離子膜電解槽故障分析

劉存玉

（淄博職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255013）

1 電解槽故障概述

某公司30 000 t/a 離子膜燒堿生產(chǎn)裝置采用原英國帝國化學(xué)公司生產(chǎn)的FM21-SP 型單極電解槽，共有36臺。在運行總電流74 300 A 時，正常單槽電壓為3.20～3.30 V。該裝置投產(chǎn)后幾年內(nèi)，總體運行比較正常，但也因發(fā)生過幾次大的故障而停車檢修。其中較為嚴重的一次出現(xiàn)在投產(chǎn)約2年后。當(dāng)時發(fā)現(xiàn)5# 槽出槽淡鹽水pH 值最高達11.5，隨后多次測量仍保持在5.0～6.0，明顯高于正常值。氯氣純度不足90%，其中，氧/氯比高達0.108。出槽淡鹽水中次氯酸鈉含量則在4.4 kg/m3左右，也嚴重超標(biāo),于是停車檢修。

2 檢查

按照標(biāo)準(zhǔn)檢查程序。用窺鏡對5#電解槽檢漏，發(fā)現(xiàn)有3個位置出現(xiàn)漏點。然后拆解電解槽，對其內(nèi)部進行檢查。

（1）第八、第十二片陽極板兩側(cè)的4張離子膜的中部偏上部位出現(xiàn)一些大小不一的鼓泡，其中大的有0.02 m 見方。這些氣泡壁薄而脆，容易用手刮破。膜表面有的部位較正常偏白，有的則顏色較深。

（2）第十二片陽極板上有許多白色鹽的結(jié)晶，部分涂層已經(jīng)脫落，且極板腐蝕嚴重。在淡鹽水平衡口位置上陽極墊片也出現(xiàn)嚴重腐蝕。

（3）尤其是第四十七塊陽極板的橡膠墊片，在位于出槽淡鹽水平衡口處的部分幾乎全被腐蝕掉，以至于極板幾乎完全被暴露出來。其他極板上的墊片許多也存在淡鹽水平衡口位置附近不同程度的腐蝕，嚴重的與第47塊陽極板出現(xiàn)的情況相似。

3 分析與討論

為了找出5#電解槽的故障原因，首先查看了該臺電槽自首次開車以來完整的運行記錄。發(fā)現(xiàn)在本次故障前3個月就已出現(xiàn)淡鹽水中NaClO 和NaClO3含量明顯偏高的現(xiàn)象，其他數(shù)據(jù)也有異常。以上各月5# 電解槽與全部電解槽平均運行數(shù)據(jù)比較情況見表1。

表1 5#電解槽-全部槽平均運行數(shù)據(jù)比較

從表1可見，期間5#電解槽的出槽淡鹽水指標(biāo)如pH、次氯酸鈉含量m（NaClO）等一直明顯高于全部36臺槽的平均值，其氯氣純度也一直偏低，氯氣中氧的相對含量偏高明顯。盡管堿液及鹽水的出槽溫度還處于正常范圍，但也是高于全部電解槽均值。這說明5# 電解槽已有較長時間運行失常了。

綜合上述現(xiàn)象，分析故障原因，主要應(yīng)該是堿液泄漏進入陽極室造成的。離子膜出現(xiàn)針眼、墊片泄漏都能使堿液進入陽極室內(nèi)。出槽淡鹽水pH 增加且波動較大就是堿液泄漏的證據(jù)之一，這和觀察到的現(xiàn)象相符。推斷最初的泄漏應(yīng)該是由上述第八和第十二塊陽極板上的幾片膜上的針眼引起。由于此前該電解槽的部分膜曾更換過，這幾片膜上出現(xiàn)針眼的原因可能是物理損傷，并在運行過程中逐漸發(fā)展為水泡。

堿液透過針眼進入陽極室，能夠和陽極室內(nèi)的Cl2作用產(chǎn)生次氯酸鹽和氯酸鹽，使二者在陽極液中的含量增加：

次氯酸有強氧化性，具有漂白能力，可使離子膜表面脫色變白。這和八、十二塊陽極膜上看到的情況一致，說明該電解槽存在堿液透過離子膜針眼泄漏的現(xiàn)象。至于膜表面有些部位顏色較深，應(yīng)該和鹽水中有些雜質(zhì)含量超標(biāo)有關(guān)：曾經(jīng)較長時間鹽水中含鉛和含鐵一直超標(biāo)，其中，含鉛0.30×10-6～0.40×10-6（標(biāo)準(zhǔn)為≤0.05×10-6），含鐵1.4×10-6～2.8×10-6（標(biāo)準(zhǔn)為≤0.7×10-6）。

氯氣中氧氣增加的途徑主要有2個。

（1）在稀溶液中適宜條件下，NaClO 能分解并產(chǎn)生氧氣：

（2）OH-在陽極上也可被氧化釋放出原生態(tài)氧：

堿液泄漏進入陽極室的越多，產(chǎn)生氧的量就越多，Cl2中氧的含量也就越高，相應(yīng)Cl2純度就下降越明顯。對5# 電解槽來說，上述狀況均存在。

更嚴重的是堿和氧還能與陽極涂層材料發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，使涂層強度變低甚至變脆、脫落，第四十七塊極板看到的現(xiàn)象原因就在這里。

墊片的腐蝕也主要是由次氯酸引起的，因為橡膠對次氯酸之類強氧化劑的耐受力較差，環(huán)境溫度高于80 ℃時更是如此。尤其是平衡口周圍因結(jié)構(gòu)原因，墊片不如其他位置來的厚，更容易遭到腐蝕。電解槽的工作溫度較高（＞80 ℃），再加上次氯酸的長期作用，橡膠墊片會逐漸被侵蝕損毀，第四十七片陽極板墊片在位于出槽淡鹽水平衡口處的部分就是這樣被腐蝕掉的。這種侵蝕還可經(jīng)平衡口逐漸向其他電極室蔓延，造成連鎖效應(yīng)。進而使堿液滲漏進入其他陽極室，引起其他墊片與極板的腐蝕，如此惡性循環(huán)。這和在5# 電解槽其他墊片和極板上觀察到的事實相一致。所以及時發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患十分重要。

此外，操作規(guī)程要求在正常運行期間需定期對電解槽進行緊固，如果未嚴格去做，那么時間長了堿液也會從墊片和極板的結(jié)合處發(fā)生滲漏，但對于此次故障，這一原因可以排除。當(dāng)然，如果墊片本身存在質(zhì)量問題，其被腐蝕的可能性也會增大。

4 結(jié)語

作為電解槽的關(guān)鍵部件，墊片、膜和極板對電解槽的正常運行起著十分重要的作用。因此，為減少和避免因泄漏等原因造成墊片和極板等腐蝕，以及其它故障甚至事故而帶來不必要的經(jīng)濟損失，應(yīng)當(dāng)密切監(jiān)視電解槽的運行情況。一旦發(fā)現(xiàn)操作指標(biāo)出現(xiàn)異常，必須及時查找原因、正確處理，還要總結(jié)經(jīng)驗，吸取教訓(xùn)，防患于未然，從而最大限度地保證不再出現(xiàn)類似故障或事故。