制氯電解槽陰陽極板打火問題研究

晏 玥

（中核集團三門核電有限公司，臺州 317112）

為抑制貝類、藻類等海生物在海水冷卻系統(tǒng)中生長繁殖造成的冷卻回路堵塞，以海水作為最終熱阱的核電廠會設(shè)置專門的電解海水制氯系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過向海水中投加次氯酸鈉來抑制海生物生長，從而保證電廠安全、穩(wěn)定運行。

三門核電一期工程電解海水制氯系統(tǒng)電解槽在正常運行過程中多次出現(xiàn)電解槽陰陽極板間打火的情況，影響系統(tǒng)的運行安全。因此，需要定位問題原因，結(jié)合系統(tǒng)運行情況和設(shè)備實際情況，對系統(tǒng)設(shè)備進行優(yōu)化。

1 電解槽介紹

1.1 電解槽整體介紹

三門核電一期工程采用青島雙瑞海洋環(huán)境工程有限公司供貨的SC400A/1 型電解槽。電解槽蓋為亞力克透明蓋板，操作人員在設(shè)備運行過程中可以透過蓋板直接觀察槽內(nèi)反應(yīng)情況和結(jié)垢情況。電解槽殼體包括頂板、中間板及底板，采用極耐次氯酸鈉腐蝕的PVC（聚氯乙烯）材料，進出水口采用法蘭連接。電解槽內(nèi)緊固件和結(jié)構(gòu)件的材料為鈦，外部緊固件材料為SS316。電解槽陰極和陽極的導(dǎo)電連接件為鈦銅導(dǎo)電叉。導(dǎo)電叉在電解槽內(nèi)部分為鈦，在電解槽外部分為銅。

1.2 電解槽極板介紹

三門核電一期工程所使用的電解槽為單極板式電解槽，同極性電極與電源并聯(lián)連接，海水經(jīng)過多級電解槽單元后電解成高濃度次氯酸鈉，如圖1 所示。其中，實心模塊為陽極板，空心模塊為陰極板。

每個電解槽單元內(nèi)有11 塊陰極板和12 塊陽極板。陰陽極板間隔放置，陽極板和陰極板間放置聚偏氟乙烯（PVDF）隔離釘，以保持陽極板和陰極板間有2.5mm 的間距。陰極板材料為哈氏合金C-276，耐腐蝕性強，吸氫電位較低，比鈦陰極析氫電位低0.45V，因此耗電量更低，經(jīng)濟性能更好。陽極網(wǎng)板采用鈦涂貴金屬氧化物涂層的DSA 陽極，具有較低的析氯電位和較高的析氧電位[1]。低溫下，DSA 陽極板耗損比常規(guī)陽極板損耗更小。陽極板的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了海水的湍流，提高了電解效率。

2 電解槽工作原理

NaCl 在海水中以離子狀態(tài)存在，通過電流后Na+、Cl-發(fā)生定向遷移直接產(chǎn)生NaClO[1]，具體反應(yīng)為電化反應(yīng)。

圖1 電解槽極板連接方式

從以上反應(yīng)式可知，電解海水所產(chǎn)生的有效化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物是次氯酸鈉和氫氣。

3 陰陽極板間打火原因分析

三門核電一期工程共設(shè)計有4 套電解槽，每套電解槽包含22 個電解槽單元。自2018 年10 月至今，4 套電解槽共計出現(xiàn)7 次陰陽極板打火問題，其中多片陽極網(wǎng)板有較為明顯的極板涂層損壞、極板擊穿損毀現(xiàn)象，多片陰極板上有打火后的灼燒黑點。陰陽極板間打火主要是由于陰陽極板間短路造成極板短接點局部長時間發(fā)熱，致使陽極板短接處燒毀，陰極板短接處被灼燒。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備上下游關(guān)系和電解槽結(jié)構(gòu)，分析電解槽陰陽極板間短路問題。

3.1 電解槽結(jié)垢

海水中常見的陽離子有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、H+，常見的陰離子有Cl-、SO42-、HCO3-、OH-[2]。這些離子在通過電流時會發(fā)生電解反應(yīng)，生成鈣鎂沉淀吸附在陰極板上。由于電解槽陰陽極板間間隔僅2.5mm，長時間未對電解槽進行酸洗時，電解槽陰極板上的鈣鎂沉淀物將堆積，使得陰陽極板間通過鈣鎂沉淀物單點連接。當電解槽陰陽極板通上電流時，結(jié)垢堆積處陰陽極板短路，結(jié)垢堆積處短時高溫使得陽極板被熔斷擊穿，陰極板被灼燒。

3.2 異物進入電解槽

電解槽上游設(shè)置有預(yù)過濾器、旋力除砂器以及二級過濾器，以去除海水中的大顆粒雜質(zhì)，保證電解槽的運行安全。離電解槽最近的二級過濾器過濾精度為0.5mm。運行過程中發(fā)現(xiàn)，有異物進入電解槽單元導(dǎo)致電解槽極板間打火。對異物來源進行排查發(fā)現(xiàn)，電解槽上游二級過濾器濾網(wǎng)損壞且過濾器濾網(wǎng)上螺栓斷裂，斷裂的螺栓和海水中雜質(zhì)一同進入電解槽，使得第一個電解槽單元內(nèi)發(fā)生陰陽極板短接，出現(xiàn)了陰陽極板間打火現(xiàn)象，致使陽極板熔斷，陰極板局部被燒黑。陽極板熔渣會隨著海水進入到下一個電解槽單元中，在后續(xù)電解槽單元中引入異物，使得下游電解槽單元極板間短路出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

3.3 電極板變形

發(fā)現(xiàn)電解槽陰陽極板打火后，技術(shù)人員對電解槽陰陽極板進行拆解發(fā)現(xiàn)，臨近次氯酸鈉出口端的電解槽單元陰陽極板變形，特別是陽極網(wǎng)板變形較為嚴重。究其原因，主要在于在電解槽設(shè)計上，僅入口電解槽單元設(shè)置有流量分流器對進入電解槽的海水進行分流，而在后續(xù)串聯(lián)的電解槽單元中沒有設(shè)置流量分流器。入口電解槽單元電解產(chǎn)生氫氣，進入下游的電解槽單元為水氣混合物，因此下游電解槽單元的海水湍流嚴重。特別是臨近次氯酸鈉出口端的電解槽單元，海水湍流更加嚴重。水氣混合物進入電解槽單元時，由于沒有流量分流器的引流，陰陽極板中間的沖擊力最大，兩端的沖擊力最小，造成電解槽長時間運行后陰陽極板變形，最終導(dǎo)致陰陽極板短接，在電解槽正常運行時出現(xiàn)陰陽極板打火情況。

4 優(yōu)化方案

針對分析的電解槽陰陽極板間短路打火原因，對工程現(xiàn)場的電解槽運行方式和電解槽單元做出優(yōu)化，以解決電解槽陰陽極板打火短路問題。

4.1 電解槽單元增加隔離釘和流量分流器

每個電解槽單元陰陽極板間增加2.5mm 的PVDF 隔離釘，增加數(shù)量為原設(shè)計隔離釘數(shù)量的50%，同時在每個電解槽單元進口處增加流量分流器。電解槽運行一年，未發(fā)現(xiàn)陰陽極板打火的情況。從電解槽外觀來看，未發(fā)現(xiàn)陰陽極板變形的情況。電解槽單元新增了隔離釘和流量分流器，電解槽入口流量和壓力變化不大，說明電解槽單元增加隔離釘和流量分流器可以解決由于極板變形導(dǎo)致的陰陽極板打火問題，且不對系統(tǒng)流量和壓力等參數(shù)產(chǎn)生影響。

4.2 上游過濾器定期檢查

為解決由于設(shè)備故障導(dǎo)致的電解槽極板間打火問題，有必要定期檢查電解槽上游過濾器，特別是對離電解槽最近的上游過濾器的檢查，因為這是進入電解槽前的最后一道屏障。上游過濾器正常運行，可以減少進入電解槽的海水雜質(zhì)和設(shè)備自身故障帶入的設(shè)備雜質(zhì)。

4.3 縮短電解槽的酸洗周期

電解槽設(shè)計要求每隔30 天進行一次酸洗。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，電解槽連續(xù)運行20 天后，電解槽的陰極板結(jié)垢較為嚴重。電解槽陰陽極板間的電壓增大，電耗增多，還存在陰陽極板間的短路風險。因此，對電解槽的酸洗周期進行調(diào)整，由原設(shè)計的30 天縮短為20 天。若運行不滿20 天時電解槽結(jié)垢已經(jīng)較為嚴重，可提前對電解槽進行酸洗。電解槽酸洗周期縮短可以有效降低電耗，并消除由于電解槽結(jié)垢導(dǎo)致的陰陽極板短路的情況。

5 結(jié)語

本文分析三門核電一期工程電解制氯系統(tǒng)中電解槽陰陽極板頻繁打火發(fā)生的原因，并針對發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合系統(tǒng)運行情況和設(shè)備實際情況對系統(tǒng)設(shè)備進行了有效優(yōu)化。