新型ANC290Z 電解槽技術(shù)研究與應(yīng)用

朱 俊，趙 偉，徐宇翔，楊國華，唐 宏

（1.江蘇安凱特科技股份有限公司，江蘇 無錫 214404；2.寧夏華御化工有限公司，寧夏 中衛(wèi) 751700）

氯堿生產(chǎn)能耗主要集中在燒堿生產(chǎn)中的電解工序，電解工序能耗占燒堿總能耗50%以上。 為實現(xiàn)節(jié)能減排， 有必要開發(fā)節(jié)能型的電解設(shè)備和工藝技術(shù)來降低燒堿裝置總能耗。同時，電解裝備的使用壽命也是關(guān)系到氯堿工業(yè)資源消耗及產(chǎn)出的重要指標，通過技術(shù)創(chuàng)新延長其使用壽命，對節(jié)約資源、減少排放具有重要意義。

1 背景

早期國外某公司在FM-21 單極槽的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種特殊結(jié)構(gòu)型式的復(fù)極槽（以下簡稱國外電解槽），陸續(xù)在氯堿企業(yè)得到運用。 但此類國外電解裝置的結(jié)構(gòu)屬于較早期的設(shè)計， 且為非完全零極距結(jié)構(gòu)，能耗略高。目前大部分該型號電槽已達設(shè)計使用年限，損壞形變問題突出，維修替換更新電槽需返回原廠，不具備經(jīng)濟優(yōu)勢。

江蘇安凱特科技股份有限公司（以下簡稱“安凱特”）是一家擁有多項電解槽自主知識產(chǎn)權(quán)、先進電極涂層技術(shù)和生產(chǎn)工藝的高新技術(shù)企業(yè)， 生產(chǎn)的ANC 系列節(jié)能型氣液強化循環(huán)零極距電解槽經(jīng)中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織鑒定， 整體性能達到先進水平。 安凱特成功研發(fā)了一種可與國外電解槽互換的新型ANC290Z 電解槽。

新型ANC290Z 電解槽能完全匹配國外電解槽系統(tǒng)，在保留原有土建設(shè)施、電氣配置、電解槽框架、工藝參數(shù)及控制模式等不變的前提下， 替換國外單元槽，使裝置增產(chǎn)降耗。

2 電解槽研究

2.1 國外電解槽

國外電解槽為自然循環(huán)高電流密度復(fù)極槽，有效電解面積2.895 m2，設(shè)計操作壓力0～20 kPa，最大可承受電流密度6 kA/m2。 根據(jù)單元槽數(shù)量不同，單臺電槽可分為單框與雙框結(jié)構(gòu)。 該電解槽最大的特點是單元槽能獨立密封， 更換單元槽時可直接換上預(yù)裝好的經(jīng)測試合格的單元槽， 裝置停車維修更換單元時間短，但單元槽易變形，單元槽組裝、拆卸、檢查工序復(fù)雜，操作不便。

2.1.1 工藝控制

國外電解槽通過一根總管向整臺電槽進液，電解液的酸化在總管上完成。

2.1.2 泄漏電流控制

電槽的進出口總管由非金屬材質(zhì)構(gòu)成， 在進出口總管處裝有接地犧牲電極， 電槽單元由進出口軟管連接。

2.2 ANC290Z 電解槽

安凱特研發(fā)的新型ANC290Z電解槽有效電解面積與國外電解槽有效電解面積基本一致， 為零極距自然循環(huán)復(fù)極槽，設(shè)計操作壓力25 kPa，最大可承受電流密度8 kA/m2。 單臺電解槽由陰陽極端框加多片復(fù)極式中框組成，單元槽外形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 ANC290Z電解槽外形

為不改變現(xiàn)有設(shè)計及操作等要求， 對電槽及整體替換方案設(shè)計如下。

（1）電解槽單元尺寸設(shè)計

國外單元槽尺寸為1 220 mm×2 420 mm，單片電槽組裝厚度91 mm， 單臺氣體總管匯入系統(tǒng)氣體總管。為保證電槽內(nèi)部氣體壓力一致，需保持槽內(nèi)氣舉力一致，電解單元槽高度需保持一致，為使有效電解面積相同，單元槽寬度為2 420 mm，但在電槽厚度方面進行了調(diào)整， 陽極腔室由40 mm 降至24 mm，陰極腔室由40 mm 降至15.5 mm， 單元槽總體厚度由91 mm 減小至44 mm，含墊片組裝擠壓厚度約47 mm。雖然ANC290Z 電解槽陰陽極腔室體積大大減小，但陽極鹽水流量與陰極補水流量在同等電流密度下是不變的，根據(jù)法拉第公式可知，在固定電流密度下，電子數(shù)量一定， 單位時間消耗的氯化鈉、 純水量一定，故在同電解面積，同電流條件下，每片單元槽內(nèi)消耗的氯化鈉和純水與電解槽腔室大小無關(guān)。

ANC290Z 電解槽通過Fluent 數(shù)學模型計算，每片單元槽的陰極循環(huán)流量控制在0.26～0.30 m3/h。另外電解槽陰極腔在運行過程中還承擔著熱量傳遞及高濃度堿液快速置換稀釋的工作， 相對較大的陰極流量更有利于裝置的運行，不需隨電流密度同比調(diào)節(jié)。

（2）導電、循環(huán)及氣體分離設(shè)計

ANC290Z 電解槽采用背板貼合焊接的復(fù)極式結(jié)構(gòu)，有效降低電槽之間的接觸電壓。 同時，通過增加導電筋板及電極極網(wǎng)的焊接點數(shù)量， 在結(jié)構(gòu)上保證ANC290Z 電解槽最大可承受8 kA/m2電流密度。在傳質(zhì)、傳熱循環(huán)及氣體分離方面，沿用了安凱特的系列發(fā)明專利技術(shù)。

（3）密封擠壓形式確定

ANC290Z 電解槽是復(fù)極式電解槽，每片電槽之間需要由墊片及擠壓進行密封。 行業(yè)內(nèi)在用擠壓方式主要分為3 種，一種是以旭化成、北化機為代表的油壓機擠壓模式； 一種是氯工程的拉桿加貝式彈片拉緊模式；還有一種是伍德等的頂桿擠壓模式。根據(jù)現(xiàn)場情況分析及三維建模布置， 現(xiàn)場不具備油壓機擠壓條件， 若采用頂緊螺桿模式需對原有頂桿尺寸及電氣連接方式進行改造，不滿足改造初衷，而拉桿密封對原框架基本不需改變，滿足設(shè)計要求。在拉桿設(shè)計過程中創(chuàng)新采用了快速拆卸設(shè)計， 每根拉桿不需要完全拆解即可取下，方便電槽檢維修作業(yè)。

3 電解槽應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

公司燒堿產(chǎn)能25 萬t/a，電槽結(jié)構(gòu)為單臺雙框模式（A/B 區(qū)各71 單元，合計142 單元/臺）。由520 V，18 kA 整流器供電， 公司有豐富的國外電解槽的管理及運行經(jīng)驗，運行負荷穩(wěn)定，隨著電槽已接近使用壽命，電解槽性能下降，需要對電解槽進行極網(wǎng)更換及技術(shù)升級。

2020 年4 月，計劃在一期1# 槽進行技改，確定1# 槽A 區(qū)為ANC290Z 電解槽，B 區(qū)為國外電解槽同槽運行的整體方案。

3.2 可行性分析

3.2.1 現(xiàn)場條件分析

（1）電解槽陰陽極循環(huán)量由對應(yīng)的自動調(diào)節(jié)閥根據(jù)電流同比控制， 單槽的兩進四出物料管線可以與系統(tǒng)完全斷開，陽極系統(tǒng)無淡鹽水回用，電解液酸化由總管加酸控制，具備并線運行條件。

（2）71 單元國外電解槽框架為7 210 mm， 單片單元槽組裝厚度91 mm。按照ANC290Z 電解槽尺寸計算，71 單元國外電解槽擺放位置可擺放142 片ANC290Z 單元槽。

（3）1# 槽整流變輸出能力為520 V，18 kA，足夠170 單元電槽運行。

（4）陰陽極最大循環(huán)流量為45 m3/h。

綜上分析，同時考慮到需留有充分檢修距離，最終以A 區(qū)97 片ANC290Z+B 區(qū)71 片國外電解槽共同運行，B 區(qū)國外電解槽為舊槽零極距改造后的新電槽，參數(shù)對比見表1，改造后效果圖見圖2。

表1 電槽參數(shù)表

圖2 整體三維效果圖

由表1 可知， 技改后電槽單元槽數(shù)量得到顯著增加，電槽具備很強的負荷調(diào)整能力，產(chǎn)能及能耗可以按照實際情況進行系統(tǒng)平衡。

3.2.2 工藝調(diào)整

本次電槽技改方案中A/B 區(qū)單元數(shù)量不等，且兩種電解槽內(nèi)部循環(huán)、進液模式略有不同，為確保供給每片單元槽的鹽水及稀堿液是足量且穩(wěn)定的，從安全及數(shù)據(jù)收集角度考慮，將A/B 區(qū)進液改為單獨控制模式，在A/B 區(qū)陰陽極進液總管中間分別增加自動調(diào)節(jié)閥及流量計， 原系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥及流量計控制B 區(qū)國外電解槽，新增的調(diào)節(jié)閥及流量計控制A 區(qū)ANC290Z 電解槽的陰陽極進液。

3.2.3 泄漏電流計算

A 區(qū)新的ANC290Z 電解槽配套的陰陽極進出口總管均由非金屬管改為Ni/Ti 材質(zhì)金屬總管，B 區(qū)國外電解槽陰陽極進口非金屬總管改為Ni/Ti 金屬管，出口總管保持非金屬材質(zhì)。需對單槽的泄漏電流及接地措施重新計算與設(shè)計。

泄漏電流主要由液體柱、 金屬管本體兩個途徑流動， 在泄漏電流流進及流出的金屬管材位置會將當前位置的金屬材料充當陰極或陽極放電， 使金屬材料快速腐蝕。若沒有合適的保護措施，在系統(tǒng)管道接地等部位也會因泄漏電流而發(fā)生電化學腐蝕。 通過對60 片單元槽模型的泄漏電流進行分級及矩陣計算，重新制定防腐措施，增加了進出口總管管口內(nèi)壁犧牲電極網(wǎng)、進出口總管管嘴內(nèi)壁犧牲電極、電槽陰陽極進出口犧牲電極、管路斷電器及接地設(shè)施等。

3.3 項目實施（陰陽極相同）

（1）在單槽進液總管（一樓位置）斷開，增加一個三通接口，將一路進液分為兩路進液，在每路管線上增加帶有接地環(huán)的非金屬短節(jié)， 與原總管接地線合并后接地，見圖3。

（2）分別在A 區(qū)陰陽極進液管上增設(shè)自動調(diào)節(jié)閥及流量計，信號傳送至DCS，與原系統(tǒng)合并控制。

（3）電槽二樓陰陽極進液總管中間三通處增加一個三通，兩個三通之間加裝串通閥，閥門兩端由跨接線纜串連。

（4）一樓至二樓進液管線分別與兩只三通連接，實現(xiàn)A/B 區(qū)單獨供液與調(diào)節(jié)，A 區(qū)陰陽出口總管增加單獨的堿、淡鹽水、氯氣、氫氣取樣口，并在A 區(qū)出口陰陽極總管做電化學腐蝕處理。

3.4 開車及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過50 天的制造及現(xiàn)場安裝，2020 年8 月7日1#槽順利開車，見圖4。開車步驟完全按照原國外電解槽開車步驟進行，控制電槽氯氣壓力18 kPa，氯氫壓差1.7 kPa，出槽鹽水pH 值為4.5，出槽鹽水濃度210～220 g/L， 堿濃度 （32±0.5）%， 離子膜型號為N2050。

圖3 管道連接圖

圖4 ANC290Z電解槽安裝完成圖

3.4.1 開車數(shù)據(jù)

2020 年8 月7 日，電槽通電開車，電槽運行情況完全達到設(shè)計預(yù)期，氯氣純度、堿濃度、淡鹽水濃度快速合格，與B 區(qū)同臺運行的國外電解數(shù)據(jù)見表2。

從表2 可以看出，在同樣的電流條件下，兩種電槽電壓均有一個先升后降的過程，最終ANC290Z 電槽平均運行電壓維持在2.945 V，明顯低于國外電解槽新零極距改造后的3.005 V， 平均差值以60 mV計，運行槽溫相差3 ℃左右，兩種槽型的氯氣純度及堿濃度基本一致，說明A 區(qū)的電解性能較B 區(qū)好，若整臺均為ANC290Z 電解槽，在提高運行槽溫至84 ℃時，ANC290Z 電解槽具有的能耗優(yōu)勢會更加突出。

3.4.2 運行數(shù)據(jù)

運行至2022 年1 月數(shù)據(jù)，見表3。

表2 初期開車運行數(shù)據(jù)

表3 ANC290Z電解槽運行數(shù)據(jù)

表3 表明了ANC290Z 電解槽從開車至今的運行數(shù)據(jù)，電壓上漲平均約40 mV，較國外電解槽60 mV的上漲幅度低，符合電壓上漲的趨勢。

3.5 經(jīng)濟效益

分析該公司國外電解槽運行數(shù)據(jù)可知，單臺電解槽單元槽數(shù)量142 片，設(shè)計運行電流密度5.3 kA/m2，產(chǎn)能2.5 萬t/a。 使用N2050 膜， 在5 kA/m2，90 ℃，32%堿濃度時，單元校正電壓3.04 V（項目新建時全新電槽考核數(shù)據(jù)）。

技改完成后，單元槽數(shù)量為168 單元，增加26 片單元槽， 在運行中可以利用負荷調(diào)整創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，主要體現(xiàn)在以下兩種形式。

3.5.1 維持單槽產(chǎn)能不變

維持單槽產(chǎn)能2.5 萬t/a不變，運行電流由5.3 kA/m2下降至4.5 kA/m2，單元電壓≤2.85 V（預(yù)估最大值），噸堿電耗下降132 kW·h，年節(jié)約電費165 萬元。

3.5.2 系統(tǒng)總產(chǎn)能不變，單槽產(chǎn)能最大化

維持5.3 kA/m2電流密度運行，年產(chǎn)量2.95 萬t，增加折百堿產(chǎn)量0.44 萬t/a。

4 應(yīng)用后效果

4.1 效果分析

ANC290Z 電解槽在國外電解槽上的成功運行，表明此種改造技術(shù)是安全可行的。ANC290Z 電解槽研發(fā)成功帶來的效果主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

（1）技改費用回收快。 通過對能耗及產(chǎn)量的計算，綜合改造的投資費用可通過電費、產(chǎn)量等快速回收，且投資回收期較短。

（2）隨著氯堿技術(shù)的進步，在相同離子膜及相同鹽水條件下， 國內(nèi)外的離子膜電解槽的性能已基本接近。

（3）在企業(yè)電解槽壽命到期，單元槽必須進行更換時，既可做到和原廠一樣僅替換單元槽，又在新單元槽的選擇時避免了單一來源。

（4）相同投資的情況下，國產(chǎn)化裝置具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢，可獲得更多單元槽，且現(xiàn)有條件允許多的單元槽投入生產(chǎn)，得到更大的產(chǎn)能。

（5）安凱特公司能為氯堿客戶提供第一時間的服務(wù)和解決客戶問題的能力。

4.2 效益評估

ANC290Z 電解槽已穩(wěn)定運行一年半以上，取得效果如下。

（1）電槽開車至今未出現(xiàn)任何不良狀況。設(shè)備運行安全，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）安凱特ANC290Z 電槽與國外電解槽比電壓低，性能穩(wěn)定，具有經(jīng)濟效益及投資回收短等優(yōu)勢。

（3）電槽現(xiàn)場技改用時2 天，整體換膜加換槽工作在7 天內(nèi)完成并通電開車，改造周期短。

5 結(jié)語

安凱特公司通過ANC290Z 電解槽的研發(fā)及應(yīng)用，使氯堿客戶既取得良好的經(jīng)濟效益，又取得了良好的社會效益，有很好的推廣價值。