電解槽零極距改造與陰極重涂方案對(duì)比

許書(shū)明，荊營(yíng)山，陳全全

（東營(yíng)華泰化工集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng) 257091）

電解槽零極距改造與陰極重涂方案對(duì)比

許書(shū)明，荊營(yíng)山，陳全全

（東營(yíng)華泰化工集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng) 257091）

通過(guò)對(duì)2種電解槽改造方案的投資及效益對(duì)比，選擇最優(yōu)方案，并簡(jiǎn)單介紹了零極距改造工藝。

電解槽改造方案；投資與效益；零極距

東營(yíng)化工集團(tuán)有限公司50萬(wàn)t/a離子膜燒堿一期、二期電解裝置均采用日本旭化成公司生產(chǎn)的NCH型自然循環(huán)高電密電解槽。一期10臺(tái)裝置的電解槽于2013年完成了陰極零極距改造；二期10臺(tái)裝置當(dāng)時(shí)因運(yùn)行年限不足（電解槽涂層壽命為8年，過(guò)早改造浪費(fèi)電解涂層），未進(jìn)行改造。到2016年11月，二期裝運(yùn)行滿6年，將面臨電極重涂或零極距改造。為此，公司根據(jù)電解槽陰極涂層活性狀況，制定2種方案，并對(duì)投資及效益進(jìn)行擇優(yōu)對(duì)比，以達(dá)到用最低投資、最合理化施工并取得最高收益的目的。

1　2種方案提出的原因

首先，統(tǒng)計(jì)了二期裝置10臺(tái)電解槽的平均運(yùn)行情況（見(jiàn)表1）。

表1　二期裝置電解槽運(yùn)行情況　電流為5.0 kA/m2負(fù)荷

由表1可以看出，二期裝置在電流5.0 kA/㎡負(fù)荷下槽電壓平均值上升到3.13 V，電流效率平均值下降到94%左右，電極涂層活性已嚴(yán)重下降，運(yùn)行狀況還將隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)進(jìn)一步惡化。作為新技術(shù)的電解槽零極距改造，要比電極涂層重涂節(jié)約能源、更能降低成本。

因此，對(duì)二期裝置電解槽提出以下2種方案：（1）更換離子膜（1 725張）、墊片、陽(yáng)極，陰極涂層重涂；（2）更換離子膜（1 725張）、墊片、陽(yáng)極，陰極零極距改造。

注：離子膜購(gòu)進(jìn)數(shù)量按照1 500張，安裝用+225張備用計(jì)算。

2　零極距的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

一期電解槽的零極距改造驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和突出的節(jié)電創(chuàng)效情況。一期改造前電解槽運(yùn)行情況見(jiàn)表2，一期改造后電解槽運(yùn)行情況見(jiàn)表3。

表2　一期改造前電解槽運(yùn)行情況　　流電為5.0 kA/m2負(fù)荷

表3　一期改造后電解槽運(yùn)行　電流為5.3 kA/m2負(fù)荷

由以上2個(gè)表格可以看到，改造前一期裝置在5.0 kA/m2負(fù)荷下，槽電壓平均值為3.133 V，電流效率平均值為94.38%；改造后一期裝置在5.3 kA/m2負(fù)荷下，槽電壓平均值為2.97 V，電流效率平均值為97.55%。改造后一期槽電壓平均值下降了163 mV，電流效率平均值提高了3.17%，僅此一項(xiàng)每年可節(jié)省電費(fèi)達(dá)2 607萬(wàn)元（不含稅價(jià)）。

預(yù)計(jì)二期裝置進(jìn)行陽(yáng)極更換及陰極零極距改造后，整套裝置在5.5 kA/㎡負(fù)荷下，槽電壓平均值可下降到 2.93 V，電流效率平均值可達(dá)到96%。

3　2種方案的投資對(duì)比（見(jiàn)表4）

表4　兩種方案投資對(duì)比表　萬(wàn)元

由表4可以看到，A方案投資共計(jì)5 053.3萬(wàn)元，B方案投資共計(jì)5 000萬(wàn)元。可見(jiàn)2種方案在總投資上差別不大，B方案略占優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算依據(jù)：

（1）購(gòu)進(jìn)離子膜1 725張，費(fèi)用為1 553萬(wàn)元（9 000元/張）；

（2）購(gòu)進(jìn)墊片、膠黏劑和防粘劑，費(fèi)用為141萬(wàn)元；

（3）10臺(tái)電解槽共計(jì)1 480臺(tái)復(fù)極單元槽、20臺(tái)陽(yáng)極端板、20臺(tái)陰極端板；備用31臺(tái)復(fù)極單元槽、2臺(tái)陽(yáng)極端板、2臺(tái)陰極端板；

（4）陽(yáng)極更換費(fèi)用按1 763萬(wàn)元計(jì)；

（5）陰極零極距改造費(fèi)用按1 533萬(wàn)元計(jì)；

（6）陰極涂層重涂費(fèi)用按1441萬(wàn)元計(jì)（9400元/臺(tái)）；

（7）零極距改造購(gòu)進(jìn)離子膜是免關(guān)稅的，單獨(dú)購(gòu)進(jìn)離子膜，則收取10%關(guān)稅。

4　2種方案的效益對(duì)比

按照離子膜使用壽命4年為1個(gè)周期計(jì)算，離子膜第一年的電流效率為96%；第二年電流效率為95%；第三、四年電流效率為94%。則3種方案3年可節(jié)省電費(fèi)（不含稅價(jià)）見(jiàn)表5。

表5　兩種方案效益對(duì)比　萬(wàn)元

凈現(xiàn)值 （NPV）可以衡量一個(gè)項(xiàng)目投資的可行性，為此計(jì)算了2個(gè)方案的凈現(xiàn)值。方案A：所得稅前凈現(xiàn)值為422.76萬(wàn)元。（折現(xiàn)率為12%）；方案B：所得稅前凈現(xiàn)值為1 958萬(wàn)元，（折現(xiàn)率為12%）。計(jì)算依據(jù)。

（1）新離子膜對(duì)槽電壓的貢獻(xiàn)按100 mV計(jì)，新離子膜4年電流效率分別按96%、95%、94%、94%計(jì)；陰極涂層重涂后對(duì)槽電壓的貢獻(xiàn)按50 mV計(jì)；零極距改造后對(duì)槽電壓的貢獻(xiàn)年平均為100 mV計(jì)；

（2）按10臺(tái)電解槽燒堿折百年產(chǎn)量25萬(wàn)t計(jì)；

（3）不含稅電價(jià)按0.573元/kW·h計(jì)；

（4）燒堿噸電耗公式：W=V×1 000/1.492/η（η為電流效率，燒堿電化當(dāng)量為1.492 g/A）；

（5）節(jié)省電費(fèi)計(jì)算公式：25×（W1-W2）×0.573。

例如：B方案第一年每臺(tái)電解槽每噸消耗電量為：

3.13×1 000/1.492/0.94-2.93×1 000/1.492/0.96=186.13（kW·h/t）。

B方案10臺(tái)電解槽滿負(fù)荷第一年節(jié)省電費(fèi)（不含稅價(jià)）為2 666.3萬(wàn)元。

由表5可以看出，B方案效益最好，可使企業(yè)在2年內(nèi)回收投資；從NPV計(jì)算值上更加認(rèn)證了B方案的優(yōu)越性。因此選擇B方案。

5　零極距改造工藝簡(jiǎn)介

5.1設(shè)備改造工作及結(jié)構(gòu)對(duì)比

零極距改造技術(shù)就是在高電密電解槽的原有陰極網(wǎng)表面安裝一層彈性元件，消除電極與離子膜之間的距離，減少溶液間的電阻，從而降低電解槽的槽電壓，達(dá)到降低直流電耗的目的，高電密電解槽和零極距電解槽結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1　高電密電解槽和零極距離電解槽結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

為防止復(fù)式電解槽鈦制陽(yáng)極法蘭密封面發(fā)生縫隙腐蝕，零極距改造時(shí)需將陽(yáng)極的鈦基密封面更換為鈦鈀合金材料。

陰極改造為零極距改造的核心，陰極改造是在集電板上均勻鋪設(shè)彈性體（彈性體是一種鎳材的、近似清潔球一樣的材料，具有一定的彈性）。彈性體表面安裝陰極網(wǎng)，并用鎳條將陰極網(wǎng)固定在槽框上。陰極網(wǎng)是由直徑0.2 mm的鎳絲編制的帶有特殊涂層、且經(jīng)過(guò)特殊加工的表面光滑的網(wǎng)。這樣由于彈性體的存在，使電解槽陰極外凸且具有彈性。安裝離子膜后陰極、離子膜和陽(yáng)極處于緊貼狀態(tài)，實(shí)際的電極距只有離子膜的厚度，從而將電極的間距降至最小，即實(shí)現(xiàn)了零極距。

5.2工藝改造

（1）對(duì)系統(tǒng)循環(huán)必須的陽(yáng)極液循環(huán)泵等關(guān)鍵設(shè)備配置應(yīng)急供電，及時(shí)向電解槽提供必要的循環(huán)動(dòng)力。

（2）增加氯氣水封（已于2013年大修時(shí)完成）。由于零極距電解槽的結(jié)構(gòu)特性，大的負(fù)壓差會(huì)對(duì)陰極彈性網(wǎng)產(chǎn)生破壞。為此除了精心操作外，需增加氯氣水封，可在極端狀況下保證電解槽的安全。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)2種方案投資與效益的對(duì)比，結(jié)合零極距改造周期及生產(chǎn)運(yùn)行情況，將于2016年11月-2017年7月對(duì)二期10臺(tái)電解槽實(shí)施逐臺(tái)零極距改造。希望本文能夠?qū)π枰M(jìn)行電解槽零極距改造的企業(yè)提供參考。

Compare with electrolyzer zero polar distance transformation and cathode coating scheme

XU Shu-ming，JING Ying-shan，CHEN Quan-quan
（Dongying Huatai Chemical Co.，Ltd.，Dongying 257091，China）

Through two cell retrofit scheme of investment and benefit comparison，choose the optimal solution，and simple introduced the zero polar distance transformation process.

cell transformation plan；Investment and benefit；zero polar distance

TQ114.26

B

1009-1785（2016）08-0006-03

2016-06-27