为严重，可提前对电解槽进行酸洗。电解槽酸洗周期缩短可以有效降低电耗，并消除由于电解槽结垢导致的阴阳极板短路的情况。

5 结语

本文分析三门核电一期工程电解制氯系统中电解槽阴阳极板频繁打火发生的原因，并针对发现的问题，结合系统运行情况和设备实际情况对系统设备进行了有效优化。