影響離子膜電解槽電壓升高因素分析

權(quán)開玉，田玉英

（陜西金泰氯堿化工有限公司，陜西 榆林718199）

在離子膜制堿生產(chǎn)中，槽電壓是電解槽運(yùn)行性能的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與能耗密切相關(guān)，對生產(chǎn)成本有著直接影響，因此在操作中要求盡可能低的槽電壓。 為保證電解槽在較低的槽電壓下穩(wěn)定運(yùn)行，對影響電壓的因素進(jìn)行以下分析。

1 槽電壓的結(jié)構(gòu)

槽電壓的計(jì)算公式為：

V=VO+VM+η陰+η陽+IR液+IR金式中，V 表示單槽電壓；VO表示理論分解電壓；VM表示膜電壓；η陰為陰極過電壓；η陽為陽極過電壓；IR液為液體歐姆電壓降；IR金為金屬導(dǎo)體中歐姆電壓降。其中VO是不變的，V 的大小取決于其他項(xiàng)。

2 影響槽電壓的因素

2.1 陰、陽極性能

以前的離子膜較厚，膜電壓高，因強(qiáng)度較高保護(hù)了陰陽極涂層。目前，高電流密度電解裝置的自動化程度在運(yùn)行控制上已有了很大的提高，但是為了降低槽電壓相應(yīng)配置的離子膜厚度減小，強(qiáng)度較低，因此要求的操作水平較高，一旦運(yùn)行壓力和壓差失控發(fā)生故障，會嚴(yán)重?fù)p傷離子膜，因此也不能有效地保護(hù)陰陽極涂層，甚至破壞性地腐蝕陰陽極基網(wǎng)。

當(dāng)一個膜壽命周期運(yùn)行以后， 即使更換了新膜，也不可能將單元槽電壓恢復(fù)如初。這就是陰陽極性能的退化和極網(wǎng)面是否平整以及膜極距彈性下降在運(yùn)行中受到的意外影響變差所造成。

陰陽極涂層的有效使用壽命為8 年。有效期過后，因陰陽極損壞而使單元槽電壓上升達(dá)到250 mV以上。如果雜質(zhì)進(jìn)入離子膜造成電壓明顯上升或電流效率明顯下降，對膜的物理損傷并不嚴(yán)重，對電極陰陽極的損傷屬于自然劣化， 電壓上升一般在50～70 mV。陰陽極網(wǎng)或涂層如果沒有更新，不同電解槽的陰陽極的性能會存在差異， 其電壓差異達(dá)30 mV 以上。

因此，2015 年陜西金泰氯堿化工公司一線電解裝置在第二個膜周期時進(jìn)行了零極距電解槽改造項(xiàng)目，除在陰極安裝彈性體和活性陰極網(wǎng)外還對陽極網(wǎng)進(jìn)行了更新，確保達(dá)到最低的槽電壓，小極距電解槽改為零極距電解槽， 同時離子膜更新為新膜，新陽極、新陰極，運(yùn)行電流密度在5.33 kA/m2情況下平均單元槽電壓由3.58 V 下降至3.05 V，節(jié)能效果顯著。

2.2 電解槽溫度

對于多臺電解槽裝置，更換過新膜的電解槽電流效率就會大大提高，性能優(yōu)于其他舊膜電解槽，該電解槽的槽內(nèi)溫度明顯較舊膜電解槽低，其電壓會對電解槽溫度有所影響。

2018 年10 月，一臺電解槽因陰極液溫度計(jì)校驗(yàn)后溫度下降，提高槽溫至控制指標(biāo)1.3 ℃后各臺槽平均總電壓下降約1.5 V，平均單元槽電壓每提高1 ℃下降9 mV，與電解槽溫度每降低1 ℃，單元槽電壓就會升高10 mV 左右的數(shù)據(jù)相符。 在同一循環(huán)體系統(tǒng)中， 一般新膜電解槽較舊膜電解槽溫度低2～4 ℃，新膜單元槽電壓可能會虛高顯示30～50 mV，這時，可適當(dāng)提高新膜電解槽運(yùn)行電流，降低舊膜電解槽的運(yùn)行電流， 使新舊膜電解槽運(yùn)行溫度平衡，將新膜電解槽效率高、電耗低的性能優(yōu)勢有效地發(fā)揮出來，減小或避免舊膜電解槽效率低、電耗高的缺點(diǎn)，有效提高經(jīng)濟(jì)效益，降低運(yùn)行成本。實(shí)際上，對新膜槽運(yùn)行電流提高后的電壓并沒有明顯的變化，因?yàn)楸緫?yīng)上升的槽電壓部分抵消了槽溫上升后降下來的電壓，而舊膜槽運(yùn)行電流降低后電壓卻會明顯下降，這樣便有效地降低了裝置的整體電耗和運(yùn)行成本。

2.3 膜的狀態(tài)

若離子膜在開車初期，頻繁開停車，短期內(nèi)經(jīng)過多次充排液和水洗的離子膜難以完全自行伸展膨脹，疏松狀態(tài)的離子膜電流效率會急劇下降。當(dāng)離子膜被硫酸根、碘和鋇等有害雜質(zhì)污染后，也會有電流效率明顯下降而電壓并無明顯上升的跡象。

膜的使用壽命并不只是膜電壓，還有電流效率，從電流效率上進(jìn)行判定新舊膜的性能優(yōu)劣，給出綜合的評價。

2.4 堿濃度

電解裝置中有多臺電解槽，只更換了其中1 臺或幾臺電解槽的新膜，由于換了新膜的電解槽的電解性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未進(jìn)行換膜處理的電解槽，新膜的電流效率比舊膜高，則該電解槽的槽內(nèi)堿濃度也比舊膜電解槽高，較高的槽內(nèi)堿濃度也會使電壓稍高一些，但是也有了較高的產(chǎn)量。此時，可適當(dāng)提高進(jìn)槽陰極液流量來平衡與其他電解槽的溫度和堿濃度。

2.5 陰、陽極極距

在進(jìn)行新膜的更換時，一般會對陰、陽極密封墊片進(jìn)行更換。舊墊片在經(jīng)過3 年左右的擠壓后，充分伸展，由于壓縮量較大，彈性盡失，厚度也變小。而新墊片彈性較強(qiáng)，處于受壓力作用和彈性變形的初期，墊片還沒有充分伸展蠕變，而厚度正適合，陰、陽極極間距離也會比舊膜的單元槽稍大，從而使極間液體的電壓降增加，電壓上升。

不同電解槽的現(xiàn)有狀況也有所不同，如最先換膜的電解槽在過去運(yùn)行時發(fā)生較大壓差波動的可能性較大，陰陽極網(wǎng)、膜極距彈性網(wǎng)變形較大造成彈性下降，影響到了電流密度分布的均勻性，極距也會相應(yīng)變大，從而使電壓升高。

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在特定范圍內(nèi)，陰、陽極極距或陰、陽極網(wǎng)變形量每增加1 mm，就會使單元槽電壓上升30 mV 以上。

2.6 運(yùn)行電流

整流傳感器顯示的各臺電解槽的運(yùn)行電流并不絕對準(zhǔn)確，有些設(shè)備的顯示誤差可達(dá)幾百安培。如果此時顯示的電流低于實(shí)際輸出電流，槽電壓也會偏高，應(yīng)從電流效率來判定是否有異常表現(xiàn)。

2.7 新舊膜對雜質(zhì)的耐受性

舊膜常處于一種膨脹狀態(tài)，且由于長期使用導(dǎo)致針孔增多，鹽水中有害雜質(zhì)的持續(xù)沉積逐漸趨于平緩，槽電壓己處于穩(wěn)定期。而新膜卻處于高效率期，離子的交換能力增強(qiáng)，對鹽水中影響電壓的鎂、鎳、鐵、碘、硫酸根等有害雜質(zhì)以不同形式的沉積更加敏感，所表現(xiàn)的階段數(shù)據(jù)也就會有差異，因此，新膜比舊膜的電壓上升快。

2.8 雜質(zhì)

雜質(zhì)沉淀在離子膜上會影響電阻，這與雜質(zhì)的種類和數(shù)量有較大的關(guān)系， 雜質(zhì)可以從陽極液進(jìn)入，也可以從陰極液進(jìn)入。

鎳沉淀在離子膜中能引起槽電壓升高，二次精鹽水要求含鎳低于10 ug/L，當(dāng)膜中含鎳5 mg/dm2時，槽電壓上升0.3 V；如離子膜中鎂累積量超過10 mg/dm2時，槽電壓可升高0.10~0.20 V；鋇、碘在離子膜中以高碘酸鋇形式存在，沉淀物分散在離子膜陽極側(cè)，而聚集的沉淀物則結(jié)合在接近離子膜陰極一側(cè)，大多數(shù)以高碘酸鋇或高碘酸鈉化合物存在，影響槽電壓的主要是分散沉淀物，可使槽電壓升高約0.05 V。

2.9 導(dǎo)體及溶液電阻

金屬導(dǎo)體電阻高，電極接觸不良均會導(dǎo)致電壓上升，影響電解槽性能。不管是哪種型號的離子膜，均有一定的溫度操作范圍。槽溫升高有利于電壓下降，但是電解槽的運(yùn)行溫度不高于87 ℃，否則，大量的水蒸發(fā)會導(dǎo)致氣液比增大，電解液趨于沸騰會加速膜的劣化，使電極的腐蝕和涂層的鈍化加快，使槽電壓上升。

3 預(yù)防槽電壓升高的措施

影響槽電壓的原因很多，但大部分因素是可以控制和避免的。通過對這些影響因素的分析，為降低槽電壓可采取以下措施。

（1）嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，槽溫控制在84～87 ℃，確保電壓平穩(wěn)；

（2）減少電流波動和大的壓差波動，延長電極及涂層的使用壽命；

（3）提高進(jìn)槽鹽水、鹽酸、純水、二次汽冷凝液、燒堿等所有介質(zhì)質(zhì)量。如該公司對于二次鹽水質(zhì)量和進(jìn)槽二次汽冷凝質(zhì)量采用在線鈣鎂分析儀進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)在線分析儀數(shù)據(jù)有變化時立即取樣用ICP進(jìn)行監(jiān)測；

（4）優(yōu)化改良改進(jìn)設(shè)備，減少對設(shè)備的腐蝕，如對于陰極系統(tǒng)的管道材質(zhì)選用310S 不銹鋼，防止高溫堿的腐蝕，對于鹽水系統(tǒng)采用鈦材、襯四氟、襯低鈣鎂橡膠等材料；

（5）電解槽檢修時嚴(yán)格按要求檢修，保證檢修質(zhì)量；

（6）加強(qiáng)培訓(xùn)和演練，提高員工業(yè)務(wù)水平，盡最大可能避免異常停車，要正確開、停車操作。