從槽電壓組成淺論膜極距電解槽節(jié)能效果

(東營華泰化工集團(tuán)有限公司，山東 東營 257091)

膜極距電解槽作為一種節(jié)能降耗的工藝，近幾年得到迅速的發(fā)展，各氯堿廠紛紛進(jìn)行改型。下面就電解槽膜極距改造后的運行情況談幾點體會。在對比中基于這樣一個基本條件：除彈性網(wǎng)改變外，電解槽、膜及操作條件均是一樣的。

1 膜極距電解電耗低的原因

膜極距電解槽之所以能夠降低電耗，是因為其以金屬導(dǎo)體代替了溶液導(dǎo)電，電阻的降低導(dǎo)致了耗電量的減少。

電解槽的槽電壓由以下6部分組成：電解質(zhì)的理論分解電壓、離子膜電壓降、陽極過電壓、陰極過電壓、溶液歐姆電壓降、金屬導(dǎo)體歐姆電壓降[1]。從槽電壓的組成可知：影響槽電壓的因素包括2個方面：①結(jié)構(gòu)性因素影響，包括電解槽結(jié)構(gòu)、一類導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能、極間距大小、離子膜的結(jié)構(gòu)及性能、陽極和陰極的性能等；②操作性因素的影響，包括電流密度、陰陽極液循環(huán)量、鹽水中的雜質(zhì)、電解液的濃度、溫度和pH值、電解槽內(nèi)的壓力和壓差。在操作因素的影響相同的情況下，可以通過改變結(jié)構(gòu)性因素來改變槽電壓。

通過膜極距電解槽的結(jié)構(gòu)可以看清一點：膜極距電解槽改造后，原來的結(jié)構(gòu)不變化，但在原陰極上加一層彈性網(wǎng)，彈性網(wǎng)上面再覆蓋一層陰極網(wǎng)。改造后，陰極網(wǎng)和陽極網(wǎng)之間的距離縮小了，兩電極間距離只有離子膜厚度的距離，因為縮小而被叫做膜極距。

下面對電解槽改造前后槽電壓組成部分的變化情況作一個比對。

(1)理論分解電壓不變。

(2)離子膜電壓降不變。

(3)陰極過電壓不變。

(4)陽極過電壓不變。

(5)金屬導(dǎo)體的電阻不變，可以近似認(rèn)為電解槽歐姆電壓降不變。

(6)仍存在有溶液歐姆電壓降。由于改造前后電極間距離的變化，造成了改造前后溶液的歐姆電壓降出現(xiàn)變化，距離小的數(shù)值也會小。

通過上面的對比，可以這樣認(rèn)為：膜極距改造后，槽電壓下降的原因是增加彈性網(wǎng)后相當(dāng)于電流回路中，由原來電流通過溶液流通被通過金屬流通所代替，因為金屬導(dǎo)體的電阻要小于溶液的電阻，所以出現(xiàn)了電壓的下降。所以膜極距電解槽省電的本質(zhì)為：膜極距電解槽電壓的下降主要是因為增加了陰極彈性網(wǎng)的原因造成的。用低電阻的金屬導(dǎo)體代替高電阻的溶液導(dǎo)電，電阻的減小造成了電解槽槽電壓的下降。

2 膜極距電解槽省電的限度

離子膜電解槽噸堿耗電計算公式為[2]：

W=1 000V/1.492η。

(1)

根據(jù)改造方提供的數(shù)據(jù)，膜極距改造后，單元槽電壓降低200 mV，也是最大的貢獻(xiàn)值。

據(jù)此，可以推導(dǎo)出這樣的結(jié)論。

(1)膜極距改造后，耗電的貢獻(xiàn)值會隨離子膜電流效率的下降而上升，到換膜的后期，達(dá)到最高值。

理由：根據(jù)公式(1)，在V不變的情況下，噸堿耗電量W隨η的下降而升高。

(2)膜極距改造后，離子膜的電流效率也會有所改變。

根據(jù)旭化成提供的電流效率公式，可以判斷出NCH和NCZ電解槽電流效率的差別：

2×φ(H2/Cl2)-Lc。

(2)

式中：Qi為電解槽陽極進(jìn)口流量；Qo為電解槽陽極出口流量；Ci為電解槽陽極進(jìn)口濃度；Co為電解槽陽極出口濃度；φ(H2/Cl2)為氯中含氫體積分?jǐn)?shù)；Lc為泄漏電流。

對于同樣的電流，第一項相等。泄漏電流率也是相等的，第三項也是相等的。故電流效率的差別可以通過氯中含氫體積分?jǐn)?shù)找到差別。通過實際的檢測值，膜極距電解槽氯中含氫體積分?jǐn)?shù)一般比常規(guī)極距電解槽高0.03%左右。

CE1-CE2=2×φ(H2/Cl2)2-

2×φ(H2/Cl2)1=2×0.03%=0.06%。

膜極距改造后，膜極距電解槽的電流效率要低于常規(guī)極距電解槽的電流效率。

3 電解槽膜極距改造后，省電的數(shù)值及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)公式(1)，設(shè)改造初期電解槽的電流效率為96.5%，200 mV的電壓降影響的電耗為：

W=0.2×1 000÷(1.492×96.5%)=

138.9 (kW·h/t)。

因為電流效率的降低，膜極距電解槽降低的電耗應(yīng)在138.9 kW·h/t以下。

按電費0.72元/(kW·h)計，噸堿降低成本100元，則25萬t/a燒堿每年產(chǎn)生的效益為2 500萬元。

自發(fā)電廠按0.18元/(kW·h)計，噸堿降低成本25元，則25萬t/a每年產(chǎn)生的效益625萬元。

通過實例也可以證明以上的結(jié)論。

東營華泰化工集團(tuán)有限公司第3期裝置于2009年1月投產(chǎn)，使用的是NCH電解槽，雙頭濾壓式，150個單元槽，安裝旭化成F6801膜，投產(chǎn)初期在10.8 kA電流運行72 h后，升至14.85 kA，槽電壓為477 V左右。運行近5后，于2014年12月進(jìn)行了膜極距改造，使用的離子膜仍為旭化成的F6801膜，投產(chǎn)初期10.8 kA運行72 h后，電流升至14.85 kA后，槽電壓為456 V左右，基本上和改造前的承諾值相等。

4 電解槽膜極距改造后注意事項

4.1 注意氯氫壓差的波動，避免造成彈性體變形

根據(jù)槽電壓的組成可以知道，一旦彈性網(wǎng)變形，不但會造成槽電壓的上升，而且會因為電流密度分布不均勻?qū)δぴ斐蓢?yán)重的危害。

4.2 加強開車初期單元槽電壓變化的治理

加強開車初期單元槽電壓變化的治理，及時找出電壓低的單元槽更換離子膜，避免以后因膜的針孔造成極網(wǎng)的腐蝕。

由于制作的原因，彈性體不可避免地會出現(xiàn)線頭，并且由于壓差的波動而造成彈性體線頭扎破離子膜而形成針孔。這種現(xiàn)象在開停車的操作中極易出現(xiàn)，因此，必須及時檢查出電壓低的離子膜并予以更換，以免開車后腐蝕陽極網(wǎng)，甚至出現(xiàn)大的事故。

東營華泰的做法是安裝單元槽電壓在線檢測裝置。在系統(tǒng)開車送電后，注意檢查發(fā)現(xiàn)槽電壓比較低的單元槽。隨著電流的升高，如果單元槽的槽電壓能夠快速跟上去，那么此次膜可以不換；如果單槽電壓跟上的速率較慢，電流升到3 kA時，槽電壓比正常電解槽槽電壓低一定的數(shù)值，穩(wěn)定一段時間后沒有縮小的情況，那么此單元槽的膜必須更換。前期電壓能夠跟上的膜，在下一次停車時一定要更換。

通過正常開停車換膜數(shù)量的對比發(fā)現(xiàn)，NCH電解槽基本沒有更換膜，而NCZ電解槽每次開停車均有十幾張膜要更換。即使在查看電解槽壓差的趨勢非常平穩(wěn)的情況下，NCZ電解槽的更換比例在1%左右。

對更換下的槽電壓較低的膜進(jìn)行研究后，能夠得出是開停車過程中出現(xiàn)的彈性體線頭扎破膜的結(jié)論。依據(jù)為在亮光下能夠發(fā)現(xiàn)明顯的針孔，針孔四周沒有任何異?，F(xiàn)象，陽極網(wǎng)沒有腐蝕的痕跡。

4.3 新裝置開車注意事項

對于新裝置的開車運行，建議先使用常規(guī)極距電解槽，且由實際經(jīng)驗豐富的職工進(jìn)行操作。

使用常規(guī)極距電解槽的目的在于確保生產(chǎn)的安全性，待操作人員熟練后再改為膜極距電解槽。畢竟在目前膜極距電解槽中還存在待改善的部分，存在一定的安全隱患，而安全的影響往往是決定性的。

4.4 停車時嚴(yán)格遵守置換要求

由于陰極和膜的緊密接觸，要嚴(yán)格遵守停車時的置換要求以及長時間停車膜濕潤時陰極液濃度的要求，避免Ni污染離子膜。

提出此條的目的在于操作時一定要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，避免污染離子膜，畢竟燒堿生產(chǎn)中離子膜數(shù)量太多并且價格也非常高。