電解海水制氯系統(tǒng)的研究和優(yōu)化

裴長運,,

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院,北京 100095；2.菏澤趙樓電廠,山東 菏澤 274000）

電解海水制氯系統(tǒng)的研究和優(yōu)化

裴長運1,李 冬1,常文強2

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院,北京 100095；2.菏澤趙樓電廠,山東 菏澤 274000）

針對常規(guī)電解海水制氯系統(tǒng)運行中的問題：系統(tǒng)穩(wěn)定性差、結(jié)垢和酸洗較多，溶液中有氣泡，提出了系統(tǒng)優(yōu)化方法，并從海水過濾器、電解槽和酸洗設(shè)備三個方面進行了比較研究。運行結(jié)果表明：常規(guī)系統(tǒng)中增加次氯酸鈉回路、中間排氫和設(shè)置底部排污，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，能耗和結(jié)垢減少，酸洗周期延長。設(shè)備比較結(jié)果表明：海水過濾器選用自動反沖洗過濾器，過濾效果好；復極式電解槽比單極式電解槽性能更優(yōu)越、性價比更高

電解海水制氯；系統(tǒng)優(yōu)化；復極式電解槽 ；電極清洗

1 工作原理

電解海水制氯技術(shù)是利用電解海水產(chǎn)生強氧化性的有效氯，來殺死或擊暈海生物和海生物的孢子、幼蟲等，從而防止冷卻水系統(tǒng)附著海生物。目前，這種技術(shù)被廣泛應用于海水作為冷卻水的工業(yè)，如濱海電廠、濱海核電站、化工廠、船舶、煉鋼廠、煉鋁廠等。

有效氯是指HClO、ClO- 和Cl2，它們由以下電化學反應式產(chǎn)生：

除以上主反應外，同時還存在副反應 : Mg2++2OH- → Mg (OH)2；Ca2++2OH- → Ca (OH)2；Mn2++2OH- → Mn (OH)2等。

從反應式1～4可以看出，要想反應不斷進行，必須排出氫氣，減少溶液中氫氣含量，同時抑制副反應，去除鹽類沉積物，提高主反應的進行，促進有效氯的生成。

2 系統(tǒng)的問題及優(yōu)化

目前，在運行的常規(guī)電解海水制氯系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 常規(guī)電解海水制氯系統(tǒng)圖

現(xiàn)場運行中發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)有以下幾個問題：

（1）當進水流量變化時，電解槽的進液流量也隨之變化，容易引起反應狀態(tài)變化，電解效率降低。

（2）當進水所含組分發(fā)生變化，如有機物增多，鈣鎂鹽類增多時，降低了電解槽的電流效率和有效氯的含量，同時增重了電解槽的污染。

（3）電解槽內(nèi)結(jié)垢較多，容易降低電流效率，損壞電極，酸洗次數(shù)增多，酸洗時間縮短。

（4）電解液中的氣泡增加了電解液的電阻壓，從而使槽電壓升高，電解效率下降，電耗增加。

分析發(fā)現(xiàn)，電阻和沉積物的增加，降低了電流效率，增加了酸洗次數(shù)，縮短了運行時間，要解決這個問題，必須減少結(jié)垢和溶液中氫氣含量。而對于系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，可以改變進水組成，讓一部分產(chǎn)水回流來增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

因此，采取以下3個措施，來減少上述問題：

（1）增加一個循環(huán)回路。從加藥泵的出口引一部分次氯酸鈉溶液回流到自動反沖洗過濾器的出口。

（2）電解槽進口管道上，靠近電解槽入口位置，設(shè)置一個低位排污收集點。低位排污點使進水中的固體沉降到低位，通過排污排除高含固量水，減少電解槽中沉淀物含量。

（3）增加中間除氫設(shè)備，降低電解液中含氫量，促進電解反應的進行。

增加以上措施后，系統(tǒng)流程改為圖2所示：

圖2 電解海水制氯優(yōu)化系統(tǒng)圖

圖2中，增加次氯酸鈉循環(huán)回路，一方面使海水中的固體成分（Ca, Mg）在脫氣槽內(nèi)與電解液預先接觸形成氫氧化物（堿），從而防止在電解槽內(nèi)結(jié)垢，延長電極清洗周期；另一方面，回流的溶液使電解槽內(nèi)部反應狀態(tài)更穩(wěn)定，受進水影響小。

增加除氫系統(tǒng)后，電解液中的氫氣被及時除去，有利于反應不斷向右進行。

我們在廣東某電廠電解海水制氯設(shè)備上進行了試驗。2×90kg/h出力的電解海水制氯設(shè)備，原采用圖1系統(tǒng)，電極結(jié)垢問題較重，酸洗次數(shù)較多，在增加循環(huán)回路后，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，酸洗次數(shù)由每月一次減少到半年一次。同時，沒有增加中間除氫設(shè)備之前，在電解槽中可以看見氣泡，增加中間除氫后，幾乎見不著氣泡，降低了電解電阻，提高了電流效率。

3 電解設(shè)備的選擇和比較

電解海水制氯系統(tǒng)優(yōu)化后，決定電解效率、運行效果的是設(shè)備，選擇不同的設(shè)備，電解效率、能耗、投資和運行效果也有很大差異。

從圖2，我們可以看出，系統(tǒng)中設(shè)備有：海水過濾器、電解槽、整流器、次氯酸鈉儲存罐、冷卻裝置、清洗裝置、泵等。核心是電解槽、過濾器和儲罐。

3.1 海水過濾器

海水過濾器選用自動反沖洗過濾器。它利用系統(tǒng)壓差，在不影響過濾情況下，自動完成沖洗過程，使用方便，人工操作少，安全性高，產(chǎn)水水質(zhì)好，能滿足系統(tǒng)運行要求。

運行時，分為過濾和反沖洗兩步：

第一步，過濾。海水從圓筒式濾網(wǎng)內(nèi)部流入，經(jīng)過濾網(wǎng)截留0.5mm以上顆粒。當附著于濾網(wǎng)上顆粒雜質(zhì)增多時，進出口壓差增大，增大到閥值時，系統(tǒng)自動進入第二步--反沖洗。

此時，壓差傳感器啟動反沖洗電機，同時打開排污閥，濾網(wǎng)中的中空轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)，濾過液反向通過濾網(wǎng)，流入轉(zhuǎn)臂允吸口，經(jīng)排污閥排出。反沖洗時過濾仍在進行。

另外，需注意海水之前的預處理，如果預處理效果不好，有機物和大顆粒較多，會增加反洗次數(shù)，縮短過濾網(wǎng)壽命，造成有機物滋生，影響電解效果。

3.2 電解槽電解槽是由陽極、陰極和海水組成。陽極一般使用鈦+涂層，耐腐蝕，使用壽命長（＞5年），陰極使用純鈦，耐腐蝕、不被靜止的次氯酸鈉腐蝕。

電解槽按電極的連接方式，可分為單極式電解槽和復極式電解槽。

單極式電解槽特點是同極性電極與電源并聯(lián)連接，電極兩面的極性相同，如圖3所示。而復極式電解槽兩端的電極分別與電流的正負極連接，當電流通過時，一個長電極板分成很多的小電極，一面為正極，一面為負極，組成多個雙電極，如圖4所示。

圖3 單極式電解槽

圖4 復極式電解槽

目前，我國兩種電極槽都有使用，單極式電解槽出現(xiàn)較早，技術(shù)成熟，使用較多，核電中90%使用單極式電解槽，火電也超過60%，而復極式電解槽在我國出現(xiàn)較晚，應用較少。2種電解進行對比，如表1所示：

表1 復極式電解槽與單極式電解槽比較結(jié)果

整流器可設(shè)置多個電解單元，能減小輸出電流，提高電流效率。電流值小，直流電回路導體能做到很細。電解槽數(shù)量設(shè)置有限，整流器的直流電流輸出功率增加電流值大，直流電回路導體粗大。

從表1可看出，單極式電解槽發(fā)展較早，技術(shù)成熟，但設(shè)備簡單但占地大，空間利用率低，經(jīng)濟性差，維護麻煩。而復極式電解槽在這方面優(yōu)勢明顯：電流小，電壓高，結(jié)構(gòu)緊促，占地面積小，投資低，具有良好的維護性。

在廣東某濱海電站，我們進行了比較。

使用單極式電解槽運行，運行狀況如表2所示，運行4年后，發(fā)現(xiàn)部分電解槽銅排泄漏，經(jīng)過技改，使用復極式電解槽，改進后的運行參數(shù)見表2：

表2 單極式電解槽和復極式電解槽運行參數(shù)（月均值）

對比結(jié)果表明，復極式電解槽的電耗比單極式電解槽體積小，占地面積少，重量輕，電流低，需配置的整流電源容量小，電耗低。如此，降低了運行費用，節(jié)約了能源。我們還發(fā)現(xiàn)，單極式電解槽由于螺栓和銅排較多，容易損壞，造成電解液滲漏現(xiàn)象，使電解間有刺激性氣味，而復極式電解槽泄漏點少，電解間干凈，刺激性氣味較少。

因此，建議選擇使用復極式電解槽，來代替單極式電解槽。

3.3 電極的清洗

當電解槽內(nèi)附著的污垢達到一定值后，就需要用5%的鹽酸溶液清洗。電極的清洗是電解制氯設(shè)備運行、維護中的主要問題。

通過清除電極上污垢，來阻止陽極涂層的消耗，保持低電流效率，維持系統(tǒng)的運行。目前，沒有循環(huán)回路的電解制氯系統(tǒng)一般需要1個月清洗一次，一般設(shè)立固定的酸洗系統(tǒng)；而有循環(huán)回路的復極式電解槽半年到一年才清洗一次，每次酸洗時間1小時左右，用量少，酸洗周期長，所以可以設(shè)計成推車式酸洗裝置，方便、實用，還減少了酸泄漏的可能性，有利于保持廠區(qū)的干凈整潔。

同時，可以設(shè)酸洗自動檢測裝置，來實現(xiàn)全自動運行，達到無人值守的目的。當結(jié)垢達到設(shè)定值后，酸洗自動檢測裝置發(fā)生聲光報警，并鎖住發(fā)生器，使之不能工作，必須進行酸洗，只有酸洗完成后，才能解鎖運行。而且，可以設(shè)計為全透明裝置，直接觀看結(jié)垢情況和酸洗效果，防止自動系統(tǒng)的失靈。

4 結(jié)論

（1）對于電解海水制氯系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)穩(wěn)定性差、結(jié)垢和酸洗較多，溶液中有氣泡等問題，找到了3個解決措施，包括增加一個次氯酸鈉回路、增加中間除氫和設(shè)置底部排污。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，電解槽內(nèi)結(jié)垢更少，電流效率更高，能耗更低，可以推廣使用。

（2）海水過濾器選用自動反沖洗過濾器，過濾效果好，操作方便，安全性高，自動反沖洗時，還不影響過濾。 此外，過濾效果與海水之前的預處理息息相關(guān)，預處理效果越好，過濾效果越好。

（3）復極式電解槽與單極式電解槽的對比結(jié)果和工程實踐都表明：復極式電解槽更優(yōu)越，具有很多優(yōu)點，例如：電解效果更好、電流效率更高、電解槽數(shù)量更少、占地面積更小、性價比更高、電極裝卸更簡便。

（4）使用有循環(huán)回路的復極式電解槽后，電極清洗次數(shù)由1次/月變?yōu)?次/6月～1次/年，因此，無需設(shè)固定的酸洗系統(tǒng)，可以使用移動的推車式酸洗裝置來進行酸洗，減少了酸泄漏，使廠區(qū)更干凈、整潔。

[1]李培元.火力發(fā)電廠水處理及水質(zhì)控制[M].北京: 中國電力出版社, 2008（01）.

[2]常愛國.大型電解海水次氯酸鈉裝置在火力發(fā)電廠中的應用[J].東北電力技術(shù), 2002（09）.

裴長運（1986-），本科，山東菏澤人，研究方向：電廠化學。