2種電解裝置運(yùn)行中的問(wèn)題及優(yōu)化措施

魯炳文

(青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000)

金屬鎂裝置和鉀堿裝置的電解槽是2套不同裝置中的核心設(shè)備，電解原料不同，設(shè)備設(shè)計(jì)單位不同，運(yùn)行中出現(xiàn)故障的也不盡相同?，F(xiàn)分別對(duì)2套裝置的電解槽進(jìn)行對(duì)比。

1 金屬鎂裝置

1.1 電解原料及產(chǎn)品介紹

青海鹽湖鎂業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“鹽湖鎂業(yè)”)的金屬鎂裝置用鹵水法制得的無(wú)水氯化鎂顆粒作為電解原料，這是其特有的制備方式。試車時(shí)裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，電解出的氯氣濃度低，達(dá)不到下游裝置所需氯氣濃度指標(biāo)。在開(kāi)停車期間只能用堿液吸收低濃度的氯氣，增加裝置運(yùn)行成本。

電解單元引進(jìn)挪威某公司的電解技術(shù)，利用鉀肥生產(chǎn)后的尾液經(jīng)鹽田灘曬析出的水氯鎂石作為原料，鹵水精制單元配制成33.3%的氯化鎂鹵水，采用氯化鋇法除去硫酸根離子后，經(jīng)陶瓷膜法精制過(guò)濾后得到一次精制鹵水，再經(jīng)離子交換法除硼工藝制得二次精制鹵水。鹵水經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、造粒及干燥后，脫水。電解無(wú)水氯化鎂顆粒料，通過(guò)消耗電解質(zhì)中的無(wú)水MgCl2生產(chǎn)出Mg和Cl2。電解車間的一部分鎂液送鑄造車間進(jìn)行精煉提純、鑄錠；另一部分送到海鎂特公司生產(chǎn)合金鎂錠。電解法制得的氯氣從電解槽輸送PVC裝置。

1.2 電解槽設(shè)計(jì)原理

無(wú)水氯化鎂粒料(MgCl2)被送入電解槽電解隔間的氯氣罩，并在電解液循環(huán)流股中迅速熔化及溶解，電解過(guò)程消耗電解液中的MgCl2，生成Mg和Cl2，鎂金屬在陰極產(chǎn)生，氯氣在陽(yáng)極產(chǎn)生。陽(yáng)極表面生成的氯氣形成氣泡，并上升穿過(guò)電解液到達(dá)電解液表面后徹底脫離，電解液從兩極之間帶走，送入金屬隔間。此后，脫離的氯氣通過(guò)管道系統(tǒng)從電解槽排出，經(jīng)尾氣處理輸送至下游裝置30萬(wàn)t/a乙烯法及50萬(wàn)t/a電石法生產(chǎn)PVC的原料。其電解槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

a—石墨陽(yáng)極；b—鋼制陰極；c—耐火材料；d—粒料進(jìn)料管；e—氯氣罩；f—金屬層；g—出料孔；h—耐火材料蓋；i—耐火材料中間墻；j—電解液流股；k—交流電極。圖1 電解槽結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of electrolytic cell

1.3 電解槽運(yùn)行中突出問(wèn)題

工藝、設(shè)備問(wèn)題：原料供應(yīng)不穩(wěn)定(無(wú)水氯化鎂水分含量不合格、外購(gòu)的氯化鈉品質(zhì)差等)，出電解槽的水蒸氣冷凝后與氯氣反應(yīng)生成鹽酸和次氯酸，致使設(shè)備、管道腐蝕。其次，水蒸氣進(jìn)入布袋除塵器，影響布袋除塵器的效率。另外，在電解過(guò)程中鎂電解槽不可避免地產(chǎn)生槽渣(主要成分MgCl2、NaCl、CaCl2、MgO、Mg等)，槽渣累積到一定程度后會(huì)淹沒(méi)交流加熱電極，影響電解槽的溫度控制，甚至導(dǎo)致死槽，嚴(yán)重影響電解槽的使用壽命。電解槽系統(tǒng)密封不嚴(yán)時(shí)，空氣中的氧氣與石墨陽(yáng)極反應(yīng)，加快陽(yáng)極消耗。石墨陽(yáng)極是電解槽運(yùn)行時(shí)消耗的重要核心部件(圖2為石墨陽(yáng)極)，其成本高，直接影響著電解槽的技術(shù)指標(biāo)。

圖2 2018年檢修期間的石墨陽(yáng)極Fig.2 Graphite anodes during maintenance in 2018

電能消耗問(wèn)題：工作電流調(diào)整頻繁，電解質(zhì)組成失衡，導(dǎo)致電解質(zhì)熔點(diǎn)過(guò)高的氯化鈉析出，后期又難以熔化，形成大量無(wú)法清理的硬渣，使電流效率下降。與此同時(shí)，電解槽保溫消耗電量不產(chǎn)出鎂產(chǎn)品，增加了能耗輸出。電解槽溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)、電磁場(chǎng)是影響電解槽正常運(yùn)行與壽命的主要因素。電流強(qiáng)度增加，電解槽三場(chǎng)問(wèn)題突出，對(duì)電極工作狀態(tài)和電解槽運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。

1.4 解決措施

嚴(yán)格控制進(jìn)入電解槽原輔料的水分符合工藝指標(biāo)要求，完善電解槽、雷德勒輸送機(jī)等設(shè)備的系統(tǒng)密封性，解決大型石墨陽(yáng)極處理技術(shù)，降低陽(yáng)極成本，有效延長(zhǎng)石墨陽(yáng)極使用壽命，并使電解槽能量平穩(wěn)、降低電解槽能耗。

2 鉀堿裝置

2.1 電解原料及產(chǎn)品介紹

鹽湖鎂業(yè)的鉀堿裝置采用日本某公司設(shè)計(jì)的8臺(tái)電解槽。該裝置用鹽湖鎂業(yè)的精制氯化鉀制得粗鹽水，經(jīng)過(guò)陶瓷膜一次精制和螯合樹(shù)脂塔二次精制，送入離子膜電解槽，電解槽排出的堿液經(jīng)過(guò)蒸發(fā)獲得高純氫氧化鉀固堿，片堿成品包裝后銷售。電解聯(lián)產(chǎn)的氫氣送往氯氫合成；氯氣送到30萬(wàn)t/a和50萬(wàn)t/a PVC裝置生產(chǎn)聚氯乙烯。

2.2 電解槽設(shè)計(jì)原理

電解槽應(yīng)用了離子膜電解專利技術(shù)，K+可由陽(yáng)極室通過(guò)離子膜滲透至陰極室，而Cl-、OH-均不能通過(guò)離子膜，從而得到高純度的KOH。每臺(tái)電解槽由數(shù)個(gè)單元槽、離子交換膜以及附件組成。單元槽由金屬陽(yáng)極、活性陰極、陽(yáng)極室、陰極室組成；附件由陽(yáng)極液和陰極液進(jìn)料總管及軟管、電解液排出總管及軟管、電解槽兩端與固定導(dǎo)電銅排連接用的撓性電纜、防止電氣腐蝕保護(hù)裝置等組成(離子膜法電解原理如圖3所示)。經(jīng)電解，陽(yáng)極室產(chǎn)生的約 85 ℃濕氯氣經(jīng)洗滌、加壓、冷卻、硫酸干燥后送至界區(qū)外；陰極室產(chǎn)生的氫氣和氫氧化鉀溶液混合物通過(guò)軟管排出到陰極液出口總管，并在總管中分離成氣體和液體。

圖3 離子膜法電解原理圖Fig.3 Schematic diagram of ion-exchange membrane electrolysis

KCl鹽水進(jìn)入電解槽后電離為K+和Cl-，K+可通過(guò)膜滲透至陰極室,總反應(yīng)為：

2KCl+2H2O=2KOH+Cl2↑+H2↑。

影響電解槽操作的主要因素有槽溫、陰陽(yáng)極液濃度、陽(yáng)極液pH值及電流密度等。

2.3 電解槽運(yùn)行中典型問(wèn)題

鉀堿電解裝置在運(yùn)行過(guò)程中，由于原鹽中雜質(zhì)離子過(guò)多，無(wú)機(jī)膜頻繁發(fā)生堵塞及破裂事故，導(dǎo)致鹽水品質(zhì)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)氯堿行業(yè)電解槽運(yùn)行情況，離子膜使用周期大于4年就要更換，超過(guò)年限的膜各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)就不正常了。同時(shí),電解槽的密封墊壽命也到期，電解槽墊片可能發(fā)生泄漏。由于鉀堿裝置是PVC裝置的配套裝置，為平衡裝置之間氯氣負(fù)荷問(wèn)題，電解槽頻繁停車、升降電流，造成離子膜表面出現(xiàn)鼓泡，加速了其老化。在這種運(yùn)行狀態(tài)下,電解槽機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度下降、電壓升高，會(huì)造成電流效率下降等，使得直流電耗升高(設(shè)計(jì)直流電單耗1 600 kW·h/a，2019年實(shí)際直流電單耗高達(dá)1 803 kW·h)/a。

2.4 解決措施

電解槽是鉀堿裝置中的關(guān)鍵設(shè)備。為了保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,首先要保證原料及公用介質(zhì)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。離子膜法制堿技術(shù)中，保證鹽水品質(zhì)才能提高陽(yáng)離子中氯化鉀濃度。氯離子越多，越抑制副反應(yīng)的發(fā)生，避免造成電解槽電流效率下降、直流電耗升高。同時(shí)，更換壽命到期的離子膜，為電解槽穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造良好的操作條件。

3 結(jié)語(yǔ)

電解槽在化工行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用較廣泛,也是氯堿行業(yè)中的常見(jiàn)重要設(shè)備。金屬鎂園區(qū)內(nèi)2套裝置的電解槽雖運(yùn)行原理不同,但運(yùn)行中存在的問(wèn)題最終都是為節(jié)省能耗而提高電解槽電流效率、降低槽電壓。 嚴(yán)格控制進(jìn)入電解槽鹽水的品質(zhì)是首要條件，優(yōu)化工藝、改進(jìn)設(shè)備選型、加強(qiáng)電解槽維護(hù)與管理是電解槽運(yùn)行的必經(jīng)之路，以使電解槽連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。