反向壓差危害及防止措施的分析和探討零極距電解槽運(yùn)行問(wèn)題專題二

唐必勇

（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

零極距電解槽現(xiàn)在已經(jīng)成為行業(yè)首選的電解槽，很多廠家也將普通的自然循環(huán)電解槽（NCS、NCH）改造成了零極距（或稱膜極距）電槽，均取得了不錯(cuò)的節(jié)電效果。但是，零極距電槽的運(yùn)行與普通有極距電解槽究竟有何區(qū)別，應(yīng)該特別注意哪些事項(xiàng)，一直是行業(yè)內(nèi)關(guān)心的問(wèn)題。特別是在零極距電解槽裝置中的工藝設(shè)計(jì)也出現(xiàn)了一些變化。因此，有必要對(duì)零極距電解槽的特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真分析研究，找出零極距電槽與普通有極距電解槽的運(yùn)行區(qū)別，并加以認(rèn)真分析。

零極距電槽的運(yùn)行與普通有極距電解槽的區(qū)別核心就是防止反向電流和反向壓差的產(chǎn)生。本文重點(diǎn)對(duì)反向壓差危害及防止措施進(jìn)行分析和探討。

1 反向壓差的產(chǎn)生

眾所周知，離子膜電解槽（無(wú)論是什么型號(hào)、什么工藝）運(yùn)行時(shí)都是陰極室壓力大于陽(yáng)極室壓力，其目的是讓離子膜緊貼著陽(yáng)極。其主要原因（1）因?yàn)镹aCl 鹽水的電阻比NaOH 溶液大，且陽(yáng)極液中Cl2的溶解度大，逸出速度慢，而陰極液中H2溶解度小，逸出速度快，所以陽(yáng)極液的電阻大于陰極液，因此，讓離子膜緊貼著陽(yáng)極可有效地降低溶液電阻，降低槽電壓；（2）因?yàn)槌銟O距電槽外，其他電槽的陰極，為增加其比表面積，都采用凹凸不平的粗糙面，所以讓離子膜緊貼著陽(yáng)極，防止陰極對(duì)膜的損傷；（3）因膜本身的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），其陰極側(cè)是全氟羧酸層，是憎水性的，電阻大，一般認(rèn)為只要大于200 μm 就能保證電流效率，所以很薄，如果緊貼電極，容易造成磨損。而其陽(yáng)極側(cè)是全氟磺酸層，因是親水性的，電阻小，較厚，且膜加強(qiáng)用的全氟芯材也在磺酸層內(nèi)，機(jī)械強(qiáng)度大，所以讓離子膜緊貼著陽(yáng)極，可以延長(zhǎng)膜的使用壽命；（4）因?yàn)殛帢O室壓力大于陽(yáng)極室壓力，可以減少Cl-的向陰極室擴(kuò)散，保證堿中含鹽。

因此，為了讓離子膜緊貼著陽(yáng)極，電槽必須控制陰極室壓力大于陽(yáng)極室壓力。對(duì)于最早的強(qiáng)制循環(huán)電解槽，由于電槽流量很大，陰陽(yáng)極室的壓力取決于液相壓力，所以主要通過(guò)對(duì)陰陽(yáng)極流量的控制來(lái)保證陰陽(yáng)極室的壓差，Cl2和H2壓力只作為輔助調(diào)節(jié)。而現(xiàn)在絕大多數(shù)電解槽，都是自然循環(huán)，因電槽流量?。ㄍǔ！?00 L/h.單元），所以陰陽(yáng)極室的壓力取決于氣相壓力，主要通過(guò)Cl2和H2壓力的控制來(lái)保證陰陽(yáng)極室的壓差。

電解槽的壓差是其運(yùn)行的最重要的指標(biāo)之一，其控制方法一般是Cl2壓力采用自動(dòng)調(diào)節(jié)，H2壓力按照給定的壓差值，與Cl2壓力串級(jí)調(diào)節(jié)。并設(shè)有壓差高高和低低聯(lián)鎖?？此坪?jiǎn)單的控制，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)有很多問(wèn)題。一是電槽負(fù)荷變化太快，不好控制；二是Cl2和H2調(diào)節(jié)閥的PID 參數(shù)設(shè)定不當(dāng)時(shí)，不好控制；三是Cl2或H2處理系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)會(huì)有影響，不好控制；四是1臺(tái)或幾臺(tái)電槽因事故停車，造成同一系統(tǒng)其他電槽壓差波動(dòng)大，不好控制；五是開(kāi)停車時(shí)波動(dòng)大，不好控制等。

當(dāng)壓差波動(dòng)過(guò)大，出現(xiàn)陽(yáng)極室壓力大于陰極室壓力時(shí)，就叫反向壓差。一般電槽壓差達(dá)到-1 kPa時(shí)（即1 kPa 反向壓差），電槽就會(huì)聯(lián)鎖停車。所以，正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)反向壓差的幾率很少。一般出現(xiàn)反向壓差幾率較大的都是開(kāi)停車或負(fù)荷大幅度調(diào)整時(shí)。在開(kāi)車或負(fù)荷大幅度調(diào)整時(shí)，如果能夠認(rèn)真操作，并和Cl2、H2處理系統(tǒng)配合好，一般也是可以避免反向壓差的出現(xiàn)的。但是，在停車時(shí)，特別是事故停車時(shí)，由于電槽已經(jīng)停止了產(chǎn)生Cl2和H2，但陽(yáng)極液中Cl2的溶解度大，逸出速度慢，而陰極液中H2溶解度小，逸出速度快，就會(huì)出現(xiàn)陽(yáng)極室壓力大，陰極室壓力小，出現(xiàn)反向壓差，并且不好控制。

2 反向壓差的危害

前面已經(jīng)對(duì)電槽運(yùn)行采用正壓差控制的原因進(jìn)行了闡述，如果出現(xiàn)反向壓差，其危害似乎已經(jīng)顯而易見(jiàn)。對(duì)于普通的電解槽，因?yàn)槠潢帢O表面粗糙，如果出現(xiàn)反向壓差，其主要的危害就是膜出現(xiàn)針孔。有時(shí)一次事故停車出現(xiàn)反壓差，再次開(kāi)車做膜試漏時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多膜有針孔，需要補(bǔ)膜、換膜，耽誤開(kāi)車時(shí)間，還會(huì)影響開(kāi)車后的電流效率。如果多次出現(xiàn)，就會(huì)影響膜壽命。

但是對(duì)于零極距電解槽，其危害就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是上述這么簡(jiǎn)單。從零極距電解槽的結(jié)構(gòu)分析，因?yàn)樵谄潢帢O安裝了彈性體，任何彈性物體都有其彈性限度，如果其變形超過(guò)其彈性限度，就會(huì)失去彈性，不能再回復(fù)原狀。零極距電解槽因?yàn)槠潢帢O彈性體的作用，其陰極高出密封面較多（n、mm），其陽(yáng)極高出密封面約1.0～2.0 mm，陽(yáng)極墊片壓縮后約1.5 mm，所以電槽安裝運(yùn)行后，由于陽(yáng)極的擠壓，使其高度變?yōu)殛帢O墊片壓縮后的厚度（約2.5 mm），已經(jīng)被壓縮了很多（見(jiàn)圖2），但仍在彈性限度內(nèi)，仍能恢復(fù)原狀。

圖2 陰極彈性體壓縮前后示意圖

可是，如果出現(xiàn)反向壓差，相當(dāng)于在原有擠壓力的基礎(chǔ)上又增加了反向壓力，其彈性體變形會(huì)更大，極易造成其超過(guò)彈性限度的變形，這樣，再開(kāi)車時(shí)，就從零極距變成了有極距電解槽了，或者還會(huì)出現(xiàn)局部超過(guò)彈性限度的變形，造成極距不均勻，再開(kāi)車時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流不均勻，特別是停車不能循環(huán)時(shí)，電解槽上部是氣相空間，變形會(huì)更嚴(yán)重?？偟慕Y(jié)果都是槽電壓升高，電耗上升。

雖然壓差很小，但電極面積很大，壓強(qiáng)乘以面積才是受力。另外使用一段時(shí)間后的彈性體和新的也不一樣。當(dāng)然，從實(shí)際運(yùn)行看，新電槽偶爾出現(xiàn)小于5 kPa 的反壓差，一般不會(huì)有大問(wèn)題，但如果頻繁出現(xiàn)，就有可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。所以，要盡可能不出現(xiàn)反壓差。

3 防止反向壓差的措施

為了防止反向壓差的產(chǎn)生，在工藝設(shè)計(jì)和操作上均采取了許多的措施，但仍有許多裝置在事故停車時(shí)出現(xiàn)了反向壓差問(wèn)題。所以，專利商現(xiàn)在仍然在對(duì)其設(shè)計(jì)或操作手冊(cè)進(jìn)行修改。而作為使用單位，我們則需要對(duì)各種防止反向壓差措施的原理充分理解，有些不一定好實(shí)現(xiàn)的措施和設(shè)計(jì)，可以做必要的變通，只要結(jié)果相同，避免產(chǎn)生反壓差，方法可以多樣。如果一知半解，盲目進(jìn)行工藝上的變更，不僅投資成本增加，而且遇到特殊情況，就不能及時(shí)采取相應(yīng)措施，將損失降到最低。

3.1 陰極液循環(huán)罐N2的加入

解決反向壓差，最容易想到的方案就是陰極系統(tǒng)及時(shí)通入N2，所以，隨著零極距電解槽的應(yīng)用，在新的離子膜工藝設(shè)計(jì)中，陰極液循環(huán)罐上增加了N2自動(dòng)加入管線，即大家熟悉的ZV-279閥，可在系統(tǒng)停車時(shí)自動(dòng)打開(kāi)充入N2。但由于N2壓力較高，一般都在6 kg/cm2，所以，必須控制流量，防止壓力過(guò)大，出現(xiàn)大的正壓差，使陽(yáng)極變形。但最早的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，只是加裝了N2流量計(jì)，并用限流孔板限制流量。因此出現(xiàn)了如下問(wèn)題：一是流量不可調(diào)節(jié)；二是ZV-279閥如果發(fā)生內(nèi)漏，正常運(yùn)行時(shí)會(huì)影響H2純度，有時(shí)被迫要關(guān)閉N2手動(dòng)閥門(mén)，導(dǎo)致ZV-279閥不在線，停車時(shí)起不到作用。因此在后來(lái)的設(shè)計(jì)中，不僅增加了可調(diào)節(jié)的FIC-279，而且，對(duì)ZV-279系統(tǒng)也進(jìn)行了相應(yīng)的改變。這樣不僅防止了內(nèi)漏的問(wèn)題，而且可調(diào)節(jié)，特別在開(kāi)車階段十分有用。因此，如果是老的設(shè)計(jì)，建議進(jìn)行改進(jìn)。改造前后充氮流程圖分別見(jiàn)圖3（a）和圖3（b）。

3.2 系統(tǒng)降壓操作

解決反向壓差，可以降低系統(tǒng)操作壓力。處于對(duì)安全的考慮，一般H2處理系統(tǒng)的操作壓力都是微正壓操作，所以，如果H2壓縮機(jī)設(shè)計(jì)有較好的回流控制，一般電解槽系統(tǒng)H2不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，所以，如果電解槽控制氯氣壓力為常壓，那么停車時(shí)基本不會(huì)出現(xiàn)反壓差。并且電解槽控制氯氣壓力越低，越不容易出現(xiàn)反壓差。但降低系統(tǒng)操作壓力，同樣也有一些問(wèn)題。

（1）影響槽電壓，使電耗上升，這是因?yàn)椴僮鲏毫υ礁?，電解槽?nèi)部的氣泡越小，所以電阻越小，電壓越低。一般電壓和操作壓力有如下關(guān)系：

E1=E0－K×（P1－P0）；

E0—基準(zhǔn)壓力P0時(shí)電壓（V）；

E1—操作壓力P1時(shí)電壓（V）；

K—壓力P1修正系數(shù)（V/kPa），一般專利商會(huì)給出該系數(shù)；

P1—操作壓力（kPa）；

P0—基準(zhǔn)壓力（kPa）；一般為20 kPa。

（2）由于降低系統(tǒng)操作壓力，Cl2和H2的體積增大，輸送的管道阻力增大，需要最大管道直徑，投資增大，并且如果電解槽離氯氫處理距離較遠(yuǎn)，不好實(shí)現(xiàn)。特別是老裝置改造，要進(jìn)行核算。而更主要的是Cl2和H2的調(diào)節(jié)閥要增大，特別是單套裝置能力較大時(shí)，調(diào)節(jié)閥一般為蝶閥，其可調(diào)節(jié)范圍較小，一般在20%～55%調(diào)節(jié)性能較好，不在這個(gè)范圍，其調(diào)節(jié)性能很差，極易出現(xiàn)壓差波動(dòng)，造成系統(tǒng)聯(lián)鎖停車?，F(xiàn)在旭化成提供了一種閥，叫偏心旋轉(zhuǎn)閥，用于H2調(diào)節(jié)，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于蝶閥。

圖3 改造前充氮流程圖

3.3 增設(shè)陽(yáng)極液溢流管線

現(xiàn)在所有新上裝置或零極距改造的裝置，都被要求增設(shè)陽(yáng)極液溢流管線。這是為了解決一種在極其特殊的情況下，出現(xiàn)反壓差的問(wèn)題。主要是陽(yáng)極液循環(huán)泵不能啟動(dòng)時(shí)，或陽(yáng)極液循環(huán)罐液位計(jì)故障，不能正確顯示液位時(shí)（由于陽(yáng)極液的強(qiáng)腐蝕性，易出現(xiàn)液位計(jì)故障），會(huì)造成陽(yáng)極液循環(huán)罐被充滿，使淡鹽水上升到氯氣總管，從而堵塞氯氣流通，造成反壓差。

但是，增設(shè)陽(yáng)極液溢流管線對(duì)于新裝置似乎沒(méi)有任何問(wèn)題，只是配管復(fù)雜一點(diǎn)。因?yàn)樾略O(shè)計(jì)中，氯氣主管都不經(jīng)過(guò)陽(yáng)極液循環(huán)罐，其高度都較高，足夠比溢流管線的U 形液封要高。但如果是老裝置改造，就需要計(jì)算其氯氣總管的高度是否符合見(jiàn)圖4。溢流管線的U 形液封的高度與電解槽的操作壓力有關(guān)，主要是保證在正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)有陽(yáng)極液溢流到陽(yáng)極液排液槽。其液封高度計(jì)算如下：

圖4 新增氯氣和氫氣切換示意圖

n=（p+200）/1.1；n—液封高度mm；P—系統(tǒng)氯氣操作壓力mm H2O。

如果氯氣總管的高度不能滿足要求，并不是就一定不能解決這一問(wèn)題。比如，可以不設(shè)液封，改用兩位式切斷閥，與陽(yáng)極液循環(huán)罐液位高高聯(lián)鎖。再增加液位計(jì)或液位開(kāi)關(guān)來(lái)減少液位計(jì)故障的幾率，等等。只要理解了其原理和作用，是完全可以變通的。

3.4 新增的氯氣和氫氣切換閥

有些裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，在氯氣和氫氣調(diào)節(jié)閥（PIC-216和PIC-226）后，又加裝了氯氣到除害塔和氫氣到排空的自動(dòng)切換閥。使得在系統(tǒng)緊急停車時(shí)能及時(shí)的將氯氣切換到除害塔，氫氣及時(shí)切換到排空。見(jiàn)圖4。并且，在停車連鎖時(shí)，限制氫氣閥位的開(kāi)度，來(lái)減少反壓差的產(chǎn)生。理論上，能降低H2的釋放速度，確實(shí)是一個(gè)有效的措施。但其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：首先，由于該切換系統(tǒng)在氯氣和氫氣調(diào)節(jié)閥（PIC-216和PIC-226）后，壓力較低，其閥門(mén)尺寸較大，而閥門(mén)的價(jià)格十分昂貴，特別是氯氣閥，材質(zhì)必須是PDF 的；其次，不同負(fù)荷下的緊急停車，其氫氣的流量是不同的，通過(guò)固定一個(gè)H2閥位的開(kāi)度，顯然是不能夠保證不出現(xiàn)反壓差的；另外，調(diào)節(jié)閥在正常運(yùn)行時(shí)能否保證不內(nèi)漏，也是一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)樵械牟僮髁?xí)慣與通過(guò)氯氣和氫氣調(diào)節(jié)閥（PIC-216和PIC-226）進(jìn)行控制，現(xiàn)在又增加了新的控制閥（PIC-218和PIC-228），增加了停車操作的難度。

4 熟練的操作

上述都是從工藝本身考慮的防止反壓差的措施，但由于裝置運(yùn)行時(shí)，條件是不斷變化的。比如，運(yùn)行負(fù)荷的變化，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的掉閘停車，系統(tǒng)壓力變化不一樣。氯氫處理系統(tǒng)的故障與電解槽系統(tǒng)故障停車不一樣。所以，熟練的操作，仍然是防止反壓差的最有效手段。由于充N2系統(tǒng)FIC-279的增加，停車時(shí)增加了一個(gè)操作，可能除了操作氯氫調(diào)節(jié)閥外，還要操作N2調(diào)節(jié)閥，難度更大了，所以操作經(jīng)驗(yàn)極為重要。只有平時(shí)多積累，比如不同條件下的閥位開(kāi)度，N2的充入流量等，才能在緊急停車時(shí)，能夠及時(shí)操作處理，杜絕反壓差的產(chǎn)生。保證零極距電槽的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

總之。反向壓差會(huì)對(duì)零極距電解槽造成極大的危害，雖然增加了許多的防止措施，但關(guān)鍵是深入理解其原理，對(duì)每一項(xiàng)措施要知道為什么采取這一措施，在遇到突發(fā)異常情況使才能及時(shí)應(yīng)變，減少對(duì)零極距電槽的損害。