電解槽零極距改造與陰極重涂方案對比

許書明，荊營山，陳全全

（東營華泰化工集團有限公司，山東 東營 257091）

電解槽零極距改造與陰極重涂方案對比

許書明，荊營山，陳全全

（東營華泰化工集團有限公司，山東 東營 257091）

通過對2種電解槽改造方案的投資及效益對比，選擇最優(yōu)方案，并簡單介紹了零極距改造工藝。

電解槽改造方案；投資與效益；零極距

東營化工集團有限公司50萬t/a離子膜燒堿一期、二期電解裝置均采用日本旭化成公司生產的NCH型自然循環(huán)高電密電解槽。一期10臺裝置的電解槽于2013年完成了陰極零極距改造；二期10臺裝置當時因運行年限不足（電解槽涂層壽命為8年，過早改造浪費電解涂層），未進行改造。到2016年11月，二期裝運行滿6年，將面臨電極重涂或零極距改造。為此，公司根據電解槽陰極涂層活性狀況，制定2種方案，并對投資及效益進行擇優(yōu)對比，以達到用最低投資、最合理化施工并取得最高收益的目的。

1　2種方案提出的原因

首先，統(tǒng)計了二期裝置10臺電解槽的平均運行情況（見表1）。

表1　二期裝置電解槽運行情況　電流為5.0 kA/m2負荷

由表1可以看出，二期裝置在電流5.0 kA/㎡負荷下槽電壓平均值上升到3.13 V，電流效率平均值下降到94%左右，電極涂層活性已嚴重下降，運行狀況還將隨著使用時間的延長進一步惡化。作為新技術的電解槽零極距改造，要比電極涂層重涂節(jié)約能源、更能降低成本。

因此，對二期裝置電解槽提出以下2種方案：（1）更換離子膜（1 725張）、墊片、陽極，陰極涂層重涂；（2）更換離子膜（1 725張）、墊片、陽極，陰極零極距改造。

注：離子膜購進數量按照1 500張，安裝用+225張備用計算。

2　零極距的節(jié)能優(yōu)勢

一期電解槽的零極距改造驗證了該技術的可行性和突出的節(jié)電創(chuàng)效情況。一期改造前電解槽運行情況見表2，一期改造后電解槽運行情況見表3。

表2　一期改造前電解槽運行情況　　流電為5.0 kA/m2負荷

表3　一期改造后電解槽運行　電流為5.3 kA/m2負荷

由以上2個表格可以看到，改造前一期裝置在5.0 kA/m2負荷下，槽電壓平均值為3.133 V，電流效率平均值為94.38%；改造后一期裝置在5.3 kA/m2負荷下，槽電壓平均值為2.97 V，電流效率平均值為97.55%。改造后一期槽電壓平均值下降了163 mV，電流效率平均值提高了3.17%，僅此一項每年可節(jié)省電費達2 607萬元（不含稅價）。

預計二期裝置進行陽極更換及陰極零極距改造后，整套裝置在5.5 kA/㎡負荷下，槽電壓平均值可下降到 2.93 V，電流效率平均值可達到96%。

3　2種方案的投資對比（見表4）

表4　兩種方案投資對比表　萬元

由表4可以看到，A方案投資共計5 053.3萬元，B方案投資共計5 000萬元?？梢?種方案在總投資上差別不大，B方案略占優(yōu)勢。

計算依據：

（1）購進離子膜1 725張，費用為1 553萬元（9 000元/張）；

（2）購進墊片、膠黏劑和防粘劑，費用為141萬元；

（3）10臺電解槽共計1 480臺復極單元槽、20臺陽極端板、20臺陰極端板；備用31臺復極單元槽、2臺陽極端板、2臺陰極端板；

（4）陽極更換費用按1 763萬元計；

（5）陰極零極距改造費用按1 533萬元計；

（6）陰極涂層重涂費用按1441萬元計（9400元/臺）；

（7）零極距改造購進離子膜是免關稅的，單獨購進離子膜，則收取10%關稅。

4　2種方案的效益對比

按照離子膜使用壽命4年為1個周期計算，離子膜第一年的電流效率為96%；第二年電流效率為95%；第三、四年電流效率為94%。則3種方案3年可節(jié)省電費（不含稅價）見表5。

表5　兩種方案效益對比　萬元

凈現值 （NPV）可以衡量一個項目投資的可行性，為此計算了2個方案的凈現值。方案A：所得稅前凈現值為422.76萬元。（折現率為12%）；方案B：所得稅前凈現值為1 958萬元，（折現率為12%）。計算依據。

（1）新離子膜對槽電壓的貢獻按100 mV計，新離子膜4年電流效率分別按96%、95%、94%、94%計；陰極涂層重涂后對槽電壓的貢獻按50 mV計；零極距改造后對槽電壓的貢獻年平均為100 mV計；

（2）按10臺電解槽燒堿折百年產量25萬t計；

（3）不含稅電價按0.573元/kW·h計；

（4）燒堿噸電耗公式：W=V×1 000/1.492/η（η為電流效率，燒堿電化當量為1.492 g/A）；

（5）節(jié)省電費計算公式：25×（W1-W2）×0.573。

例如：B方案第一年每臺電解槽每噸消耗電量為：

3.13×1 000/1.492/0.94-2.93×1 000/1.492/0.96=186.13（kW·h/t）。

B方案10臺電解槽滿負荷第一年節(jié)省電費（不含稅價）為2 666.3萬元。

由表5可以看出，B方案效益最好，可使企業(yè)在2年內回收投資；從NPV計算值上更加認證了B方案的優(yōu)越性。因此選擇B方案。

5　零極距改造工藝簡介

5.1設備改造工作及結構對比

零極距改造技術就是在高電密電解槽的原有陰極網表面安裝一層彈性元件，消除電極與離子膜之間的距離，減少溶液間的電阻，從而降低電解槽的槽電壓，達到降低直流電耗的目的，高電密電解槽和零極距電解槽結構對比見圖1。

圖1　高電密電解槽和零極距離電解槽結構對比圖

為防止復式電解槽鈦制陽極法蘭密封面發(fā)生縫隙腐蝕，零極距改造時需將陽極的鈦基密封面更換為鈦鈀合金材料。

陰極改造為零極距改造的核心，陰極改造是在集電板上均勻鋪設彈性體（彈性體是一種鎳材的、近似清潔球一樣的材料，具有一定的彈性）。彈性體表面安裝陰極網，并用鎳條將陰極網固定在槽框上。陰極網是由直徑0.2 mm的鎳絲編制的帶有特殊涂層、且經過特殊加工的表面光滑的網。這樣由于彈性體的存在，使電解槽陰極外凸且具有彈性。安裝離子膜后陰極、離子膜和陽極處于緊貼狀態(tài)，實際的電極距只有離子膜的厚度，從而將電極的間距降至最小，即實現了零極距。

5.2工藝改造

（1）對系統(tǒng)循環(huán)必須的陽極液循環(huán)泵等關鍵設備配置應急供電，及時向電解槽提供必要的循環(huán)動力。

（2）增加氯氣水封（已于2013年大修時完成）。由于零極距電解槽的結構特性，大的負壓差會對陰極彈性網產生破壞。為此除了精心操作外，需增加氯氣水封，可在極端狀況下保證電解槽的安全。

6　結語

通過2種方案投資與效益的對比，結合零極距改造周期及生產運行情況，將于2016年11月-2017年7月對二期10臺電解槽實施逐臺零極距改造。希望本文能夠對需要進行電解槽零極距改造的企業(yè)提供參考。

Compare with electrolyzer zero polar distance transformation and cathode coating scheme

XU Shu-ming，JING Ying-shan，CHEN Quan-quan
（Dongying Huatai Chemical Co.，Ltd.，Dongying 257091，China）

Through two cell retrofit scheme of investment and benefit comparison，choose the optimal solution，and simple introduced the zero polar distance transformation process.

cell transformation plan；Investment and benefit；zero polar distance

TQ114.26

B

1009-1785（2016）08-0006-03

2016-06-27