離子膜電解鹽水精制優(yōu)化控制改造

張少云

（江蘇安邦電化有限公司，江蘇 淮安 223002）

1 離子膜電解鹽水存在的問題

在離子膜電解制堿過程中，每噸折百燒堿約產(chǎn)生7.2 m3淡鹽水，離子膜電解產(chǎn)生的淡鹽水需要鹽水工序進(jìn)行平衡。鹽水工序需要最大量地消化離子膜電解槽來的脫氯鹽水和本系統(tǒng)壓濾來的濾液，這種物料的平衡將在很大程度上影響到堿產(chǎn)品的鹽耗。離子膜技術(shù)對(duì)鹽水的質(zhì)量提出了更苛刻的條件，例如要求進(jìn)樹脂塔前的SS 要小于1×10-6、Ca2+/Mg2+要小于5×10-6、pH 值控制在9～10、不含有機(jī)物、不含游離氯等要求，因此，對(duì)鹽水過程的傳統(tǒng)工藝及自動(dòng)控制都提出了改進(jìn)的要求，否則將會(huì)造成一系列的嚴(yán)重后果如離子膜電解槽效率的降低、樹脂塔螯合樹脂破碎導(dǎo)致的消耗增加等等。

江蘇安邦電化有限公司離子膜鹽水工序分為化鹽和一次鹽水。化鹽工藝過程中主要存在如下幾個(gè)問題。

（1）關(guān)鍵的一些過程參數(shù)沒有監(jiān)控，如粗鹽水、精鹽水的pH 值等；

（2）化鹽的連續(xù)性不好，鹽層控制隨意性大，這將造成NaCl 濃度的波動(dòng)；

（3）化鹽水的配制除了進(jìn)行溫度控制外沒有其他自動(dòng)操作，化鹽水的質(zhì)量波動(dòng)（如含堿量）比較大；

（4）加壓容氣罐壓力沒有控制，壓力波動(dòng)范圍較大，這是造成預(yù)處理器返渾的重要原因之一；

（5）精鹽水的pH 值控制為手動(dòng)，波動(dòng)范圍較大；

（6）現(xiàn)在所用的計(jì)算機(jī)為西門子300系列PLC，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)學(xué)模型上受限制等等。

離子膜一次鹽水工序主要存在的問題有：

（1）粗鹽水游離氯含量穩(wěn)定性差；

（2）預(yù)處理器三氯化鐵加量多了造成離子膜電解槽陽極軟管發(fā)紅，不加預(yù)處理器上浮效果不好；

（3）兩堿過堿量控制不好，導(dǎo)致鈣鎂離子超標(biāo)；

（4）游離氯控制不穩(wěn)定，易造成硫酸鈉加入超量導(dǎo)致進(jìn)槽鹽水中硫酸根超標(biāo)及游離氯含量超標(biāo)，導(dǎo)致樹脂塔內(nèi)樹脂破碎，使樹脂消耗量額外增加，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致樹脂塔底部過濾層尼龍網(wǎng)及進(jìn)入精鹽水高位槽前的樹脂捕集器尼龍網(wǎng)發(fā)脆破裂，使樹脂泄漏進(jìn)入電解槽。改造方案如下。

（1）實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)上鹽，杜絕化鹽桶鹽層高度忽高忽低造成的鹽水濃度波動(dòng)；

（2）在線顯示過堿量（NaOH），實(shí)現(xiàn)化鹽水和粗鹽水的過堿量全自動(dòng)優(yōu)化控制，使其過堿量控制精度達(dá)到R±0.1～0.15 g/L；

（3）實(shí)現(xiàn)加壓溶氣罐的壓力高精度控制，使其壓力波動(dòng)不超過0.01 MPa，極大地穩(wěn)定預(yù)處理器的運(yùn)行；

（4）實(shí)現(xiàn)膜過濾設(shè)備控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制；

（5）實(shí)現(xiàn)精鹽水pH 值的高精度控制，使pH 值的波動(dòng)不超過0.1，這對(duì)離子膜電解將產(chǎn)生重要影響。

針對(duì)一次鹽水工序，采用下列控制方案：

（1）粗鹽水泵采用變頻控制，與前反應(yīng)桶液位保持連鎖，保持液位控制在55%；

（2）兩堿采用調(diào)節(jié)閥控制，在化驗(yàn)的基礎(chǔ)上保持相對(duì)穩(wěn)定的控制值；

（3）加壓溶氣罐空氣壓力及鹽水液位均采用調(diào)節(jié)閥控制，保持壓力穩(wěn)定在0.2 MPa，液位保持在22%；

（4）游離氯采用調(diào)節(jié)閥控制，與ORP 連鎖，保持為負(fù)值；

（5）進(jìn)入精鹽水貯槽的精鹽水加酸采用調(diào)節(jié)閥控制，保持pH 值為9～10。

2 鹽水過程控制優(yōu)化

鹽水優(yōu)化控制方案分成4部分：化鹽水質(zhì)量?jī)?yōu)化控制子系統(tǒng)、粗鹽水質(zhì)量?jī)?yōu)化控制子系統(tǒng)、膜過濾設(shè)備控制子系統(tǒng)和精鹽水質(zhì)量?jī)?yōu)化控制子系統(tǒng)。

2.1 化鹽水質(zhì)量?jī)?yōu)化控制系統(tǒng)

江蘇安邦電化有限公司鹽水采用80%的鹵水化鹽，另外由于6個(gè)配水罐全是鐵罐，且來水一般都能保證含堿量在0.5 g/L 以內(nèi)，這使得化鹽水的配置相對(duì)容易一些。利用現(xiàn)有的配水槽將pH 計(jì)、溫度計(jì)和調(diào)節(jié)閥都安裝在其上，而6個(gè)配水罐就成了6個(gè)合格化鹽水的貯罐。

另外，將化鹽水溫度控制回路投入前饋-反饋控制后可使化鹽水溫度控制精度達(dá)到±1 ℃，使鹽水的濃度波動(dòng)達(dá)到最小。這部分的實(shí)現(xiàn)是以完善現(xiàn)有的控制回路為基礎(chǔ)的。

2.2 粗鹽水質(zhì)量?jī)?yōu)化控制系統(tǒng)

在這個(gè)子系統(tǒng)中，重點(diǎn)做好如下事情：一是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鹽，提高化鹽的連續(xù)性，穩(wěn)定鹽水的濃度；二是實(shí)現(xiàn)粗鹽水過堿量的精確控制，使粗鹽水的過堿量控制在R±0.1～0.15 g/L，有效控制鎂離子含量并降低后續(xù)工序鹽酸的消耗；三是實(shí)現(xiàn)膜過濾系統(tǒng)控制的國產(chǎn)化，減少投資與運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；四是實(shí)現(xiàn)加壓溶氣罐的液位控制和空氣緩沖罐的壓力控制。

（1）自動(dòng)上鹽控制回路

化鹽桶中鹽層的高度不控制好將導(dǎo)致鹽水濃度和過堿量的極大波動(dòng)。本方案將把鹽層高度與上鹽皮帶機(jī)連鎖起來，從而把鹽層高度控制在一個(gè)最合理的范圍內(nèi)而極大地穩(wěn)定鹽水的質(zhì)量。本方案需自做1個(gè)鹽層高度感應(yīng)板和購買1套光電開關(guān)即可（或者用1套電容式物位開關(guān)）。見圖1。

圖1 自動(dòng)上鹽控制系統(tǒng)

該控制回路可減少鹽水濃度的波動(dòng)1～3 g/L，可使過堿量的波動(dòng)也明顯降低。

（2）粗鹽水過堿量控制回路-NaOH/Na2CO3

上鹽初期大量的鎂離子將消耗很多化鹽水中的OH-，不及時(shí)克服這個(gè)階躍式的干擾將使粗鹽水的過堿量波動(dòng)很大。在這個(gè)方案中把上鹽信號(hào)作為前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的觸發(fā)條件，提前調(diào)節(jié)NaOH 調(diào)節(jié)閥來得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的過堿量，用數(shù)學(xué)模型把測(cè)到的粗鹽水pH 值和溫度換算成“含堿量”而更便于操作與控制，該回路能把過堿量控制在R±0.10～0.15 g/L。

該控制回路可有效控制住因原鹽產(chǎn)地變化、顆粒大小、鹽層高度等因素造成的粗鹽水質(zhì)量的波動(dòng)，并能控制住化鹽鹽水質(zhì)量的波動(dòng)。見圖2。

圖2 粗鹽水過堿量控制回路

由于Na2CO3的含量無法在線測(cè)量和在線計(jì)算，只能采用與鹽水流量比加入的方案，可以將Na2CO3的含量控制在0.1～0.3 g/L，三氯化鐵的加入也是如此。在離子膜一次鹽水崗位設(shè)置化驗(yàn)臺(tái)，每小時(shí)檢測(cè)一次過堿量，確保過堿量在控制范圍內(nèi)。見圖3。

2.3 膜過濾設(shè)備控制系統(tǒng)

圖3 Na2CO3加入量控制圖

（1）戈?duì)柲み^濾器的程序控制較為簡(jiǎn)單，比起離子膜二次鹽水樹脂塔的程序控制來說要簡(jiǎn)單很多，但國外過濾器設(shè)備為此自帶的控制器、控制箱要相對(duì)貴重。因此在本方案的軟硬件配置、設(shè)計(jì)方案中還把這部分也作了考慮，將來一旦原控制設(shè)備出現(xiàn)故障，可很快、很方便的投用DCS 中的控制程序，沒必要購買原裝設(shè)備的備件，這樣將節(jié)省可觀的費(fèi)用。

該方案可在短時(shí)間內(nèi)被切換使用。切換所要做的工作就是把每個(gè)過濾器的八臺(tái)程控閥等信號(hào)電纜接至相應(yīng)的位置。可使操作人員從控制室遠(yuǎn)程控制過濾器的運(yùn)行。

（2）加壓溶氣罐的液位控制和空氣緩沖罐的壓力控制。

這2個(gè)回路都是單回路控制系統(tǒng)，采用智能PID 控制算法即可達(dá)到高精度的控制指標(biāo)。

2.4 精鹽水控制系統(tǒng)

從戈?duì)栠^濾器出來的精鹽水的pH 值一般在11以上，去離子膜精鹽水貯槽要加酸進(jìn)行中和。精鹽水pH 的控制精度直接影響到二次鹽水進(jìn)入樹脂塔進(jìn)行吸附的效果，pH 偏低離子吸附效果不好，偏高形成堿性氫氧化物無法被吸附，導(dǎo)致精制鹽水出樹脂塔后金屬離子含量超標(biāo)，特別是鈣鎂含量超標(biāo)，直接影響電解槽的槽電壓，影響離子膜壽命及電解效率，是一個(gè)極其關(guān)鍵的過程控制參數(shù)。而pH 值在9～10之間有非常大的非線性特點(diǎn)，這給控制造成很大的難度。因此，在這個(gè)控制回路中應(yīng)用了“模糊控制+常規(guī)PID”的控制策略，而使精鹽水的pH 值控制精度達(dá)到0.05～0.1。見圖4。

在上述方案中，先進(jìn)的模糊控制算法以最快的速度對(duì)pH 值進(jìn)行粗調(diào)，

圖4 精鹽水控制系統(tǒng)圖

常規(guī)PID 算法在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)調(diào)，從而使精鹽水的pH 值的控制精度達(dá)到R±0.1 pH（0.05 pH），這將極大的有利于電解槽的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，本方案與粗鹽水的幾個(gè)控制方案一起，約使電解的槽電壓降低0.01～0.05 V。

3 應(yīng)用效果

鹽水制備優(yōu)化控制系統(tǒng)所帶來的效益是多方面的，有些間接效益不好計(jì)算出來，在這里我們僅把可以產(chǎn)生效益的部分羅列出來，按照年生產(chǎn)350天計(jì)算。

（1）各種精制劑的減少所帶來的直接效益。

a.鹽酸消耗的降低，按照600元/t 高純鹽酸計(jì)算，鹽酸消耗比原來降低20%，每天用量由20 t 左右降至16 t，效益為：4×350×600=84（萬元/a）

b.電解液消耗的降低，按照600元/t 32%燒堿計(jì)算，電解液的消耗比原來降低20%以上，每天約降低2 t 以上，效益為：2×350×600=42（萬元/a）

c.碳酸鈉消耗的降低，按照1 800元/t 碳酸鈉計(jì)算，碳酸鈉每月消耗從100 t 左右降低為70 t 左右，效益為：30×12×1 800=64.8（萬元/a）

其他精制劑的減少在此忽略不計(jì)。

（2）精鹽水pH 控制精度的提高，對(duì)降低槽電壓、提高電解效率和氯氣純度而帶來的經(jīng)濟(jì)效益為100萬元/a。

（3）精鹽水質(zhì)量的提高預(yù)計(jì)可使戈?duì)柲勖娱L(zhǎng)至2年以上。

（4）離子膜精制鹽水質(zhì)量的提高，在鹽水質(zhì)量上保證了離子膜電解的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，該技術(shù)年效益為290萬元以上。