離子膜電解槽的最佳換膜時機

王 宏

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

離子膜電解槽的最佳換膜時機

王 宏

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

介紹了離子膜電解裝置中離子膜的經濟使用壽命，分析計算了更換離子膜的最佳時機。合理確定離子膜換膜時間，有利于離子膜制堿能源利用效率的提高，降低生產成本。

離子膜電槽；經濟壽命；分析計算

1 離子膜經濟壽命

決定離子交換膜的使用壽命主要有2個方面，一是離子膜是否遭到機械損害；二是離子膜的技術經濟性能。離子膜的技術經濟性能主要指電流效率和膜電壓。隨著使用時間的延長，電流效率逐步變低，膜電壓也出現一定的增長，當二者變化到一定程度時，離子膜再繼續使用，噸堿電耗將過高，此時，應該更換離子膜。

目前，國內一些氯堿企業以膜的電效低于93%為換膜的標準，有一定的根據，但從經濟角度來講，并不十分準確。電價高的企業可能需要在電效為93%(甚至高于93%)時進行更換，但電價較低的企業在電效為93%時，可能還不需要更換。這就要求對離子膜的經濟使用壽命進行較為準確的測算。

由于新膜和舊膜的工藝控制 (如加酸量和進口酸度等)有差異，同時，為了減少停車次數，氯堿企業離子膜的更換一般都是整臺更換。因此，確定離子膜的經濟使用壽命需綜合考慮噸堿的離子膜費用、離子膜的技術進步因素、槽密封墊費用、換膜的人工成本、操作電流密度、電耗、電價等因素，根據效益最大化原則，測算出最佳的換膜周期。

離子膜費用、密封墊費用、人工成本等計為換膜費用，該費用隨著離子膜使用周期的延長攤入噸堿費用逐步降低；但電耗費用隨著離子膜使用周期延長攤入噸堿的平均費用逐步上升。噸堿換膜費用下降、電費上升和最佳換膜周期的關系見圖1。

2 離子膜經濟壽命分析

近年來，離子膜生產技術的進步較為明顯，國產離子膜已進入工業化試驗階段，而進口離子膜的價格也大幅下降，特別是日本旭硝子的離子膜價格下降較快，這有利于中國離子膜燒堿的生產以及生產成本的下降，有利于提高離子膜電槽的經濟運行水平和降低生產成本，提高能源的綜合利用效率。

河北盛華化工有限公司加大安全投入項目，6萬t/a離子膜燒堿裝置于2009年3月投入運行，電解槽已經運行3年，折電流密度為5 kA/m2時，交流電耗由開車初期2 098 kW·h/t上升至目前的2 428 kW·h/t（2012年2月電耗值）（初期3個月為試車期，合計運行3年），現通過測算，確定離子膜電解槽最佳的換膜時機，以確保企業效益的最大化。

以該離子膜燒堿裝置A槽為例，分析離子膜經濟壽命變化情況。該電解槽為伍迪公司生產的高電流密度自然循環復極式電解槽，年生產能力為2萬t，單元槽個數為128個/臺。

2009年3月開車并投入使用，2009年6月生產基本正常，到2012年2月為止膜已使用3年，膜的電流效率為93.03%。

2.1 換膜費用及人工成本

（1）換膜費用。每個單元槽換膜備件及膜成本以10 000元計（考慮大部分備件重復使用），則128臺單元槽總費用為128萬元。

（2）人工成本。檢修時間18天，其中拆槽8天，平均每天13人，裝槽10天，平均每天22人，共計324人/天，每人每天工資以100元計，合計32400元。（3）其他管理費用5 000元。以上各項合計131.74萬元。

2.2 噸堿電耗和電費

當地電價按0.5元/kW·h計。從2009年6月至2010年5月，運行時間1年，初期電解電費 （取2009年 5 月和 6 月平均值）為（1 049.20+1 023.95）/2＝1 086.58（元），增加至1 170.95元，噸堿年增加電費1 170.95-1 086.58=84.37（元），單槽年產 2 萬t離子膜堿，年增加電費為：84.37×2＝168.74（萬元）。

從2010年5月至2011年5月，運行時間1年，電解電費從1 170.95元增加至1 203.30元，噸堿年增加電費 1 203.30-1 170.95＝32.35（元），單槽年產2 萬t離子膜堿，年增加電費為：32.35×2＝64.7（萬元）。

按2009年6月至2011年5月運行2年的平均值計算，年平均單臺電槽增加的用電成本為（168.74+64.7）/2=116.72（萬元）。

2.3 下一輪換膜時間的估算

延長離子膜的使用時間，雖然會使換膜成本降低，但噸堿電耗卻增加。當年電費增加總值正好等于當年換膜成本下降總值時，就應該進行下一輪的離子膜更換。

如前述，離子膜更換的總費用為131.74萬元。

假設每年電耗上升速度相等，取兩年的平均電耗增加值為電耗年平均上升速度，單臺槽每年燒堿產量2萬t，最佳更換年限為X，則：

第X年噸堿交流電耗費用比X-1年上升，仍然為58.36元/t，單臺電槽（每臺2萬t）電耗上升降總費用為 58.36×2＝116.72（萬元）；

第X年換膜成本比X-1年下降總值為：131.74/（X-1）-131.74／X，當電耗上升費用和換膜成本下降相等時，即：131.74/（X-1）-131.74/X=116.72

得出：X=1.67（年）即該公司6萬t/a離子膜裝置A槽于2009年6月正常投入生產，下一輪換膜應在2011年3月前后進行。

實際上換膜時間還應考慮以下幾個方面。

（1）需要根據企業的氯氣平衡情況做適當的調整，考慮在氯氣有余的時候更換。

（2）需要根據產品的效益情況做適當的調整，考慮在產品效益較差的時候更換。

（3）需要根據離子膜技術技術進步情況做適當的調整，如推出了電壓更低的或是更經濟的離子膜，則換膜時間應適當提前。

（4）需要根據電流密度情況做適當的調整，如運行電流密度低時，可適當推遲，否則相反。

3 結論

由于離子膜制造技術的進步及離子膜售價的大幅降低，使得離子膜電解槽更換離子膜的周期變短，從而降低了離子膜堿的綜合能耗，使得能源成本在離子膜燒中所占的比重將逐步降低，有利于全行業的技術進步。

離子膜燒堿生產企業在離子膜制造技術進步及離子膜售價的大幅降低的情況下，要不斷提高離子膜電槽的管理水平，加強工藝技術的控制，延長膜的使用壽命，增加企業的經濟效益。

總之，要綜合考慮，確定最佳的換膜時間。

Best timing for replacement of membrane of ion-exchange membrane electrolyzer

WANG Hong
(Hebei Shenghua Chemical Industry Co.,Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)

Introduced the economic life of the ion-exchange membrane in manufacture of ion-exchange membrane alkaline.Analyzed and calculated the best time to be replaced ion-exchange membrane in our company.The drop in market price of ion-exchange membrane causes changing ion-exchange membrane time ahead of time,improves energy utilization efficiency in manufacture of ion-exchange membrane caustic soda and reduces the production costs.

ion-exchange membrane electrolyzer;economic life；analysis and calculation

TQ114.26

B

1009－1785(2012)10-0005-02

王宏（1968年—），男，高級工程師，1993年畢業于河北工學院（現河北工業大學）化學工程系，現于河北盛華化工有限公司從事能源管理工作。

2012-05-17