電解槽開車的操作要點

申強，蘇亞玲

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團股份有限公司(以下簡稱“北元化工”)現(xiàn)配套有80萬t/a燒堿生產(chǎn)裝置，分為A，B，C，D 4條生產(chǎn)線。該公司氯堿生產(chǎn)依托24臺進口高電流密度自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽，每臺電解槽配有200個單元槽。受操作因素、原料品質(zhì)、開停車次數(shù)及整體環(huán)境的影響，電解槽的性能逐漸下降。為此，北元化工專門成立電解槽技術(shù)攻關(guān)小組,從工藝、設(shè)備、操作、質(zhì)檢等方面研究突破，最大限度地保障及延長單元槽的高效運轉(zhuǎn)。單元槽的初始投運，對整體系統(tǒng)的控制至關(guān)重要。下面從電解槽的運行原理談起，對投運操作提出若干建議。

1 離子膜電解原理

在離子膜法生產(chǎn)工藝中，選擇性滲透的陽離子交換膜安裝在陽極半殼和陰極半殼之間。陽極室的鹽水溶液電離成Na+和Cl-。Cl-在陽極室失去電子生成氯氣，Na+在直流電的作用下通過離子交換膜遷移到陰極室；陰極室的水電離成H+和OH-，H+在陰極得到電子生成H2，陽極遷移過來的Na+與陰極的OH-結(jié)合生成NaOH[1]。

2 電解槽投運操作控制要點

新電解裝置或者離子膜更換后的投運，是對化工操作員和指揮員的考驗，務(wù)必仔細(xì)鉆研每一步操作，維護設(shè)備的最佳狀態(tài)。稍有操作不當(dāng)，電解槽的性能控制將大打折扣，而且日積月累，在產(chǎn)能和消耗上，也將是永久性的創(chuàng)傷。

2.1 做好膜試漏和槽打壓

受離子膜性能的影響，單元槽組裝完成后要及時進行膜試漏工作，一旦執(zhí)行不到位，投運后極大可能發(fā)生氯內(nèi)含氫超標(biāo)，離子互串導(dǎo)致陰陽極半殼腐蝕，氯酸鹽等副反應(yīng)產(chǎn)物增多[2]。北元化工將壓力控制在3.8～4.0 kPa，持續(xù)時間在10 min左右。測試溢流時間一般以2 min為宜，時間較長或較短，說明離子膜本身存在缺陷，須立即更換離子膜。正常只做1次系統(tǒng)膜試漏和槽打壓，次數(shù)過多，對離子膜的傷害不可估量。若出現(xiàn)單元槽泄漏，只針對PTFE的平面墊片和自帶粘膠發(fā)泡的軟墊片進行檢查和對膜進行試漏試驗，禁止重復(fù)打壓試漏。組裝投運的單元槽進行打壓時，重點檢查密封面的緊固情況，肥皂泡是最佳的檢測試劑。

2.2 嚴(yán)格控制堿液濃度

適當(dāng)提高堿液的濃度，離子膜的含水率降低，離子膜的交換容量變大[3]。但隨著氫氧化鈉濃度的繼續(xù)升高，由于OH-的反滲透作用，離子膜中的OH-濃度也增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定濃度時，離子膜中的OH-濃度起決定性作用[1]。特別是對新組裝投用的離子膜而言，NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每上升1%，槽電壓就會上升0.014 V，并且OH-反滲透到陽極側(cè)，會與陽極液中溶解的氯發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致電流效率明顯下降，同時使氯中含氧體積分?jǐn)?shù)升高。電解槽要求新膜投用注液之前，調(diào)整系統(tǒng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)至30%～30.5%，全部輸送至蒸發(fā)工序。3天后，在24 h內(nèi)逐步將堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至32%～32.5%，并隨時關(guān)注各項指標(biāo)的變化情況，使離子膜得到最大保護。

2.3 嚴(yán)格控制注液濃度

電解槽檢測正常后，進入注液環(huán)節(jié)，因是離子膜的初始投運，為充分保障離子膜的電流效率，使聚合物得到擴展，增強纖維能夠膨脹，水的傳導(dǎo)就顯得至關(guān)重要，進槽鹽水的濃度務(wù)必不能太高。杜邦離子膜要求鹽水質(zhì)量濃度在260～280 g/L；旭化成和旭硝子離子膜要求鹽水質(zhì)量濃度在230～240 g/L。鹽水濃度太低，水和Na+結(jié)合太多，陰極室OH-發(fā)生反滲透，離子膜會嚴(yán)重起泡、分離，直到永久性損壞，導(dǎo)致電流效率下降[2]。鹽水濃度太高，離子膜得不到充分的浸潤，孔隙率較高，水遷移能力下降，膜電阻也會增大，結(jié)晶物的出現(xiàn)會增多，不利于離子膜的保護。生產(chǎn)中一般通過陽極液中NaCl的質(zhì)量濃度分析調(diào)整進槽鹽水的流量或濃度，初期質(zhì)量濃度一般以190～210 g/L為宜，但不得低于170 g/L。

2.4 嚴(yán)格控制槽溫

新裝置投運，電槽溫度偏低，離子膜內(nèi)的—COO—與Na+結(jié)合，生成—COONa+，使離子交換容量下降。同時，陰極側(cè)的膜因得不到水和Na+而脫水，其結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的改變，對OH-反滲透的阻力減弱，從而造成電流效率下降。以后即使提高溫度，離子膜的性能也難以恢復(fù)。陰極側(cè)離子膜的孔隙減小，阻礙Na+的遷移率，電流效率影響較大，槽電壓會上升。一般要求溫度不低于65 ℃。槽溫每下降10 ℃，槽電壓會上升50～100 mV。但槽溫不能太高，如果高于92 ℃，會產(chǎn)生大量水蒸氣而使槽電壓升高。因此在生產(chǎn)中為降低槽電壓，根據(jù)電流密度，控制槽溫在80～88 ℃之間。在運行過程中禁止出現(xiàn)進料鹽水和堿液溫度的突然大范圍波動，一般通過陰陽極板式換熱器進行控制。北元化工開車期間陰極側(cè)比陽極側(cè)溫度高2 ℃，后期按電解槽制造商公司要求將差距拉至10 ℃。送電后，3.8 kA時(根據(jù)實際槽溫)將單槽堿并入系統(tǒng)，通過鹽水控制槽溫，此時，新電解槽槽溫大約82 ℃。

2.5 做好電解槽的低性能測試

所謂的電解槽的低性能測試包括多部分內(nèi)容：檢查氯氫壓力(根據(jù)電解槽的型號控制)及壓差；保證不平衡電壓不高于1.5 V，電壓變化率不高于2%；檢測槽電壓(V最大值-V平均值≤150 mV，V最小值-V平均值≤150 mV)；保證氯氣純度≥80%，氯內(nèi)含氫體積分?jǐn)?shù)≤0.1%，氯內(nèi)含氧體積分?jǐn)?shù)小于2%。電解槽裝置投運前期，置換的氮氣量較大，很大程度會引起氣體指標(biāo)不合格。特別是氯內(nèi)含氧體積分?jǐn)?shù)，如果其他數(shù)據(jù)的分析正常，含氧范圍可適當(dāng)?shù)姆艑?，但不得高?%。如果正負(fù)極銅排絕緣不夠良好，有漏電現(xiàn)象，母排不對稱電壓便會呈現(xiàn)出一個很大的母排不對稱電壓，達(dá)到±120 V時便會聯(lián)鎖整流停車，故母排不對稱電壓意義也很重大。電解槽的低性能測試是綜合評定電解槽是否具備投入系統(tǒng)運行的關(guān)鍵性操作，各生產(chǎn)控制人員要充分考慮各要素對電解槽和離子膜的影響。

離子膜電解槽低負(fù)荷性能測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 離子膜電解槽低負(fù)荷性能測試數(shù)據(jù)表

2.6 密切關(guān)注槽電壓的變化

槽電壓就是電解槽的心臟，在燒堿的生產(chǎn)成本中占比很大。降低電耗，首先就要從降低槽電壓入手。槽電壓主要由5部分組成(理論分解電壓、離子膜電壓降、金屬導(dǎo)體電壓降、溶液歐姆電壓降、電解質(zhì)電壓降)。電廠發(fā)出的電為正弦交流電，經(jīng)過整流處理后為直流電，故電解槽中間為零電勢，理論上前半?yún)^(qū)槽電壓與后半?yún)^(qū)相等，但實際上永遠(yuǎn)不可能相等[3]。通過槽電壓數(shù)據(jù)的變化，也可直接或間接的反映出燒堿濃度、陽極液濃度、陰陽極循環(huán)量、溫度、鹽水質(zhì)量、電解槽壓力和壓差、陽極液pH等指標(biāo)的變化。當(dāng)電流升至10 kA，保持穩(wěn)定運行48 h，運行48 h后，逐步提至滿負(fù)荷。每提1 kA電流，穩(wěn)定1 h后，開始測量現(xiàn)場槽電壓，同時，聯(lián)系中控取樣分析氣體，當(dāng)數(shù)據(jù)均收集完成后，再開始提電流。

2.7 做好滿負(fù)荷的性能測試

離子膜電解槽滿負(fù)荷性能測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 離子膜電解槽滿負(fù)荷性能測試數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語

電解槽裝置的正確投運，能保證以后的生產(chǎn)穩(wěn)定運行，發(fā)揮最大的生產(chǎn)效益，規(guī)避生產(chǎn)事故的發(fā)生。隨著科技的進步，離子膜電解槽也在不斷更新?lián)Q代，電解槽特性或生產(chǎn)方式的調(diào)整改變，必然帶來新的挑戰(zhàn)，我們需要不斷的研究摸索，為化工安全生產(chǎn)保駕護航。