膜極距改造電解槽運(yùn)行探討

邵黨恩*

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膜極距改造電解槽運(yùn)行探討

邵黨恩*

（河南神馬氯堿化工股份有限公司，河南平頂山，467001）

分析了河南神馬氯堿化工股份有限公司膜極距電解槽運(yùn)行情況，通過(guò)與未改造電解槽的指標(biāo)對(duì)比，指出了改造后出現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)問(wèn)題原因進(jìn)行了深入分析，從電解槽結(jié)構(gòu)上提出了今后改造中應(yīng)注意的原則。

膜極距電解槽；改造；槽電壓

引言

膜極距技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果，目前已在氯堿企業(yè)廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與普通極距電解槽相比，膜極距電解槽噸堿電耗可下降80-100KWh。在國(guó)內(nèi)，多數(shù)氯堿企業(yè)采用將運(yùn)行中的普通極距離子膜電解槽進(jìn)行膜極距改造的方案，以達(dá)到降低電耗的目的，但在降低電耗的同時(shí)，離子膜的電流效率和壽命也受到了較大的影響，從而使膜極距技術(shù)節(jié)能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益打了不小的折扣，因此，總結(jié)膜極距改造的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，推進(jìn)膜極距技術(shù)不斷完善。

1 公司基本情況及膜極距改造方案

河南神馬氯堿化工股份公司于2005年首次引進(jìn)復(fù)極離子膜電解裝置，采用藍(lán)星（北化機(jī)）公司的ZMBCH-2.7型復(fù)極離子膜電解槽兩臺(tái)，建成一條年產(chǎn)5萬(wàn)噸離子膜燒堿的復(fù)極燒堿生產(chǎn)線。該裝置A、B兩槽于2006年6月投入運(yùn)行。2007年，淘汰2.5萬(wàn)噸/年金屬陽(yáng)極裝置，新增C、D兩臺(tái)ZMBCH-2.7型復(fù)極離子膜電解槽，接著，于2009年利用C、D槽廠房空地條件再增加一臺(tái)該型電解槽，使復(fù)極離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)達(dá)到12.5萬(wàn)噸/年的生產(chǎn)能力。2011年，A、B、C、D槽分別達(dá)到2個(gè)和1個(gè)膜周期，而E槽運(yùn)行指標(biāo)較差，根據(jù)各槽運(yùn)行狀況先后對(duì)B、C、E、A槽進(jìn)行了膜極距改造。D槽因第二個(gè)膜周期內(nèi)運(yùn)行指標(biāo)良好，未做改造，以留作觀察對(duì)比。

2 改造后電解槽運(yùn)行情況

2.1 膜極距改造的技術(shù)方案

所謂膜極距就是指電解槽的陰極和陽(yáng)極之間只有一個(gè)離子膜厚的距離，與普通極距電解槽相比，由于極距的縮小減小了兩極間的電阻值，從而使槽電壓得以降低，達(dá)到降低電耗的目的。在具體改造中，通常采用的方法是，在原來(lái)的陰極網(wǎng)上敷設(shè)一層由鎳絲編織的彈性網(wǎng)，在彈性網(wǎng)上覆蓋涂有活性涂層的面網(wǎng)，面網(wǎng)用鎳條壓在密封面上或翻折固定在原陰極網(wǎng)背面，電解槽安裝離子膜后，由于彈性網(wǎng)的作用，陰極網(wǎng)將離子膜擠向陽(yáng)極網(wǎng)，達(dá)到所謂膜極距。

2.2 改造后各槽運(yùn)行效果

（1）2011年11月B槽由藍(lán)星（北京）化工公司改造，改造前170個(gè)單元槽，改造后為168個(gè)單元槽，改造后所用離子膜為旭化成F6801。

運(yùn)行情況總結(jié)：B槽膜極距改造后單槽電壓下降320mv，運(yùn)行至2012年12月31日，電壓上升57mv，氯氣純度于2012年3月開(kāi)始下降，至12年底降至97.7%，含氧達(dá)1.3%，陽(yáng)極電流效率為94.95%，下降2.59%。至2013年5月，陽(yáng)極電效顯著下降。（見(jiàn)表1）

表1 B槽改造前后運(yùn)行情況比較

（2）2011年12月C槽由江陰宏澤公司改造， 168個(gè)單元槽，改造后用122張杜邦N2030，46張旭化成F6801膜。

運(yùn)行情況總結(jié)：C槽膜極距改造后單槽電壓下降218mv，但運(yùn)行后電壓一直上漲，至2012年8月，電壓上升至3.17mv，比改造后上漲149mv，隨后電壓開(kāi)始下降，至12年底電壓為3.065mv，純度自2012年3月開(kāi)始下降，至12月底下降至97.2%，含氧為1.4%，陽(yáng)極電效為94.25%，下降3.29%，至2013年5月，陽(yáng)極電效顯著下降。

表2 C槽改造前后運(yùn)行情況比較

（3）2012年3月A槽由江宏澤公司改造，改造前170個(gè)單元槽，改造后為168個(gè)單元槽，改造后所用離子膜為旭化成F6801。

運(yùn)行情況總結(jié)：A槽膜極距改造后單槽電壓下降308mv，運(yùn)行至2012年12月31日，電壓上升113mv，純度于2012年11月開(kāi)始下降，至12月底為98.6%，含氧0.7%，陽(yáng)極電效為96.21%，下降2.1%。

說(shuō)明：?jiǎn)尾垭妷荷仙蛳陆抵竼尾壅蹣?biāo)電壓（4.0KA/m2，90℃，32%）

表3 A槽改造前后運(yùn)行情況比較

（4）D槽于2007年投入運(yùn)行，到2012,年已運(yùn)行4年，未作膜極距改造，其運(yùn)行情況如下（見(jiàn)表4）：

表4 D槽運(yùn)行情況

可見(jiàn)，運(yùn)行四年，未作改造的D槽雖然槽電壓升高，但電流效率仍高于運(yùn)行一年多至兩年的膜極距改造電解槽。

（5）電槽運(yùn)行中出現(xiàn)的異常情況

1）堿中含鹽上升，2012年12月4日發(fā)現(xiàn)成品堿堿中含鹽突然上升，由平時(shí)的40ppm上升至70ppm，到2013年2月已上升至104 ppm。

2）電耗上升，2011年底BCE電槽膜極距改造后電耗下降明顯，由改造前的2389kw.h下降至三臺(tái)改造后的2165kw.h，3月升為2242kw.h，2012年3月A槽膜極距改造后電耗又下降為2194 kw.h。之后，電耗平均每月上漲15-20 kw.h，至2012年12月，電耗達(dá)到為2320 kw.h。

3）電流效率下降顯著，運(yùn)行不到兩年，陽(yáng)極電效已下降到90%左右，超過(guò)了運(yùn)行四年的高電密電解槽。

3 問(wèn)題及原因分析

3.1 主要問(wèn)題

上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，各槽在進(jìn)行膜極距改造后，出現(xiàn)槽電壓先降后升，之后又持續(xù)下降的情況，而電耗呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)，直至超過(guò)未進(jìn)行改造且運(yùn)行時(shí)間達(dá)到4年的D槽。針對(duì)這種情況，我們進(jìn)行了全面的原因分析。

3.2 原因分析

我們從鹽水質(zhì)量、離子膜狀況、電解槽結(jié)構(gòu)等三個(gè)方面進(jìn)行了分析。

3.2.1 鹽水質(zhì)量分析

鹽水質(zhì)量是影響槽電壓的一個(gè)重要因素，2012年3月，我們?nèi)×硕嘻}水樣品，委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果如下（見(jiàn)表5）：

結(jié)果表明，鹽水中個(gè)別指標(biāo)雖然超標(biāo)，但不至于產(chǎn)生如此嚴(yán)重的后果，且D槽在同樣鹽水條件下，未出現(xiàn)上述情況。

表5 二次鹽水分析結(jié)果

3.2.2 離子膜狀況分析

我們從離子膜的角度進(jìn)行了分析。4臺(tái)槽子分別使用了杜邦公司F4403D 離子膜和旭化成8261離子膜，從指標(biāo)上很難判斷兩種膜的差別。為了進(jìn)一步分析離子膜狀況，我們將各槽運(yùn)行中的兩種膜分別選出一張，送杜邦和旭化成本部進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如下（見(jiàn)表6）：

離子膜生產(chǎn)商分別對(duì)送檢的離子膜在實(shí)驗(yàn)槽上測(cè)試了電流效率。測(cè)試結(jié)果如下（見(jiàn)表7）：

表6 離子膜分析結(jié)果

表7 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果

以上結(jié)果表明，同等條件下，運(yùn)行1.5年的膜極電解槽電效比運(yùn)行4年的普通極距電解槽還有顯著降低，送檢離子膜已經(jīng)達(dá)到了更換的條件。

電鏡分析情況

兩公司對(duì)離子膜作了電鏡分析，結(jié)果如下：

羧酸層表面狀態(tài)，整體可見(jiàn)雜質(zhì)的脫落痕跡。羧酸層表層整體嚴(yán)重皸皺。

結(jié)果表明，離子膜羧酸層受到較嚴(yán)重的物理?yè)p傷。大面積分離脫落。

3.2.3 電解槽結(jié)構(gòu)

針對(duì)離子膜羧酸層出現(xiàn)損傷的情況，我們從操作方法、工藝指標(biāo)、電解槽結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了分析，我們認(rèn)為，電槽結(jié)構(gòu)是影響離子膜運(yùn)行的主要因素。

膜極距電解槽的陰極網(wǎng)由鎳基材底網(wǎng)、彈性網(wǎng)和有涂層的面網(wǎng)三部分組成，其陰極高出密封面4-5mm，正常運(yùn)行時(shí)，陰、陽(yáng)極之間只有離子膜的厚度，而有極距電解槽陰極網(wǎng)與離子膜之間存在1.8-2.2mm的距離（1），正是這個(gè)差別導(dǎo)致離子膜運(yùn)行條件發(fā)生了變化。

離子膜由磺酸層、中間骨架和羧酸層三部分組成，其中，磺酸層厚度大、強(qiáng)度高，是離子膜強(qiáng)度的保證，而羧酸層薄而脆弱，但它是離子膜選擇性的保證，也就是電流效率的保證。在有極距電解槽中，由于壓差的作用，離子膜的磺酸層保持緊貼光滑的陽(yáng)極網(wǎng)上，其羧酸層始終保持自由狀態(tài)，在溫度變化等因素造成離子膜收縮時(shí)，羧酸層不會(huì)受到摩擦損傷。而在膜極距電解槽中，由于帶彈性的陰極將離子膜擠向陽(yáng)極網(wǎng)，所以，在溫度變化及堿液流動(dòng)時(shí)，離子膜收縮或振動(dòng)均會(huì)引起羧酸層與陰極網(wǎng)的摩擦，從而對(duì)羧酸層造成傷害，擠壓越緊，傷害越大，在早期的膜極距改造理念中，追求極距越小越好，導(dǎo)致上述情況更加嚴(yán)重，這一點(diǎn)，在與D槽的對(duì)比觀察中得到了很好的印證。也是后來(lái)各廠家不斷改進(jìn)工藝的重要原因。

4 對(duì)膜極距改造的認(rèn)識(shí)及建議

膜極距技術(shù)是當(dāng)前氯堿技術(shù)發(fā)展的方向，應(yīng)該積極推廣，但在實(shí)施過(guò)程中，要兼顧極距減小與離子膜保護(hù)兩個(gè)方面，理想狀態(tài)是在保持離子膜自由伸縮或其羧酸層強(qiáng)度能夠耐受的前提下，縮小極距，使電耗下降的優(yōu)勢(shì)保持在離子膜的合理周期內(nèi)，只有這樣，才能取得穩(wěn)定而實(shí)際的節(jié)能效果。

[1] 杜軍. 膜極距電解槽與高電流密度電解槽的區(qū)別及操作要點(diǎn)[J]. 氯堿工業(yè), 2015, (11): 13-17.

[2] 章斯淇, 李永毛, 李濤, 等. BiTAC離子膜電解槽膜極距改造的降耗效果和經(jīng)濟(jì)分析[J]. 氯堿工業(yè), 2015, 51(2): 5-7.

[3] 邢家悟, 劉東升. 離子膜法制燒堿操作問(wèn)答[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2009, 48-51.

Discuss on Running of Membrane-thickness Electrode-Distance Transformed Electrolyzers

SHAO Dangen*

(Henan Shenma Chlor-alkali chemical Co,Ltd, Henan Pingdingshan 467001, China)

The operation of the membrane pole distance electrolyzer in Henan Shenma Chlor-Alkali Chemical Co., Ltd was analyzed. The problems of the modified electrode were compared with those of the unmodified electrolytic cell. The problems were analyzed and the causes of the problem were analyzed. The structure put forward in the future transformation should pay attention to the principle.

membrane-thickness electrode-distance electrolyzers；transformation; cell voltage

邵黨恩. 膜極距改造電解槽運(yùn)行探討[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 61-62.

SHAO Dangen. Discuss on Running of Membrane-thickness Electrode-Distance Transformed Electrolyzers[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 61-62.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.025

TQ114

A

1672-9129(2017)05-0061-02

2017-01-18；

2017-02-26。

邵黨恩 （1964-），男，河南鄭州，工程師，，研究方向：輕工業(yè)學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)。E-mail: kdzp001@163.com