NCS型離子膜電解槽改型為高電流密度膜極距的總結(jié)

周永衛(wèi)，葛傲，江泳

(浙江巨化股份有限公司電化廠，浙江 衢州 324004)

1 企業(yè)現(xiàn)狀

浙江巨化股份有限公司電化廠(以下簡(jiǎn)稱“巨化電化廠”)離子膜燒堿裝置一直保持較高的生產(chǎn)負(fù)荷，承擔(dān)了整合公司內(nèi)部氯氫資源的平衡、外部燒堿供應(yīng)的重任。其中一期電解槽采用的是日本旭化成株式會(huì)社的ML-232NCS型復(fù)極離子膜自然循環(huán)電解槽(以下簡(jiǎn)稱“NCS電解槽”)，于2001年7月投入生產(chǎn)運(yùn)行，并在2011年上半年(涂層壽命到期)進(jìn)行了膜極距改造[1]。 膜極距改造后，NCS電解槽運(yùn)行至今仍存在以下問題。

(1)單臺(tái)產(chǎn)量低、裝置產(chǎn)值效率低。雖然NCS電解槽已完成膜極距改造，但當(dāng)時(shí)改造除了常規(guī)的檢查維修以外，主要還是以增加彈性極網(wǎng)，降低電壓為主，對(duì)單槽的產(chǎn)能并沒有顯著提升，最高的生產(chǎn)電流密度仍為4.0 kA/m2，還是屬于低密度電解槽范疇，使得整條生產(chǎn)線產(chǎn)能較低，效率低下。

(2)電解槽電極活性涂層喪失，生產(chǎn)消耗高。NCS電解槽自膜極距改造后已連續(xù)運(yùn)行近10年，已超過電極常規(guī)8年的使用壽命，相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示NCS電解槽噸堿電耗約為2 250 kW·h/t，并引發(fā)了例如氯氣純度偏低、電解槽發(fā)熱量大及頻繁檢修等一系列問題。

(3)整流配套設(shè)施運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定下降。NCS電解槽配套的整流機(jī)組均已經(jīng)運(yùn)行了20年左右，設(shè)備存在老化現(xiàn)象，特別是采用的模擬控制技術(shù)，存在著控制精度低、穩(wěn)流效果較差、抗干擾能力較弱等眾多問題，使得整個(gè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性也在持續(xù)下降。

2 改造方案

利用電解槽電極壽命到期需要更新的的機(jī)會(huì)，對(duì)二次鹽水、電解、脫氯(包括后續(xù)的氯處理)等整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體改造：將6臺(tái)普通低電流密度NCS電解槽改造成高電流密度膜極距電解槽，并對(duì)前后配套的管道、整流機(jī)組、機(jī)泵等設(shè)備進(jìn)行整體擴(kuò)容改造，整體改造完成后，6臺(tái)NCS電解槽的整體產(chǎn)能由原來的7萬t/a增至10萬t/a。

2.1 單元槽檢修改造(主要改造內(nèi)容)

改造前NCS電解槽示意圖如圖1所示。

圖1 改造前NCS電解槽示意圖Fig.1 Diagram of original electrolyzer NCS

單元槽檢修改造內(nèi)容如下。

陽極側(cè)：拆除舊陽極網(wǎng)、損壞的犧牲電極、陽極內(nèi)循環(huán)盒。

陽極側(cè)：安裝進(jìn)液分布管(含插入管、側(cè)吸管、鹽水分布管)，筋板間安裝循環(huán)板[2]，上部出液孔內(nèi)安裝消泡器；陽極筋板下部補(bǔ)齊(補(bǔ)充原導(dǎo)流盒位置的筋板)。焊接新陽極網(wǎng)，焊接更換的新犧牲電極。

陰極側(cè)：拆除舊陰極網(wǎng)和彈性體、陰極底網(wǎng)。

陰極側(cè)：安裝進(jìn)液分布管(含插入管、側(cè)吸管、堿液分布管)；安裝新彈性體和新陰極面網(wǎng)。

改造后NCS電解槽示意圖如圖2所示。

圖2 改造后NCS電解槽示意圖Fig.2 Diagram of remodeled electrolyzer NCS

2.2 整流裝置改造

NCS電解槽配套的整流系統(tǒng)(“一拖二”)全面升級(jí)改造：整流變壓器容量由11 500 kVA增加到18 453 kVA，整流柜由11 kA/400 V增加到16.5 kA/600 V，輔助控制器、連接銅牌等都一并進(jìn)行改造。

整流控制器采用DSP的全數(shù)字控制技術(shù)，運(yùn)用邊緣算法，完成整流控制柜的智能控制，實(shí)現(xiàn)底層整流機(jī)組分布式自主智能運(yùn)行。采用離散數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整流機(jī)組升降電流控制，升降電流時(shí)取消按鈕手動(dòng)操作，根據(jù)工藝APC的控制要求，按照一定的速率自動(dòng)升降電解槽電流，并保證電流的平穩(wěn)度。

2.3 其他配套系統(tǒng)改造

由于電解槽改造以后，生產(chǎn)能力提高較多，需要對(duì)前后系統(tǒng)進(jìn)行配套改造。一般情況下，裝置設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)都會(huì)留有一定余量，因此該部分改造每個(gè)工廠需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行核算。

(1)二次鹽水：樹脂塔擴(kuò)容更新，鹽水高位槽位置提高，相應(yīng)的管道改大。

(2)電解系統(tǒng)：陰極液進(jìn)出口總管、支管改大，陽極出口總管改大。

(3)脫氯系統(tǒng)：脫氯塔和真空泵以及配套管道擴(kuò)容改造。

(4)氯處理：氯氣壓縮機(jī)擴(kuò)容改造。

(5)氫處理：氫氣壓縮機(jī)擴(kuò)容改造。

3 改造后電解槽的運(yùn)行情況

巨化電化廠在確定改造方案后，為了降低改造對(duì)生產(chǎn)平衡的影響，改造分階段進(jìn)行，改造周期從2021年4月到2022年1月，一階段先逐臺(tái)完成電解槽的改造，二階段在系統(tǒng)年度大修時(shí)完成整流以及配套系統(tǒng)的改造。改造后電解系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)情況見表1。

表1 NCS電解系統(tǒng)改造前后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of economic indicators NCS electrolysis system before and after remodeling

由表1可以看出：NCS電解槽改造完成后，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)完成情況比較理想，電解槽直流電耗下降十分明顯，而且新型號(hào)的整流裝置投運(yùn)后，效率提高了1.3%，使得整個(gè)項(xiàng)目的節(jié)能效益更加明顯。另外，改造裝置燒堿產(chǎn)能提高了近4.5萬t/a，在創(chuàng)造效益的同時(shí)也有效緩解巨化內(nèi)部公司缺氯壓力。

4 結(jié)語

隨著裝備、制造水平的提升，目前國(guó)內(nèi)廠家的技術(shù)已經(jīng)基本能夠滿足改造需求，但是由于大多數(shù)NCS電解槽基本都使用超過20年，單元槽本身的狀況不佳，是采用改造還是整槽更換需要各個(gè)工廠綜合進(jìn)行考慮。

隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，氯堿作為高能耗裝置，電價(jià)在燒堿成本的占比將不斷提高。隨著工業(yè)峰谷電尖峰與低谷電費(fèi)差價(jià)不斷拉大，燒堿裝置錯(cuò)峰生產(chǎn)模式在今后必然成為常態(tài)，因此，適當(dāng)提高裝置的產(chǎn)能上限，進(jìn)行大幅度的錯(cuò)峰生產(chǎn)，將會(huì)成為一個(gè)重要的成本控制手段。