零極距離子膜電解槽換膜時機的選擇

侯 偉，尹建平，劉培鋒

（天偉化工有限公司，新疆石河子832000）

新疆天業集團天偉化工有限公司離子膜法燒堿生產設計能力為15 萬t/a， 電解槽采用旭化成NCZ 自然循環復極式離子膜電解槽，設計運行電流為5.6 kA/m2，共5 臺電解槽，離子膜自2014 年4 月開車投入使用。隨著離子膜使用時間的延長，離子膜選擇透過性下降，膜的通透性也隨之下降，膜電阻增加，槽電壓升高，電流效率緩慢下降，噸堿電耗緩慢持續增加。當電流效率下降到一定數值時，各項成本也會大幅增加。對于換膜時間節點的確定，天偉化工結合自身內、外部實際情況，充分考慮各種影響因素，通過統籌計劃，選擇最佳換膜時間以減少對生產和成本的影響。

1 離子膜經濟壽命

離子膜經濟壽命是指離子膜的購買費用和安裝成本費用的月噸堿攤銷費和月噸堿使用的電費之和最小時的使用時間。除去鹽水等原料質量和人為操作因素對離子膜電流效率的影響，假定離子膜的電流效率的下降呈線性關系，則噸堿電耗的增加也應該呈線性關系，以此為基礎，建立月噸堿電耗費用、離子膜月噸堿攤銷費用以及月噸堿使用成本的離子膜經濟使用壽命關系，見圖1。

圖1 曲線和離子膜經濟壽命分析

由圖1 可以看出，當離子膜月噸堿攤銷費用和月噸堿電耗費用之和最小時，離子膜月噸堿成本最低。而之后隨著離子膜使用時間的延長，離子膜月噸堿攤銷費用和月噸堿電費之和逐漸增大。由此理論分析可知，當離子膜使用時間達到經濟使用壽命時，就需要更換離子膜。此時，離子膜使用價值已達到最大化，經濟效益最高。

2 影響離子膜換膜時機選擇的因素

通過前面對離子膜經濟壽命的介紹，可以確定噸堿電費是影響離子膜換膜時間的重要因素。一般情況下，離子膜的使用壽命為三四年，使用時間越長電流效率越低，噸堿電耗越高，相應的噸堿電費越高，經濟收益越低。目前，國內部分氯堿企業在電流效率低于93%時，開始更換離子膜。當電流效率低于93%時，噸堿電耗較高，此時的經濟收益還與當地的電價有關，因此把電流效率低于93%作為換膜的依據還未使離子膜的使用價值最大化。當然，離子膜換膜時機的選擇不能僅僅以噸堿電費為標準，還應該充分考慮其他因素。

（1）燒堿和下游產品的經濟效益。燒堿價格和PVC 價格隨市場的波動較大， 當燒堿和下游產品（主要是PVC）經濟效益較好時，可以根據實際情況適當延長離子膜的使用時間， 將換膜時機適當推遲。當燒堿和下游產品的經濟效益不好時，也可根據自身的情況適當提前更換離子膜。

（2）電解槽進口酸度。向電解槽加酸的目的是為了中和從陰極室反遷過來的OH-，減少副反應，降低氯中含氧量和淡鹽水中的氯酸鹽含量。離子膜運行到后期，隨著離子膜性能的下降，電解槽加酸量逐漸增加。槽鹽水的酸度控制在0.15 mol/L，當酸度超過0.15 mol/L 時，過高的酸度會使離子膜酸化產生水泡，同時還會腐蝕陽極液入口管道及電解槽的犧牲陽極，在此情況下，就需要著手更換離子膜，以免為了一時的經濟效益而造成電解槽使用壽命縮短而得不償失。

（3）堿中氯化鈉、氯酸鹽含量對產品和下游固堿裝置的影響。隨著離子膜使用時間的延長，離子膜本身機材受到損傷出現針孔，膜的效率和性能下降，產量減少。因為陰陽極電解液及離子互相擴散，OH-的反遷移量增加，鹽水中的氯酸鹽含量逐漸增加，鹽水中的氯酸鹽將腐蝕設備并影響螯合樹脂的使用壽命，同時還會影響氯化鈉的飽和度，進而引起氯化鈉濃度降低和固體懸浮物SS 波動甚至超標。鹽水中的氯酸鹽含量升高使得堿中氯化鈉及氯酸鹽含量也升高，產品質量下降到非優等品。而且堿中氯酸鹽含量較高又會影響固堿裝置重要設備正常生產運行和使用壽命。目前，除去堿中氯酸鹽的方法主要是向堿中加入蔗糖，氯酸鹽被蔗糖還原產生Cl-，而蔗糖被氯酸鹽氧化后產生CO2，這樣就使得產品堿中的NaCl 和Na2CO3含量增加，而影響堿產品質量。

（4）換膜費用。換膜費用包括購買離子膜費用、電槽墊片費用、粘接劑、離型劑、人工成本費用。主要的換膜費用就是離子膜的購買費用，這與離子膜單價、關稅、增值稅等息息相關。

（5）電流密度。電流密度越高，噸堿電耗越高。如果電槽在電流密度較低的情況下長時間運行，亦可以延長換膜時間。但電流密度過低，噸堿電耗也會升高。

（6）年度停車大檢修。如果企業制定年度停車大檢修計劃，為了減少停車換膜對生產及產量的影響，可盡量將換膜時間安排在停車大檢修期間，換膜與大檢修同時進行。另外，再通過增加作業隊伍，最大程度重合兩者作業周期，是較為合理和經濟的一種統籌安排。

（7）離子膜換膜與電解槽電極改造同時兼顧。離子膜使用接近2 個周期約7 年時，電解槽陰陽極電極接近保證壽命（8 年），在此節點，電解槽電極涂層已不同程度脫落，電極在運行過程中受到壓力壓差的波動造成機械損傷和形變， 電極網面平整度變差，陰陽極出現極距，電解槽電壓升高，電耗升高，產品成本上升。若不更換電極，重新換新膜再繼續使用一個周期，則該周期電耗造成成本上升遠大于電極更換的分攤費用，所以建議各企業在離子膜使用2 個周期后換膜工作與電極更換同期進行。第三周期的新膜與更換后新電極配套運行，減少后期開停車次數，避免離子膜和電極性能變差后相互影響。

除了上述因素以外，還有其他一些不可預料因素均可影響離子膜換膜時機的選擇。尤其在離子膜使用到后期，人為操作對離子膜的破壞以及電解槽墊片的泄漏、上下游工序生產異常等原因造成的系統非計劃停車都會影響離子膜換膜時機。所以，在離子膜使用到后期，主要根據各影響因素來確定時間段。

3 電解槽換膜時機的選擇

該公司離子膜電解裝置于2014 年4 月開車，至2017 年9 月，離子膜使用已到后期。以運行效果較差的C 槽為例，C 槽離子膜（F-6801）已使用41 個月。 7～9 月電流效率、噸堿電耗、酸度、氯酸鹽含量的平均值統計見表1。

表1 電流效率、噸堿電耗、酸度、氯酸鹽含量的平均值統計表

從 表1 可 以 看 出，7 ～9 月C 槽 電 流 效 率 在92.69%左右，在電流密度為5.0 kA/m2的運行條件下，噸堿電耗由開車時的2080kW·h/t 已漲至2240kW·h/t，噸堿電耗上漲160 kW·h/t。在控制電槽出口酸度不變的情況下，入槽鹽水酸度已達0.144 6 mol/L。鹽水中的氯酸鹽含量控制指標為＜10 g/L，而在9 月，氯酸鹽含量已上漲至13.46 g/L，堿中氯酸鹽含量也已達到28×10-6。堿中氯酸鹽對固堿裝置使用壽命的影響逐漸增加，部分固堿裝置已開始泄漏，對固堿系統的安全穩定運行和人員的安全操作造成隱患。同時產品堿含鹽量上升，品質開始下降。盡管2017 年9 月產品堿的市場價格還處于比較理想的范圍，但是C槽的各項運行指標表明，C 槽的離子膜已處于一個較差的運行狀態，尤其是鹽水和堿中的氯酸鹽已嚴重影響整個系統的安全穩定運行。該公司綜合考慮分析以上諸如噸堿電耗、電流效率、入槽鹽水酸度、電流密度、堿產品質量、停車大檢修等換膜影響因素，決定于2017 年9 月底在全廠秋季停車大檢修期間更換C 槽離子膜，其余4 臺電解槽也將逐臺更換離子膜。

4 結語

以離子膜噸堿電耗分析推導出的離子膜經濟壽命對于離子膜換膜時機的選擇具有重要的指導意義。然而，離子膜換膜時機的選擇不僅取決于噸堿電耗，還要考慮燒堿和下游產品的經濟效益、入槽鹽水酸度、 堿產品質量及氯酸鹽含量、 電流效率、電流密度、停車大檢修、電極更換等多方面因素。因此，零極距電解槽換膜時間不應為某一確定時間， 而應該是通過綜合考慮各種影響因素來確定的一個時間段。 科學合理的確定零極距電解槽離子膜的換膜時機有利于企業降低生產成本、提高經濟效益。