氧陰極電解槽運行情況總結

王夢楠，董紅波，朱建勇，閆進福，馬龍強

（濱化集團股份有限公司，山東 濱州 256600）

濱化集團股份有限公司（以下簡稱濱化集團）與伍德迪諾拉公司于2013年12月16日簽署了項目引進合同，率先引進氧陰極生產裝置。2015年8月底電解槽組裝完畢，后經工藝、儀表、電氣等各部門的聯合調試，于2015年11月7日一次性開車成功。氧陰極裝置共有2臺電解槽，每臺燒堿生產能力為2萬t/a。氧陰極裝置的鹽水系統、氯氣處理和淡鹽水脫氯處理與該公司18萬t/a零極距離子膜燒堿裝置共用，氧陰極裝置需要的氧氣來源于公用界區的深冷空分裝置[1]。

截止到2018年6月，氧陰極裝置已經成功運行31個月，下面針對氧陰極裝置的運行做一個總體的介紹。

1 裝置簡介

1.1 技術廠家

伍德迪諾拉公司。

1.2 反應原理

氧陰極電解槽具有特殊的陰極（ODC），在直流電的作用下，將氯化鈉、氧氣和水進行電解，生產制得32%的液堿和氯氣。陽極室內氯化鈉在水中電離，陽極反應的基本原理是陰離子Cl-被氧化生成Cl2，陰極反應的基本原理是O2和H2O被還原生成OH-。整個電化學反應概括如下。

4NaCl+O2+2H2O→4NaOH+2Cl2↑

1.3 重要設備

氧陰極裝置重要設備表見表1。

表1 氧陰極裝置重要設備表

1.4 氧陰極電解槽

濱化集團有2臺氧陰極電解槽，每臺電解槽均由162個伍德復極BM2.7-ODC離子膜單元槽組成，正常運行電流密度為4．0 kA/m3，每臺電解槽分成2節槽框。

單元槽由陽極半殼、陰極半殼、離子膜及密封系統組成。其中，陽極半殼組成包括電極、降液管、擋板、排液管及進料分歧管。陰極半殼組成包括氧陰極、過濾網、彈性元件、電流分配器、陰極液進料分歧管及氧氣進料分歧管等。密封系統通過兩條PTFE密封線，保持陰、陽極半殼與離子膜間的密封性。

2 工藝流程

從鹽水二次精制工序來的精制鹽水經換熱后進入精鹽水高位槽，經流量控制閥進入各電解槽的陽極半殼；從陰極液罐出來的32%堿液加入純水后經流量控制閥進入到陰極半殼；從深冷空分裝置出來的氧氣經流量控制閥進入陰極半殼的氧陰極側；電解槽在直流電的作用下發生氧化還原反應，陽極側生成的淡鹽水和氯氣進入陽極液匯總管；氧氣通過氧陰極進入陰極與水電離成氫氧根離子，多余的氧氣從氧陰極側上部溢出，陰極側生成的氫氧化鈉流到匯總管。

與零極距電解槽相比，氧陰極電解槽改變了陰極側的電化學反應，通過消耗氧氣制備32%燒堿，降低了反應的電解電位，使陰極不再產生氫氣，同時也大大降低了電解耗電[2]。

3 在線監控系統

濱化集團氧陰極項目設計安裝了伍德評估器系統，該系統為電解裝置的在線監控系統，通過如下功能可以實現對每個單元槽乃至整個電解廠房進行自動監控和分析。

（1）以1次/s的頻率測量所有單元槽的槽電壓；

（2）在主控室顯示所有單元槽槽電壓；

（3）顯示所有槽電壓偏高以及偏低（針孔檢測）的單元槽槽電壓情況；

（4）通過“雙電壓表方法”監測直流電接地故障；

（5）顯示所有單元槽槽電壓趨勢；

（6）異常報警；

（7）對電流電壓曲線進行計算和顯示，以便總結離子膜及涂層狀況；

（8）基于評估器采集的電壓值、DCS采集的工藝值以及化驗室化驗結果，對單臺電解槽乃至整個電解廠房的單元槽標準槽電壓、電流效率以及電耗情況進行評估。

當伍德評估器檢測到電解槽運行故障后，可直接向緊急停車系統（ESD系統）發送停車信號，確保裝置的安全運行。

4 電解槽運行情況分析

4.1 電槽初始開車性能測試

裝置自2015年11月7日一次性開車成功以來，運行穩定，各項控制指標均在控制范圍以內。氧陰極裝置于2015年12月進行了性能測試，測試數據統計見表2。

表2 氧陰極電槽初始開車性能測試表（運行電流10 880 A）

從表2可看出，氧陰極裝置的電耗已達到預期。

4.2 氧陰極電解槽與伍德零極距電解槽性能對比

為了方便比較氧陰極電解技術的優越性，以濱化集團化工分公司一期伍德零極距BM2．7電解槽（2013年11月裝置開車）的相關數據作為參考，具體數據見表3。

表3 濱化氧陰極電槽與伍德零極距電槽性能對比表

從表3看出，相比伍德零極距電解槽參數，氧陰極裝置的直流電解電耗降低600 kW·h/t NaOH，節能約30%，其產品質量及運行效率也并不比零極距低[3]。

氧陰極電解槽與伍德迪諾拉BM2．7電解槽同期單元槽電壓升高對比見表4。

表4 氧陰極電解槽與BM2．7電解槽運行相同時間后單元槽電壓升高對比表

氧陰極電槽開車至今運行31個月，兩臺電槽的單元槽電壓分別增長了149 mV和156 mV，其中的差距可能是因為所用離子膜不同（A槽用的離子膜類型為N2030，B槽用的離子膜類型為F8080）。同期BM2．7電解槽單元槽電壓增加值只有30 mV左右。由此可見，氧陰極電解槽單元槽電壓增長速率超過BM2．7電解槽，所以在運行過程中，氧陰極電解槽槽電壓增長較快，相應的電耗增長速率也更快。

4.3 氧陰極電解槽其他重要參數變化情況

電解槽氯氣純度及氯中含氧趨勢圖分別見圖1、圖 2。

圖1 氧陰極電解槽氯氣純度趨勢圖

圖2 氧陰極電解槽氯中含氧趨勢圖

開車至今，氧陰極2臺電解槽的氯氣純度一直穩定在98．8%左右，氯中含氧在剛開車時較高，運行3 個月后，基本穩定在 0．80%～0．90%，隨著運行時間的增加，還在波動下降中，說明電解槽整體運行情況穩定。

5 運行過程中的問題

5.1 陰極過濾器濾芯

氧陰極電極上脫落的催化劑隨堿液進入陰極液循環系統，若不進行控制，會隨堿液進入離子膜空隙堵塞離子膜，使槽電壓升高，電解效率下降，故而需要用陰極液過濾器濾去催化劑。電解槽所帶原裝濾芯為Ultipleat高流速過濾器，但是該濾芯的使用壽命僅有30天左右，拆檢時發現濾芯被沖刷損壞嚴重，無法再利用，增加了運行成本。

為節省成本和避免不必要的浪費，自2017年3月開始采用FluoryteTM高流速過濾濾芯，該濾芯采用PTFE支撐結構，增加了濾芯強度，濾芯個數也由原來的4根更換為現在的24根，PTFE濾芯設計壓差控制在約80 kPa，目前，當濾芯壓差到60～70 kPa時，拆檢過濾器，將濾芯取出，使用純水沖洗干凈，回裝濾芯，拆檢后，濾芯壓差一般能夠降至35～40 kPa。

2018年4月更換濾芯，原濾芯使用13個月，使用過程中較為正常，每次清洗后每天壓差升高約1 kPa。

5.2 氧陰極單元槽電壓

隨著運行時間的延長，單元槽電壓會逐漸升高，當槽電壓高于2．6 V時，電解槽中的析氫反應開始加劇。氧陰極電解槽在運行過程中，出現某些單元槽的槽電壓明顯高于其他單元槽的情況，此時在陰極側發生電解氧氣的同時，還會伴隨著水的電解造成氧中含氫升高，影響循環氧氣純度，當含氫過高時，會有爆炸危險。因此，當某些單元槽電壓過高時，只能通過降低整臺電解槽的負荷來降低其槽電壓，如此一來，裝置負荷降低，影響正常生產。

目前濱化集團采用清洗電解槽的方法來整臺降低單元槽的槽電壓。當某些單元槽電壓已經制約電解槽正常運行時，應擇機停車，將這些單元槽拆解，清洗其中的氧陰極及燒堿、氧氣、鹽水進出料管，組裝換膜后，重新使用。

氧陰極A槽部分單元槽清洗處理前后電壓偏移情況見表5。

表5 氧陰極A槽清洗前后單元槽電壓偏移情況對比表

這種方法能夠在一定程度上降低槽電壓，但該部分單元槽在生產過程中，電壓升高較快，目前還沒有更好的辦法去徹底解決槽電壓升高的問題。

5.3 氧陰極轉子流量計問題

氧陰極裝置單元槽堿液進料管線上的流量計為PP材質，并且是螺紋連接的，剛開車時受到熱脹冷縮，在螺紋處有堿跡，雖不影響裝置正常運行，但對裝置來說還是有污點，時間長了會結堿。因此在裝置停車時更換了新的流量計，新流量計對密封面和材質進行了重新設計，運行效果較好。

6 效益對比

濱化集團氧陰極裝置運行以來一直保持較好的效益，與非氧陰極裝置相比，氧陰極裝置單位利潤稍好一些（包含了投資和折舊）。主要原因一是氧陰極單位產品電耗下降幅度較大；二是非氧陰極氯堿裝置氫氣并沒有完全利用；三是由于下游用氫單位存在各種原因的停車降量，導致氫氣間歇性大量放空；四是總體電價仍然較高，達到0.65元/kW·h。

7 結語

與零極距電解槽相比，氧陰極電解槽存在槽電壓上升速度偏快，電解槽部分附屬件易損壞等問題。清洗氧陰極及電解槽附件能夠在一定程度上降低單元槽槽電壓，但仍需要更好地從氧陰極膜本身和電解槽結構上進行改進；同時氧陰極轉子流量計破損，燒堿可倒流進入氧氣進料管，從而阻礙氧氣進料。

從濱化集團氧陰極已經運行的31個月來看，氧陰極裝置運行穩定，氯氣純度、氯中含氧、燒堿質量等指標較好，電耗大幅下降。各項指標達到了設計預期，項目總體是成功的。氧陰極技術是氯堿工業領域的重大突破，濱化集團氧陰極裝置的成功運行為今后推廣應用氧陰極電解槽生產技術奠定了堅實基礎，同時，也將對中國氯堿工業的節能降耗起到較好的推動作用。