從槽電壓組成淺論膜極距電解槽節(jié)能效果

(東營華泰化工集團(tuán)有限公司，山東 東營 257091)

膜極距電解槽作為一種節(jié)能降耗的工藝，近幾年得到迅速的發(fā)展，各氯堿廠紛紛進(jìn)行改型。下面就電解槽膜極距改造后的運(yùn)行情況談幾點(diǎn)體會(huì)。在對比中基于這樣一個(gè)基本條件：除彈性網(wǎng)改變外，電解槽、膜及操作條件均是一樣的。

1 膜極距電解電耗低的原因

膜極距電解槽之所以能夠降低電耗，是因?yàn)槠湟越饘賹?dǎo)體代替了溶液導(dǎo)電，電阻的降低導(dǎo)致了耗電量的減少。

電解槽的槽電壓由以下6部分組成：電解質(zhì)的理論分解電壓、離子膜電壓降、陽極過電壓、陰極過電壓、溶液歐姆電壓降、金屬導(dǎo)體歐姆電壓降[1]。從槽電壓的組成可知：影響槽電壓的因素包括2個(gè)方面：①結(jié)構(gòu)性因素影響，包括電解槽結(jié)構(gòu)、一類導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能、極間距大小、離子膜的結(jié)構(gòu)及性能、陽極和陰極的性能等；②操作性因素的影響，包括電流密度、陰陽極液循環(huán)量、鹽水中的雜質(zhì)、電解液的濃度、溫度和pH值、電解槽內(nèi)的壓力和壓差。在操作因素的影響相同的情況下，可以通過改變結(jié)構(gòu)性因素來改變槽電壓。

通過膜極距電解槽的結(jié)構(gòu)可以看清一點(diǎn)：膜極距電解槽改造后，原來的結(jié)構(gòu)不變化，但在原陰極上加一層彈性網(wǎng)，彈性網(wǎng)上面再覆蓋一層陰極網(wǎng)。改造后，陰極網(wǎng)和陽極網(wǎng)之間的距離縮小了，兩電極間距離只有離子膜厚度的距離，因?yàn)榭s小而被叫做膜極距。

下面對電解槽改造前后槽電壓組成部分的變化情況作一個(gè)比對。

(1)理論分解電壓不變。

(2)離子膜電壓降不變。

(3)陰極過電壓不變。

(4)陽極過電壓不變。

(5)金屬導(dǎo)體的電阻不變，可以近似認(rèn)為電解槽歐姆電壓降不變。

(6)仍存在有溶液歐姆電壓降。由于改造前后電極間距離的變化，造成了改造前后溶液的歐姆電壓降出現(xiàn)變化，距離小的數(shù)值也會(huì)小。

通過上面的對比，可以這樣認(rèn)為：膜極距改造后，槽電壓下降的原因是增加彈性網(wǎng)后相當(dāng)于電流回路中，由原來電流通過溶液流通被通過金屬流通所代替，因?yàn)榻饘賹?dǎo)體的電阻要小于溶液的電阻，所以出現(xiàn)了電壓的下降。所以膜極距電解槽省電的本質(zhì)為：膜極距電解槽電壓的下降主要是因?yàn)樵黾恿岁帢O彈性網(wǎng)的原因造成的。用低電阻的金屬導(dǎo)體代替高電阻的溶液導(dǎo)電，電阻的減小造成了電解槽槽電壓的下降。

2 膜極距電解槽省電的限度

離子膜電解槽噸堿耗電計(jì)算公式為[2]：

W=1 000V/1.492η。

(1)

根據(jù)改造方提供的數(shù)據(jù)，膜極距改造后，單元槽電壓降低200 mV，也是最大的貢獻(xiàn)值。

據(jù)此，可以推導(dǎo)出這樣的結(jié)論。

(1)膜極距改造后，耗電的貢獻(xiàn)值會(huì)隨離子膜電流效率的下降而上升，到換膜的后期，達(dá)到最高值。

理由：根據(jù)公式(1)，在V不變的情況下，噸堿耗電量W隨η的下降而升高。

(2)膜極距改造后，離子膜的電流效率也會(huì)有所改變。

根據(jù)旭化成提供的電流效率公式，可以判斷出NCH和NCZ電解槽電流效率的差別：

2×φ(H2/Cl2)-Lc。

(2)

式中：Qi為電解槽陽極進(jìn)口流量；Qo為電解槽陽極出口流量；Ci為電解槽陽極進(jìn)口濃度；Co為電解槽陽極出口濃度；φ(H2/Cl2)為氯中含氫體積分?jǐn)?shù)；Lc為泄漏電流。

對于同樣的電流，第一項(xiàng)相等。泄漏電流率也是相等的，第三項(xiàng)也是相等的。故電流效率的差別可以通過氯中含氫體積分?jǐn)?shù)找到差別。通過實(shí)際的檢測值，膜極距電解槽氯中含氫體積分?jǐn)?shù)一般比常規(guī)極距電解槽高0.03%左右。

CE1-CE2=2×φ(H2/Cl2)2-

2×φ(H2/Cl2)1=2×0.03%=0.06%。

膜極距改造后，膜極距電解槽的電流效率要低于常規(guī)極距電解槽的電流效率。

3 電解槽膜極距改造后，省電的數(shù)值及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)公式(1)，設(shè)改造初期電解槽的電流效率為96.5%，200 mV的電壓降影響的電耗為：

W=0.2×1 000÷(1.492×96.5%)=

138.9 (kW·h/t)。

因?yàn)殡娏餍实慕档?，膜極距電解槽降低的電耗應(yīng)在138.9 kW·h/t以下。

按電費(fèi)0.72元/(kW·h)計(jì)，噸堿降低成本100元，則25萬t/a燒堿每年產(chǎn)生的效益為2 500萬元。

自發(fā)電廠按0.18元/(kW·h)計(jì)，噸堿降低成本25元，則25萬t/a每年產(chǎn)生的效益625萬元。

通過實(shí)例也可以證明以上的結(jié)論。

東營華泰化工集團(tuán)有限公司第3期裝置于2009年1月投產(chǎn)，使用的是NCH電解槽，雙頭濾壓式，150個(gè)單元槽，安裝旭化成F6801膜，投產(chǎn)初期在10.8 kA電流運(yùn)行72 h后，升至14.85 kA，槽電壓為477 V左右。運(yùn)行近5后，于2014年12月進(jìn)行了膜極距改造，使用的離子膜仍為旭化成的F6801膜，投產(chǎn)初期10.8 kA運(yùn)行72 h后，電流升至14.85 kA后，槽電壓為456 V左右，基本上和改造前的承諾值相等。

4 電解槽膜極距改造后注意事項(xiàng)

4.1 注意氯氫壓差的波動(dòng)，避免造成彈性體變形

根據(jù)槽電壓的組成可以知道，一旦彈性網(wǎng)變形，不但會(huì)造成槽電壓的上升，而且會(huì)因?yàn)殡娏髅芏确植疾痪鶆驅(qū)δぴ斐蓢?yán)重的危害。

4.2 加強(qiáng)開車初期單元槽電壓變化的治理

加強(qiáng)開車初期單元槽電壓變化的治理，及時(shí)找出電壓低的單元槽更換離子膜，避免以后因膜的針孔造成極網(wǎng)的腐蝕。

由于制作的原因，彈性體不可避免地會(huì)出現(xiàn)線頭，并且由于壓差的波動(dòng)而造成彈性體線頭扎破離子膜而形成針孔。這種現(xiàn)象在開停車的操作中極易出現(xiàn)，因此，必須及時(shí)檢查出電壓低的離子膜并予以更換，以免開車后腐蝕陽極網(wǎng)，甚至出現(xiàn)大的事故。

東營華泰的做法是安裝單元槽電壓在線檢測裝置。在系統(tǒng)開車送電后，注意檢查發(fā)現(xiàn)槽電壓比較低的單元槽。隨著電流的升高，如果單元槽的槽電壓能夠快速跟上去，那么此次膜可以不換；如果單槽電壓跟上的速率較慢，電流升到3 kA時(shí)，槽電壓比正常電解槽槽電壓低一定的數(shù)值，穩(wěn)定一段時(shí)間后沒有縮小的情況，那么此單元槽的膜必須更換。前期電壓能夠跟上的膜，在下一次停車時(shí)一定要更換。

通過正常開停車換膜數(shù)量的對比發(fā)現(xiàn)，NCH電解槽基本沒有更換膜，而NCZ電解槽每次開停車均有十幾張膜要更換。即使在查看電解槽壓差的趨勢非常平穩(wěn)的情況下，NCZ電解槽的更換比例在1%左右。

對更換下的槽電壓較低的膜進(jìn)行研究后，能夠得出是開停車過程中出現(xiàn)的彈性體線頭扎破膜的結(jié)論。依據(jù)為在亮光下能夠發(fā)現(xiàn)明顯的針孔，針孔四周沒有任何異常現(xiàn)象，陽極網(wǎng)沒有腐蝕的痕跡。

4.3 新裝置開車注意事項(xiàng)

對于新裝置的開車運(yùn)行，建議先使用常規(guī)極距電解槽，且由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)豐富的職工進(jìn)行操作。

使用常規(guī)極距電解槽的目的在于確保生產(chǎn)的安全性，待操作人員熟練后再改為膜極距電解槽。畢竟在目前膜極距電解槽中還存在待改善的部分，存在一定的安全隱患，而安全的影響往往是決定性的。

4.4 停車時(shí)嚴(yán)格遵守置換要求

由于陰極和膜的緊密接觸，要嚴(yán)格遵守停車時(shí)的置換要求以及長時(shí)間停車膜濕潤時(shí)陰極液濃度的要求，避免Ni污染離子膜。

提出此條的目的在于操作時(shí)一定要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，避免污染離子膜，畢竟燒堿生產(chǎn)中離子膜數(shù)量太多并且價(jià)格也非常高。