離子膜電解槽的結(jié)構(gòu)與工藝控制原理

喬霄峰，郭瑾，劉秀明

(藍(lán)星(北京)化工機(jī)械有限公司，北京 100176)

近40年來(lái)，中國(guó)離子膜燒堿工業(yè)技術(shù)從無(wú)到有迅猛發(fā)展，先后有國(guó)際上多家著名專業(yè)公司設(shè)計(jì)制造的數(shù)十種不同結(jié)構(gòu)形式的電解裝置在我國(guó)氯堿企業(yè)運(yùn)行使用。

目前，全球燒堿產(chǎn)能已超9 000 萬(wàn)t/a，我國(guó)產(chǎn)能已達(dá)4 000多萬(wàn)t/a，基本為離子膜法電解裝置。

在氯堿工業(yè)中，各種離子膜電解裝置采用的電解工藝基本相同，配套使用的離子膜的功能條件相近，所以，電解室內(nèi)部反應(yīng)條件要求也是基本相同的。離子膜燒堿是通過(guò)電解食鹽水完成工藝反應(yīng)，在電勢(shì)和電流的作用下，遵從電化當(dāng)量規(guī)律，鈉離子從陽(yáng)極室遷移至陰極室，陽(yáng)極室氯氣析出而鹽水濃度下降，陰極室氫氣析出而氫氧化鈉濃度上升。現(xiàn)行工藝為出槽淡鹽水質(zhì)量濃度205 g/L、堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)32%。

可通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)電解室結(jié)構(gòu)提供良好的反應(yīng)條件，并通過(guò)電極活性涂層技術(shù)獲取更低的氯氫析出電位，以期達(dá)到最好的能耗性能。還應(yīng)將工藝與電解反應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，將電解液的循環(huán)方式及各項(xiàng)工藝條件的保證與獲取良好的反應(yīng)狀態(tài)相結(jié)合，工藝與設(shè)備相互匹配，相互彌補(bǔ)，只有這樣，才能使不同結(jié)構(gòu)形式的離子膜電解槽在更大的電流負(fù)荷需求下獲取更高的使用價(jià)值[1]。

1 電解槽的供電組合形式

離子膜電解原理示意圖見圖1。

圖1 離子膜電解原理示意圖

離子膜燒堿電解槽工業(yè)化應(yīng)用初期，設(shè)計(jì)者即發(fā)明了多種著名的電解槽型。其中有以美國(guó)的西方、英國(guó)的ICI、日本的旭硝子等公司為代表的典型的單極式離子膜電解槽，有以德國(guó)的伍德，日本的旭化成、德山曹達(dá)，意大利的迪諾拉以及中國(guó)的北化機(jī)等公司為代表的復(fù)極式離子膜電解槽，許多槽型曾在中國(guó)得到階段性的應(yīng)用。電解槽不同的供電組合形式是區(qū)分電解裝置類型的兩個(gè)重要表征之一。

1.1 單極式離子膜電解槽

單極式離子膜電解槽，電解室為框式結(jié)構(gòu)[2]，雙面均有電極的結(jié)構(gòu)方式，多個(gè)陽(yáng)極反應(yīng)室和陰極反應(yīng)室交替排列，單個(gè)電極面積小的有0.2 m2，大的可達(dá)2.7 m2。同臺(tái)或同組的陽(yáng)極室和陰極室分別并聯(lián)供電，多采用拉桿串拉密封組合。

單極式離子膜電解槽每臺(tái)或每組電解槽可以并聯(lián)組合幾個(gè)甚至幾十個(gè)電解單元槽，單臺(tái)工作電流很大，是所有并聯(lián)電解單元反應(yīng)電流的總和，最高運(yùn)行電流可達(dá)上百kA。而由于單臺(tái)或單組電解槽是并聯(lián)供電組合，電壓卻很低，只是一對(duì)陰陽(yáng)極之間3 V左右的反應(yīng)電壓。

單極式離子膜電解槽供電組合示意圖如圖2所示。

圖2 單極式離子膜電解槽供電組合示意圖

由于單極式離子膜電解槽大電流低電壓的特性，為了設(shè)備能有更高的整變效率，一般在裝置中會(huì)將多臺(tái)電解槽串聯(lián)供電U形排列，每臺(tái)電解槽的電流負(fù)荷相同。

由數(shù)十臺(tái)電解槽組成的單極式離子膜電解裝置，產(chǎn)能規(guī)模較大，每臺(tái)電解槽需要單獨(dú)進(jìn)行反應(yīng)狀態(tài)檢測(cè)和相應(yīng)的工藝控制操作。其優(yōu)點(diǎn)是，必要的時(shí)候可以利用短路開關(guān)裝置進(jìn)行選擇性的跳槽和備用槽替換，能夠合理安排維保人員和時(shí)間做有計(jì)劃的長(zhǎng)期的設(shè)備管理。

單極式離子膜電解槽一般采用外部自然循環(huán)方式，依靠陰陽(yáng)極反應(yīng)室外部設(shè)置的氣液分離箱和降液管，使電解室獲得較大的循環(huán)量，在當(dāng)時(shí)4 kA/m2以下電流密度條件下，槽內(nèi)反應(yīng)狀態(tài)良好，運(yùn)行穩(wěn)定。如果要按當(dāng)今運(yùn)行要求進(jìn)一步提高電流密度，必須在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行電解室內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，才能使老舊裝置的使用周期得以延續(xù)。

由于單極式離子膜電解裝置槽內(nèi)電流分布和槽間大電流導(dǎo)電連接所需的銅及鈦銅復(fù)合組件較多，工藝配管和儀表閥門繁雜，單臺(tái)工藝操作控制點(diǎn)較多且要求有很高的精細(xì)度，需要較多的操作人員和檢測(cè)頻次，設(shè)備制造成本較高，其技術(shù)發(fā)展停滯，生產(chǎn)裝置逐步減少。

1.2 復(fù)極式離子膜電解槽

復(fù)極式離子膜電解槽，一個(gè)陰極室和一個(gè)陽(yáng)極室被一張離子膜相隔形成一個(gè)電解單元，多個(gè)電解單元之間采取陰陽(yáng)極室同向排列串聯(lián)供電組合。單個(gè)反應(yīng)室的電極面積可大可小，最大可達(dá)3.5 m2以上，電解單元之間多采用先進(jìn)的油壓密封擠壓的結(jié)構(gòu)方式。

每臺(tái)復(fù)極式離子膜電解槽可以串聯(lián)幾十個(gè)甚至上百個(gè)電解單元，單臺(tái)總電壓可達(dá)數(shù)百伏，是所有串聯(lián)電解單元電壓的總和，而單臺(tái)電解槽的總電流卻不會(huì)很大，與每個(gè)電解單元的工作電流相同。

圖3 復(fù)極式離子膜電解槽供電組合示意圖

由于復(fù)極式離子膜電解槽較低電流匹配較高電壓的特性，設(shè)備可有較高的整變效率，在裝置中可有多臺(tái)電解槽獨(dú)立供電而物料管路相連，整體布局較為合理。

由多臺(tái)電解槽組成的復(fù)極式離子膜電解裝置，可適用于各種產(chǎn)能規(guī)模的生產(chǎn)裝置，每臺(tái)電解槽產(chǎn)能也可根據(jù)需求通過(guò)工作電流的變化作靈活調(diào)整，并可單獨(dú)進(jìn)行反應(yīng)狀態(tài)檢測(cè)和相應(yīng)的工藝調(diào)整和控制。多臺(tái)運(yùn)行的大規(guī)模生產(chǎn)裝置可隨時(shí)單槽停車檢修，同樣可以合理安排人員和時(shí)間進(jìn)行有計(jì)劃的長(zhǎng)期的設(shè)備管理的維保。

復(fù)極式離子膜電解裝置單臺(tái)產(chǎn)能大，占地面積小，槽內(nèi)電流分布均勻，導(dǎo)電連接簡(jiǎn)易，設(shè)備制造成本較低且有較好的工藝操作控制自動(dòng)化配置，結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化等方面技術(shù)發(fā)展較快，目前是氯堿工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的主流設(shè)備。

2 電解循環(huán)方式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電解工藝循環(huán)方式是區(qū)分電解裝置類型的另外一個(gè)重要表征，可分為強(qiáng)制循環(huán)、外部自然循環(huán)、內(nèi)部自然循環(huán)以及內(nèi)外混合循環(huán)等方式。為了獲得良好的電化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)和優(yōu)良的電解性能，不同的電流密度和不同反應(yīng)室結(jié)構(gòu)需與相應(yīng)的工藝循環(huán)方式相匹配。

2.1 強(qiáng)制循環(huán)工藝與結(jié)構(gòu)

在離子膜電解工藝發(fā)展初期，由于電解反應(yīng)室內(nèi)部沒(méi)有循環(huán)結(jié)構(gòu)和氣液分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電解質(zhì)的濃度和溫度傳導(dǎo)與擴(kuò)散條件不夠理想，特別是電解室有著較大電極面積的復(fù)極式離子膜電解槽，只能在電解槽外部配置大流量循環(huán)泵，通過(guò)對(duì)電解液的強(qiáng)制循環(huán)來(lái)保證電解室內(nèi)所需要的介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)，使電極區(qū)域和電流密度較高的區(qū)域劇烈反應(yīng)形成的介質(zhì)濃度偏離和熱量聚集得以及時(shí)緩解，從而改善電解反應(yīng)條件、降低電解電壓、提高電流效率、延長(zhǎng)離子膜的使用壽命。

離子膜電解槽發(fā)展初期的近20年，復(fù)極式離子膜電解槽多采用強(qiáng)制循環(huán)工藝，每臺(tái)電解槽均設(shè)置有陰、陽(yáng)極液循環(huán)罐和大流量循環(huán)泵。

強(qiáng)制循環(huán)工藝的陽(yáng)極反應(yīng)系統(tǒng)，每個(gè)陽(yáng)極電解室中，除了根據(jù)鹽水的分解率和電化當(dāng)量加入電解反應(yīng)所需的飽和鹽水之外，還將有數(shù)倍的淡鹽水被循環(huán)泵一同送入電解室，形成淡鹽水的大流量循環(huán)，使槽內(nèi)的介質(zhì)具有足夠的流速，使產(chǎn)生并聚集在電極表面影響反應(yīng)條件的氯氣得以更快的析出并快速?zèng)_散，使溫度傳導(dǎo)和離子交換速度得以滿足，從而大大減小了反應(yīng)室內(nèi)的濃差梯度和溫差梯度以及有效降低影響反應(yīng)效率和電解電壓的氣液比。

在陰極反應(yīng)系統(tǒng)，陰極表面產(chǎn)生的氫氣泡密度極小，飄逸性極強(qiáng)，可對(duì)介質(zhì)形成較強(qiáng)的氣舉作用，使介質(zhì)的流動(dòng)性較好，電極表面反應(yīng)條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于陽(yáng)極側(cè)。但在強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中，為了使離子膜兩側(cè)的流場(chǎng)狀態(tài)更加平衡，除了反應(yīng)所需的有限的定量純水注入之外，仍需有與陽(yáng)極室匹配的堿液循環(huán)量，以保證陰、陽(yáng)極室適度和穩(wěn)定壓差，保證離子膜在有極距結(jié)構(gòu)條件下仍得以貼附在陽(yáng)極網(wǎng)面。

由于強(qiáng)制循環(huán)工藝裝置每臺(tái)電解槽均需要配置陰陽(yáng)極循環(huán)槽和大流量循環(huán)泵，反應(yīng)室進(jìn)口壓力及槽內(nèi)液相壓力很高，循環(huán)泵和循環(huán)管路系統(tǒng)的噪聲和能耗很高，管路振動(dòng)和壓力波動(dòng)也較高。要使膜兩側(cè)陰陽(yáng)極室的正向壓差始終得以保持，需要控制槽內(nèi)和系統(tǒng)的氯氫壓差值達(dá)15 kPa或更高，對(duì)離子膜和電極網(wǎng)的強(qiáng)度都需要有很高的要求，離子膜和電極要厚實(shí)，加之制造精度所需的陰陽(yáng)極極距，反應(yīng)電壓和噸堿電耗相對(duì)較高。

由于大面積反應(yīng)室對(duì)傳質(zhì)、傳熱和傳速的要求較高，受電解槽的活性陰極技術(shù)、膜的制造技術(shù)、反應(yīng)結(jié)構(gòu)技術(shù)以及工藝控制技術(shù)等方面條件的制約，早期強(qiáng)制循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽的運(yùn)行電流密度一般只能在3 kA/m2左右，萬(wàn)噸裝置需要近百個(gè)電解單元，裝置制造成本也很高，大型強(qiáng)制循環(huán)生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)在氯堿行業(yè)已經(jīng)基本被棄用。

但是，強(qiáng)制循環(huán)工藝還是有其特有的適用性的，在有機(jī)電解以及沒(méi)有或少有氣體析出和擾動(dòng)的電解工藝領(lǐng)域以及微電解或微型試驗(yàn)裝置上，由于反應(yīng)室內(nèi)部不具備氣舉效應(yīng)所形成的自循環(huán)動(dòng)力，強(qiáng)制循環(huán)形式仍然是不可替代的工藝方式。

2.2 自然循環(huán)工藝與結(jié)構(gòu)

自然循環(huán)工藝裝置可應(yīng)用外部自然循環(huán)或內(nèi)部自然循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式的電解槽，現(xiàn)在主流的復(fù)極式離子膜電解工藝裝置，多為內(nèi)部自然循環(huán)結(jié)構(gòu)形式的電解槽。

2.2.1 外部自然循環(huán)裝置

早期的自然循環(huán)工藝裝置，多為外部自然循環(huán)結(jié)構(gòu)形式。它是利用室內(nèi)氣泡效應(yīng)形成的上浮動(dòng)力，將電解液從電解室上部帶入設(shè)置在電解室上方或側(cè)方一定高度的的氣液分離箱。進(jìn)入電解室上方氣液分離箱的插入管有一定的高度，防止電解液回流阻塞電解室出口。氣液分離箱下部的循環(huán)降液管與電解室下部入口連通。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體從氣液分離箱上部匯入系統(tǒng)氣體總管并排出界區(qū)處理。電解液通過(guò)氣液分離器溢流管保持一定的液位并進(jìn)入系統(tǒng)出口總管排出，而更多的電解液依靠重力和虹吸原理循環(huán)回電解室，從而獲得較大的循環(huán)量。

圖4 外部自然循環(huán)裝置示意圖

20世紀(jì)八、九十年代日本旭硝子公司設(shè)計(jì)制造的AZEC-F2型離子膜電解槽，是外部自然循環(huán)工藝結(jié)構(gòu)的典型代表，其在4 kA/m2電流密度條件下，反應(yīng)室內(nèi)部壓力和循環(huán)量穩(wěn)定，工藝條件穩(wěn)定，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，目前仍有一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置在國(guó)內(nèi)外氯堿企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行。

工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)合理的外部自然循環(huán)結(jié)構(gòu)裝置，可以達(dá)到與前述的強(qiáng)制循環(huán)工藝異曲同工的工藝效果和內(nèi)部反應(yīng)狀態(tài)，電解室內(nèi)不僅通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣泡的“氣舉作用”作為介質(zhì)溢出動(dòng)力，還可通過(guò)外部的降液重力提供介質(zhì)的循環(huán)動(dòng)力。如果能在反應(yīng)室內(nèi)部加以內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，一定會(huì)是一種應(yīng)用范圍更廣生命力更強(qiáng)的工藝裝置。

2.2.2 內(nèi)部自然循環(huán)裝置

隨著氯堿工藝技術(shù)和產(chǎn)能需求的不斷提高，電解室內(nèi)反應(yīng)條件和反應(yīng)狀態(tài)對(duì)燒堿電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，對(duì)如何獲得更好的反應(yīng)效果與更低的電耗的研究也越來(lái)越專業(yè)，21世紀(jì)伊始，結(jié)構(gòu)先進(jìn)的內(nèi)部自然循環(huán)電解槽逐步成為氯堿裝置的主流應(yīng)用槽型。

電解反應(yīng)析出的大量氣體產(chǎn)生的“氣舉”現(xiàn)象，是反應(yīng)室內(nèi)難得的循環(huán)驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)合理的氣液分離與循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]，可以使介質(zhì)在槽內(nèi)自然形成不斷的上下往復(fù)流動(dòng)，大大改善了 “三傳一反”條件，使電極與離子膜表面的電解液流速成倍的增大，使電極與離子膜表面聚集的反應(yīng)熱得以擴(kuò)散，使電極與離子膜表面急速變化的介質(zhì)濃度得到有效改善，使反應(yīng)區(qū)域的氣泡更快速的析出，使槽內(nèi)氣液比得以大大降低、溫差梯度和濃差梯度減小、電極和膜的壽命延長(zhǎng)，電解槽的電壓降低，槽內(nèi)壓力波動(dòng)減小，增大了電流密度提升的空間。

圖5 內(nèi)部自然循環(huán)狀態(tài)示意圖

通過(guò)對(duì)上述反應(yīng)原理的科學(xué)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前得到廣泛應(yīng)用的內(nèi)部自然循環(huán)工藝和結(jié)構(gòu)的電解槽，在電流密度達(dá)到4.5 kA/m2時(shí)，仍可低于外部自然循環(huán)結(jié)構(gòu)槽型在3.5 kA/m2時(shí)的反應(yīng)電壓，電解性能明顯提高，噸堿電耗大大降低。

3 反應(yīng)條件與工藝控制原理

在離子膜電解槽中，電化學(xué)反應(yīng)集中在離子膜和電極的表面區(qū)域，在此區(qū)域，反應(yīng)介質(zhì)足夠的流動(dòng)速度、析出氣體的快速漂移、反應(yīng)熱的有效傳導(dǎo)和擴(kuò)散、離子的及時(shí)交換和遷移以及反應(yīng)濃度的快速融合，是保證電解室內(nèi)有良好反應(yīng)狀態(tài)的重要因素[4]。

為了使電解室內(nèi)獲得良好的反應(yīng)狀態(tài)，對(duì)電解系統(tǒng)的工藝控制應(yīng)結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)條件有所側(cè)重[5]，甚至還需要更有益的變化，使裝置盡可能在更佳狀態(tài)下運(yùn)行。

3.1 系統(tǒng)的壓力和壓差控制

電解界區(qū)的氯氫壓差恒定和穩(wěn)定，事關(guān)離子膜和電極的使用壽命，同時(shí)也是工藝運(yùn)行與操作技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。

當(dāng)陰極室相對(duì)于陽(yáng)極室的壓差過(guò)小或出現(xiàn)反向壓差時(shí)，離子膜將不能很好的貼合在陽(yáng)極網(wǎng)面上，離子膜和陽(yáng)極之間的鹽水和氯氣泡將產(chǎn)生很大的電阻，會(huì)使電解電壓異常升高，甚至導(dǎo)致運(yùn)行事故。

單槽或個(gè)體設(shè)備故障的發(fā)生對(duì)系統(tǒng)壓力的影響會(huì)使裝置出現(xiàn)聯(lián)鎖停車和意外傷害問(wèn)題，而氯氫處理以及前后界區(qū)之間的相互影響造成的系統(tǒng)壓力控制問(wèn)題，更是引起電解界區(qū)壓力和壓差超限聯(lián)鎖的多發(fā)原因。

3.1.1 電解系統(tǒng)的氣相壓力

離子膜電解界區(qū)內(nèi)的壓力控制范圍在裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)階段已經(jīng)根據(jù)管路直徑、閥門儀表選型以及設(shè)備承壓狀態(tài)等條件得以確定，目前絕大多數(shù)裝置運(yùn)行在40 kPa以內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，離子膜和電極的安全承壓能力約為15 kPa。作用在離子膜表面的壓力等于陰陽(yáng)極室的氣相壓差值與陰極彈性壓力值之和。陰陽(yáng)極室氣相壓差聯(lián)鎖保護(hù)值小于10 kPa，膜兩側(cè)的氯氫壓差控制值在(3～5)kPa為宜。陰極室相對(duì)于陽(yáng)極室的微小正壓差的保持恒定對(duì)于離子膜和電極的使用壽命至關(guān)重要[6]。

早期的隔膜槽和單極式離子膜電解裝置，為了減少氯氣泄漏隱患，電解界區(qū)一般為平壓設(shè)計(jì)，氯氣壓力接近于0 kPa，氯壓機(jī)進(jìn)口為負(fù)壓操作，而氫氣管線只有3 kPa的微正壓，電解槽內(nèi)部壓力很低，所以，在運(yùn)行狀態(tài)和開停車過(guò)程中，電解界區(qū)的壓力和壓差的控制相對(duì)簡(jiǎn)捷，但對(duì)后續(xù)氯氫壓機(jī)系統(tǒng)的壓力控制卻有著更多的依賴性。

電解界區(qū)的壓力越低，對(duì)氣體管路和閥門的直徑要求會(huì)越大，后續(xù)系統(tǒng)(如氯壓機(jī)系統(tǒng))的壓力調(diào)整空間也會(huì)越小，對(duì)電解系統(tǒng)壓力控制的反向影響門檻也越低，需要氯壓機(jī)有更高的壓縮比和更大的功率，而且低氣壓輸出的氯氣含水量也會(huì)較高。

隨著裝置規(guī)模不斷的大型化，氯氫處理工藝更加科學(xué)和多樣化，電解界區(qū)與氯氫處理系統(tǒng)的壓力關(guān)系更加復(fù)雜，根據(jù)氯壓機(jī)進(jìn)口壓力設(shè)定和壓縮比設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)的壓力需要等因素，離子膜電解界區(qū)的設(shè)計(jì)壓力有所提高，有些裝置的設(shè)計(jì)壓力達(dá)40 kPa以上，使開停車過(guò)程的壓力控制操作過(guò)程有所延長(zhǎng)。

有些氯堿企業(yè)為了能夠更安全的操作和控制，嘗試改變運(yùn)行已久的電解裝置，將壓力控制值從設(shè)計(jì)的40 kPa降低到20 kPa。雖然電解界區(qū)壓力升降控制便捷了，但壓力調(diào)節(jié)閥的長(zhǎng)期運(yùn)行開度卻變?yōu)檩^大開度狀態(tài)，使應(yīng)對(duì)異常壓力時(shí)的調(diào)節(jié)范圍受限，調(diào)節(jié)性能也有所降低，而且調(diào)節(jié)閥前和閥后的壓差大大降低，氯氫壓機(jī)的壓力波動(dòng)對(duì)電解壓力的影響也變得更加直接，壓差聯(lián)鎖停車更難避免。另外，許多老裝置進(jìn)行膜極距結(jié)構(gòu)技術(shù)改造后，運(yùn)行電流密度具備了一定的上升空間，而較低的控制壓力和較大的閥門開度，也會(huì)給產(chǎn)能提升和氯氫氣體的增量控制帶來(lái)限制。

隨著對(duì)工藝技術(shù)的深入理解和操作水平的不斷提升，在裝置的開停車過(guò)程中，電解壓力和壓差的穩(wěn)定控制已可應(yīng)對(duì)自如，電解界區(qū)運(yùn)行壓力的高低，完全可以根據(jù)裝置的總體需求在合理的范圍內(nèi)做最有利的設(shè)定。

3.1.2 聯(lián)鎖停車時(shí)氯氫壓力的控制

在出現(xiàn)異常情況或聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，部分電解槽或全部電解槽的緊急停車，會(huì)使電解界區(qū)氯氣和氫氣的生成量突然變小，導(dǎo)致各控制關(guān)口的壓力較為明顯的突然下降和波動(dòng)，串級(jí)控制的氯氫壓差很可能也會(huì)出現(xiàn)異常，這種現(xiàn)象在自控模式下多有發(fā)生，一定要根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋并通過(guò)預(yù)設(shè)合乎邏輯且行之有效的自控程序加以避免。

及時(shí)合理的控制模式切換在聯(lián)鎖停車時(shí)氯氫壓力和壓差的控制中是一個(gè)可行和有效的方式。在壓力出現(xiàn)較快的明顯降低時(shí)，如果不能有效的應(yīng)對(duì)，壓力波動(dòng)在所難免。此時(shí)，程序的應(yīng)對(duì)設(shè)置可將自控模式及時(shí)切換至人工控制模式，使壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)定有一個(gè)與現(xiàn)有氣體流量更加匹配的適度的開度，使聯(lián)鎖停車后的氯氣和氫氣壓力穩(wěn)定和自然的降低，待壓力穩(wěn)定后再及時(shí)自動(dòng)切換回自控模式，可以更好的保證串級(jí)壓差，防止壓差超限造成聯(lián)鎖停車。在異常壓力波動(dòng)和變化反復(fù)出現(xiàn)時(shí)，可視壓力和閥門的變化狀況重復(fù)進(jìn)行模式切換，動(dòng)態(tài)的設(shè)定調(diào)節(jié)閥開度，消除壓力異常和波動(dòng)。

當(dāng)然，還有許多原因會(huì)導(dǎo)致氯氫壓力出現(xiàn)異常變化和波動(dòng)，應(yīng)該根據(jù)裝置已經(jīng)掌握的運(yùn)行和開停車數(shù)據(jù)，羅列異常因素引起的可能出現(xiàn)的異常反應(yīng)，分析危害數(shù)據(jù)確定穩(wěn)定控制的方法，并融入到自控程序中，逐步健全DCS控制系統(tǒng)能力。

3.1.3 氮?dú)庵脫Q與穩(wěn)定的壓力調(diào)節(jié)

由于氫氣所具有的爆燃特性，規(guī)范的氮?dú)庵脫Q是工藝系統(tǒng)重要的安全保障。由于氮?dú)夤芫€的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電解系統(tǒng)能夠承受的運(yùn)行壓力，不合理的氮?dú)饬髁靠刂坪烷_閉方法很可能會(huì)形成對(duì)陰極系統(tǒng)巨大的壓力沖擊，對(duì)電解裝置的安全形成嚴(yán)重的威脅，這也是造成陰陽(yáng)極壓差超限聯(lián)鎖停車及設(shè)備壓力損傷的重要原因之一。需要關(guān)注的是，這個(gè)重要危害因素往往在問(wèn)題分析和操作控制中被忽略和遺漏。

氯氫壓差的超限是造成電解槽的電極和離子膜損傷的重要因素，而氯氫壓力過(guò)高也會(huì)使設(shè)備的承壓極限受到考驗(yàn)。有些用戶單純的在管線上安裝氣體壓力安全閥或水封裝置，有可能發(fā)生單一管線失壓，不但不能有效的避免運(yùn)行事故，還有可能增加壓差聯(lián)鎖及壓差損傷事故的隱患。所以，正確的操作方法和合理的設(shè)定控制程序才是工藝運(yùn)行最好的保障。

開車送電前，在按步驟切實(shí)做好氮?dú)庵脫Q，達(dá)到氮?dú)饧兌确治鲋笜?biāo)的條件下，必須對(duì)氮?dú)庾鲞m量的調(diào)節(jié)。氮?dú)庾罴蚜髁繎?yīng)當(dāng)可以使電解系統(tǒng)陰極壓力調(diào)節(jié)閥的開度達(dá)到有效調(diào)整狀態(tài)，并且可以使系統(tǒng)內(nèi)陰極管線壓力穩(wěn)定控制在4 kPa左右，從而具備氯氫壓差串級(jí)控制的基本條件。此時(shí)的氮?dú)饬飨驊?yīng)從電解界區(qū)通過(guò)氫氣壓縮機(jī)直至氯氫合成等后續(xù)系統(tǒng)的檢測(cè)口，保證全線達(dá)標(biāo)。在電解槽送電初始階段，隨著電流的逐步提升和氫氣流量的逐步增大，壓力調(diào)節(jié)閥的有效開度也會(huì)逐漸變大，氫氣對(duì)壓力的影響作用逐漸增加，氮?dú)饬髁靠煞执位蛑饾u減小，直至隨時(shí)全部關(guān)閉KV閥時(shí)也不至于引起壓力和壓差出現(xiàn)明顯波動(dòng)的基本流量(如：10或15 m3/h)。此時(shí)，重要的是關(guān)閉KV閥時(shí)要保留氮?dú)馐謩?dòng)限流閥的微小開度，或者使控制程序儲(chǔ)存流量自動(dòng)調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉前的這個(gè)基本開度，作為電解系統(tǒng)停車或緊急停車時(shí)氮?dú)饴?lián)鎖開啟的初始開度設(shè)定值，利用自動(dòng)調(diào)節(jié)閥或者手動(dòng)限流閥的這個(gè)初始開度的限流減壓作用，有效控制聯(lián)鎖開啟時(shí)氮?dú)獾某跏剂髁亢头€(wěn)定注入。特別需要注意的是，計(jì)劃停車或意外停車時(shí)，“控制程序切勿將某個(gè)氮?dú)饬髁恐底鳛榈獨(dú)忾y聯(lián)鎖開啟時(shí)的自控設(shè)定值”，避免高壓氮?dú)忾_始充入時(shí)，氮?dú)忾y前與閥后極高的壓力梯度形成的閥門失控和劇烈的流量和壓力波動(dòng)，以及對(duì)系統(tǒng)壓力和壓差的控制造成強(qiáng)烈的干擾，防止形成對(duì)離子膜和電極的壓力沖擊。

“平穩(wěn)且合理的開車過(guò)程的反向順序?qū)嵤┦亲詈玫耐＼嚥僮鳌薄㈤_車過(guò)程與停車過(guò)程的氮?dú)忾_關(guān)和流量調(diào)節(jié)關(guān)系和順序有機(jī)的對(duì)稱統(tǒng)一，保持好氯氫壓差串級(jí)控制的流量和壓力條件，充分發(fā)揮自控系統(tǒng)在開停車和運(yùn)行過(guò)程中的正確作用，并能夠做到舉一反三的理解和運(yùn)用到其他類似操作，是工藝技術(shù)人員和操作者必須掌握的技能。

3.1.4 氯壓機(jī)與電解界區(qū)壓力的協(xié)調(diào)控制

氯氣處理系統(tǒng)的壓力控制和應(yīng)對(duì)流量變化的適應(yīng)性能力是電解界區(qū)壓力和壓差穩(wěn)定控制的重要保障。

在電解裝置開車送電前，氯壓機(jī)必須已經(jīng)調(diào)試至具備穩(wěn)定的壓力和流量控制能力，并在送電前打通電解界區(qū)與氯氣壓縮和處理的管路，充分滿足裝置的自控條件，避免送電后界區(qū)間銜接時(shí)壓力梯度和流量突變?cè)斐傻膲毫Σ▌?dòng)。

為了電解界區(qū)的壓力安全，氯壓機(jī)開機(jī)時(shí)與電解界區(qū)是利用KV閥隔離的。此時(shí)應(yīng)利用氯壓機(jī)較大空氣回流開啟氯壓機(jī)，將大小回流閥設(shè)置在較大開度，而導(dǎo)葉口并非很大，預(yù)留足以自控調(diào)節(jié)的余量，努力使氯壓機(jī)具備開車后工藝運(yùn)行所需的進(jìn)口壓力，然后根據(jù)氯氣流量的變化調(diào)整所需的出口壓力和壓縮比。

氯壓機(jī)進(jìn)口壓力可利用回流調(diào)節(jié)至接近于0，當(dāng)電解槽具備送電條件時(shí)，打開與電解界區(qū)相隔離的KV閥，使電解系統(tǒng)的氯氣管線的壓力從除害系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至氯壓機(jī)系統(tǒng)，不會(huì)改變電解系統(tǒng)和氯氣處理系統(tǒng)的氣相狀態(tài)，也不會(huì)影響電解系統(tǒng)的壓差控制狀態(tài)。

此時(shí)，較大的自控回流開度以及適度的旁路開度和導(dǎo)葉開度，為電解裝置送電后電流提升過(guò)程氯氣量的逐漸增加創(chuàng)造了自控調(diào)節(jié)的穩(wěn)定條件。隨著電解界區(qū)氯氣流量的逐步增加，完全可以通過(guò)自控系統(tǒng)程序的優(yōu)化設(shè)置，對(duì)氯壓機(jī)和氯氣處理系統(tǒng)的大小回流、氯壓機(jī)出口壓力、導(dǎo)葉口開度等多部位的合理匹配和穩(wěn)定調(diào)節(jié)，獲得穩(wěn)定的氯壓機(jī)進(jìn)口壓力，從而保證電解系統(tǒng)的順利開車和穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 電解流量的保證

電解槽入口的介質(zhì)流量是根據(jù)反應(yīng)電流、電化當(dāng)量、分解率、介質(zhì)濃度及反應(yīng)濃度等物料平衡需求的綜合因素理論計(jì)算設(shè)定的。以陽(yáng)極反應(yīng)為例，年產(chǎn)每萬(wàn)噸(折百)燒堿的電解裝置，當(dāng)進(jìn)槽濃鹽水(305 g/L)流量為12 m3/h左右時(shí)，其出槽淡鹽水濃度剛好滿足205 g/L的工藝要求。真正的內(nèi)部自然循環(huán)電解槽，除了加入滿足鹽水電解所需的濃鹽水之外，是不需再將淡鹽水作為循環(huán)液循環(huán)回電解槽的。而如果淡鹽水通過(guò)循環(huán)回流進(jìn)入電解槽，是為了提高電解液的流速以改善反應(yīng)條件和反應(yīng)狀態(tài)，并不會(huì)打破原有的物料平衡，同時(shí)還可調(diào)整溶液含氯量和酸度，使設(shè)備和管線獲得耐腐蝕鈍化效果。

某些并非完全自然循環(huán)的電解裝置，在單純的物料(比如精鹽水)流量供給條件下，其循環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)部循環(huán)不能滿足反應(yīng)所需的循環(huán)量和良好的反應(yīng)狀態(tài)，除了反應(yīng)物料平衡所必須的原料供給流量之外，特別要注意根據(jù)電解室內(nèi)部反應(yīng)狀態(tài)提供足夠流量的反應(yīng)物質(zhì)作為循環(huán)液，以滿足規(guī)定的反應(yīng)介質(zhì)流速及反應(yīng)溫度傳導(dǎo)和濃度擴(kuò)散條件，降低反應(yīng)區(qū)域的氣液比，使離子膜的性能和壽命得以保證，降低電壓和電耗。

在當(dāng)今膜極距主流結(jié)構(gòu)條件下，由于致密的彈性電極與離子膜緊密的接觸，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使介質(zhì)進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)域的流動(dòng)阻力增加，反應(yīng)區(qū)域的介質(zhì)置換和高溫?cái)U(kuò)散更加困難，局部氣液比加大；濃差梯度和溫差梯度加大，對(duì)介質(zhì)的循環(huán)量及膜面流速也要求更大。高電流密度膜極距電解槽，內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)往往難以滿足反應(yīng)狀態(tài)需求，加入足夠的或略為富余的外部循環(huán)流量尤為重要。在電解裝置運(yùn)行中，過(guò)低的介質(zhì)流量甚至斷流是發(fā)生嚴(yán)重事故重要原因之一，多數(shù)工藝流量是隨條件變化而變化的，這也是自控系統(tǒng)作用的一個(gè)重要體現(xiàn)。但往往由于儀表參數(shù)設(shè)定缺陷，在出現(xiàn)條件突變時(shí)，串級(jí)控制的閥門不能及時(shí)穩(wěn)定的使流量調(diào)節(jié)到位，甚至出現(xiàn)大幅波動(dòng)或變化，對(duì)設(shè)備安全造成威脅。這種情況必須結(jié)合工藝設(shè)計(jì)和儀表設(shè)計(jì)以及運(yùn)行條件等諸多因素全面分析，合理調(diào)整和設(shè)置自控程序，保證自控系統(tǒng)在任何情況下的穩(wěn)定和有效的控制。

3.3 電解濃度的控制

在離子膜電解反應(yīng)過(guò)程中，介質(zhì)濃度關(guān)系到離子膜效能的正常發(fā)揮和離子膜壽命的保證。目前，離子膜燒堿電解的主流工藝要求陰極液氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～32%，陽(yáng)極液淡鹽水質(zhì)量濃度為205 g/L。在容許的范圍內(nèi)，偏高的介質(zhì)濃度會(huì)使電壓偏高而電流效率也相對(duì)稍高。

當(dāng)?shù)}水溶液濃度過(guò)低或氫氧化鈉溶液濃度過(guò)高且超過(guò)一定指標(biāo)時(shí)，離子膜和電極表面反應(yīng)區(qū)域的離子交換與傳質(zhì)條件變差，膜層間水分子的積存將使離子膜出現(xiàn)分層、針孔、起泡及破裂等劣化現(xiàn)象，會(huì)造成電流效率的下降和電壓的上升，乃至離子膜的壽命終結(jié)。

有些裝置在電解槽出口濃度的檢測(cè)并無(wú)異常，但仍出現(xiàn)一些離子膜分層和起泡現(xiàn)象，這種情況，應(yīng)從電極和離子膜表面區(qū)域的反應(yīng)狀態(tài)和條件加以分析。個(gè)別膜出現(xiàn)起泡現(xiàn)象往往是由對(duì)應(yīng)的單元槽流量或膜和電極表面局部區(qū)域反應(yīng)條件異常所致。

電解槽的電解液供給是由總管通過(guò)與各個(gè)電解單元相連接的軟管均勻分配的，個(gè)別電解單元的液流阻力較大會(huì)使該單元流量變小，造成個(gè)別離子膜起泡，應(yīng)著重檢查單元槽進(jìn)出口部位及槽內(nèi)液分散管的分布孔是否有樹脂顆粒或其他異物堵塞問(wèn)題。

有些離子膜的局部起泡現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)單元槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，重點(diǎn)排查內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)變形或相應(yīng)部位液分布孔堵塞問(wèn)題，消除槽內(nèi)局部液流死區(qū)或液流不暢。

另外，有些電解單元如果陰陽(yáng)極室間發(fā)生結(jié)構(gòu)導(dǎo)電不良問(wèn)題，會(huì)使電極表面電流分布不均，局部電流密度過(guò)大，會(huì)使對(duì)應(yīng)位置的離子交換反應(yīng)超過(guò)了承受極限，造成離子膜局部起泡。

3.4 電解溫度的控制

電解溫度的控制對(duì)離子膜效能的正常發(fā)揮和離子膜壽命的保證十分重要。我們通常根據(jù)陰極液出槽溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷槽內(nèi)反應(yīng)溫度并加以控制。電流密度的高低、電解濃度的高低、電解電壓的高低、內(nèi)部反應(yīng)狀態(tài)的優(yōu)劣以及電解循環(huán)狀態(tài)等多種因素都會(huì)影響電解溫度。

溫度控制的目的是防止電解液中的水分子在達(dá)到或超過(guò)沸點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)汽化導(dǎo)致槽內(nèi)氣液比上升和電壓明顯升高，甚至離子膜的熱熔性損傷，電解溫度控制失誤往往會(huì)造成較嚴(yán)重的設(shè)備事故。

由于不同的電解槽結(jié)構(gòu)和循環(huán)工藝的不同，電解室內(nèi)不同區(qū)域的介質(zhì)存在溫差梯度。通常槽內(nèi)上部溫度高于下部溫度，貼近膜和電極表面的反應(yīng)區(qū)域溫度高于槽內(nèi)液體循環(huán)區(qū)域溫度，所以，介質(zhì)出槽溫度并不能真實(shí)反映槽內(nèi)高溫區(qū)域的溫度。要使槽內(nèi)任何部位的介質(zhì)溫度均在汽化溫度以下，我們根據(jù)結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分析和工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定了溫度控制指標(biāo)。早期有極距低電流密度電解槽的陰極液出口溫度需嚴(yán)格控制在90 ℃以下。隨著電解槽內(nèi)部氣液分離結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)以及膜極距結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，目前主流裝置的運(yùn)行電流密度有了較大的提升，其槽內(nèi)溫差梯度有所加大。針對(duì)膜極距的反應(yīng)狀態(tài)，需要適當(dāng)降低電解槽出口的溫度檢測(cè)指標(biāo)，倡導(dǎo)較低的溫度控制及自然溫度運(yùn)行。適度加大循環(huán)流量，改善電極和膜面的反應(yīng)條件，防止電極和膜的性能加速劣化和壽命縮短。根據(jù)近十年的運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)代槽型裝置的陰極液出口溫度控制在(85±2)℃為宜。

根據(jù)離子膜的性能特點(diǎn)，在規(guī)定的槽溫控制范圍內(nèi)，離子膜的溫度效能可以得到有效的保證，而此時(shí)較高的槽溫較之較低的槽溫可以獲得更低的反應(yīng)電壓。如果在工藝條件下電解槽的自然反應(yīng)溫度低于85 ℃，表明離子膜和電極的性能處于較佳狀態(tài)期，此時(shí)，出于對(duì)離子膜使用壽命和電流效率的更高期待，我們并不提倡人為的加熱升溫來(lái)博取更低的電壓。隨著運(yùn)行周期的延續(xù)，膜電阻和電極電壓會(huì)自然上升，槽溫也將自然升高。

3.5 電解酸度的工藝與控制

由于來(lái)自樹脂塔的精制鹽水為弱堿性，根據(jù)離子膜和電極的適用條件以及產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求，需要對(duì)進(jìn)槽鹽水做加酸調(diào)節(jié)。在進(jìn)槽鹽水酸度不得大于0.15 mol/L的保證條件下，我們以出槽淡鹽水pH值不低于2且力求接近2這個(gè)工藝目標(biāo)來(lái)控制進(jìn)槽的加酸量。

離子膜的加酸量的精準(zhǔn)控制非常重要，根據(jù)工藝要求規(guī)范的電解加酸，可以使陽(yáng)極涂層的性能及壽命得到更好的保證，氯中含氧量得到控制，同時(shí)還可以有效抑制電解過(guò)程中氯酸鹽的生成，減輕鹽水處理過(guò)程中氯酸鹽分解工藝和設(shè)備負(fù)擔(dān)。但加酸過(guò)量會(huì)使離子膜酸化或起泡，降低離子膜的運(yùn)行性能和壽命。

在新的離子膜開始使用時(shí)段，電流效率處于較高的狀態(tài)，反向滲透遷移至陽(yáng)極室的OH-及副反應(yīng)較少，所以進(jìn)槽鹽水的加酸量也會(huì)較小。而隨著膜在使用過(guò)程中的性能劣化，OH-的反向遷移增多，加酸量也要隨之加大，才能達(dá)到淡鹽水酸度要求。

在電解加酸操作中，為了防止出現(xiàn)加酸過(guò)程對(duì)電解室內(nèi)的反應(yīng)狀態(tài)的干擾和波動(dòng)，加入的鹽酸濃度不能過(guò)高，加入口內(nèi)需有與鹽水的混流設(shè)置，保證稀釋的鹽酸均勻穩(wěn)定加入每一個(gè)電解單元。自控程序和自控閥門需根據(jù)運(yùn)行電流和出槽淡鹽水pH值串級(jí)調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)和穩(wěn)定的控制加酸量，更好地滿足工藝要求。

3.6 鹽水質(zhì)量的控制和保障

高質(zhì)量的鹽水是電解裝置高性能運(yùn)行的重要保障，特別是在當(dāng)今高電流密度和節(jié)能降耗的環(huán)境條件下，努力保持對(duì)鹽水質(zhì)量有更高的要求，是離子膜電解工藝技術(shù)永恒的主題。

噸堿電耗狀況是衡量一個(gè)燒堿裝置運(yùn)行水平的終極指標(biāo)，噸堿電耗的高低直接顯示著離子膜和電極性能的優(yōu)劣和安全性能狀況。電流效率和膜電壓是離子膜的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，也是鹽水質(zhì)量的直接反映。

隨著當(dāng)今電解裝置內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)和膜極距技術(shù)的應(yīng)用，運(yùn)行電流密度大大提升，達(dá)到了6 kA/m2以上，單位時(shí)間內(nèi)離子膜承受的的鈉離子交換量較之早期裝置有了成倍的增加，鹽水雜質(zhì)對(duì)膜的危害會(huì)更加明顯[7]。雖然離子膜的采購(gòu)成本已有所降低，但由于單套裝置規(guī)模的大型化發(fā)展，雜質(zhì)污染對(duì)膜的性能和壽命的影響造成的經(jīng)濟(jì)損失依然需要嚴(yán)加控制。

以二次精制鹽水中鈣鎂指標(biāo)為例，雖然原有規(guī)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于20×10-9，但在當(dāng)今運(yùn)行電流密度條件下，將其控制在10×10-9以下無(wú)疑是非常必要的，特別是要注意在一個(gè)膜周期內(nèi)不能出現(xiàn)一次失誤。有些企業(yè)鹽水質(zhì)量控制可以達(dá)到鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5×10-9左右，但只是因?yàn)榕紶柕囊淮纬瑯?biāo)，造成離子膜不可逆轉(zhuǎn)的性能劣化，卻得到了事倍功半的效果，確實(shí)需要引起我們足夠的重視。在離子膜運(yùn)行周期內(nèi)，鹽水雜質(zhì)超標(biāo)事故發(fā)生的越早，噸堿電耗升高造成的損失也就越大。

工業(yè)實(shí)踐證明，我們可以通過(guò)鹽水質(zhì)量的有效控制，使噸堿電耗的年平均升高值降低1%以上，以燒堿50萬(wàn)t/a的中小型企業(yè)為例，年降電潛能可達(dá)1 000萬(wàn)kW·h，而中國(guó)企業(yè)總產(chǎn)能約有4 000萬(wàn)t/a裝置，年降耗電能可達(dá)8億kW·h，足以滿足國(guó)內(nèi)任何一個(gè)大型城市所有家庭一個(gè)月的生活用電需求，更加突顯了鹽水質(zhì)量保證的重要意義。

3.7 努力增添自控程序的智能基因

許多企業(yè)過(guò)分依賴DCS操作人員的人為干預(yù)來(lái)完成裝置的穩(wěn)定控制，這是技術(shù)管理的一大誤區(qū)。我們要充分挖掘自控系統(tǒng)的潛能，發(fā)揮技術(shù)團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)，羅列問(wèn)題并全面分析因果關(guān)系，群策群力定方案，將人的技術(shù)智慧和正確的操作邏輯準(zhǔn)確的融入自動(dòng)化程序[8]，逐步增添自控系統(tǒng)的智能基因。

要重視流量、壓力等自控閥門的自控調(diào)節(jié)條件的滿足，尤其要注意通過(guò)人工調(diào)節(jié)使實(shí)際狀態(tài)值在最接近所需的自控設(shè)定值時(shí)，才是切換至自控和串級(jí)狀態(tài)的理想時(shí)機(jī)，切勿在流量或壓力控制的初始階段直接輸入設(shè)定值并直接切入自控程序。

在自控運(yùn)行時(shí)，如遇異常波動(dòng)，及時(shí)將實(shí)際狀態(tài)值切換為設(shè)定值，縮小設(shè)定值與實(shí)際狀態(tài)值的差距，從而減少閥門劇烈的往復(fù)動(dòng)作，是縮小和阻止流量或壓力異常波動(dòng)的有效方式。

要根據(jù)系統(tǒng)工藝需求、運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整空間、動(dòng)作效應(yīng)、功能特性等因素，合理設(shè)定調(diào)節(jié)閥的性能參數(shù)和控制動(dòng)作步驟，使自動(dòng)控制效果優(yōu)于操作人員的水平，真正達(dá)到裝置應(yīng)具備的自動(dòng)化水平。

要通過(guò)對(duì)壓力異常變化因素的細(xì)致分析，有針對(duì)性的對(duì)控制參數(shù)和程序邏輯做合理整定，使控制系統(tǒng)可以及時(shí)有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)和應(yīng)對(duì)氣體流量和壓力的突變，穩(wěn)定控制系統(tǒng)壓力和壓差在工藝容許的范圍之內(nèi)，才能有效的減少及避免聯(lián)鎖停車。

4 技術(shù)發(fā)展與電解工藝

隨著電極技術(shù)的提高和離子膜的適用性提高，氯堿工藝將會(huì)向更高的電流密度、更高的電解液濃度和更大的單槽產(chǎn)能方向發(fā)展，對(duì)電解室內(nèi)部反應(yīng)條件的要求也會(huì)更高。內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)與循環(huán)工藝的優(yōu)化結(jié)合、電極與膜表面介質(zhì)的流速保證、分子的遷移與交替條件的保證、反應(yīng)溫度的擴(kuò)散和傳導(dǎo)條件的保證、濃差梯度與溫差梯度的控制、電流密度的均勻分布、反應(yīng)室內(nèi)氣液的導(dǎo)出和分離的同步快速完成、氣泡析出通道和氣液比的低值保證、析氯過(guò)電位和析氫過(guò)電位的降低、高濃度條件下膜電壓和電流效率的性能保證等等工藝條件的保證能否達(dá)到更高的要求，無(wú)疑都是我們要研究的課題。

4.1 膜極距結(jié)構(gòu)技術(shù)的改進(jìn)與提高

各種槽型的設(shè)計(jì)者通常采取彈性陰極結(jié)構(gòu)完成了膜極距技術(shù)的創(chuàng)新，將陰陽(yáng)極間距縮小到了膜的厚度，有效的消除了陰陽(yáng)極極間氣液電阻。膜極距技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，加之在內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)和陰陽(yáng)極技術(shù)等方面的技術(shù)改進(jìn)，使燒堿電解電壓相對(duì)之前降低約200 mV，噸堿直流電耗降低可達(dá)7%以上，為電解工藝的技術(shù)進(jìn)步打開了空間。

近年來(lái)，膜極距技術(shù)日臻成熟，技術(shù)應(yīng)用初期的電極與離子膜接觸損傷問(wèn)題得到了很好的解決。目前業(yè)內(nèi)膜極距電解電流密度已經(jīng)普遍上調(diào)至6 kA/m2，而且噸堿電耗還有所下降，離子膜電解技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。

因客觀條件限制，膜極距技術(shù)結(jié)構(gòu)也對(duì)工藝條件提出更多的要求。由于陰陽(yáng)極與離子膜的密切接觸，加之陰極相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)空間，介質(zhì)進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)域的流動(dòng)阻力增加，降低了反應(yīng)區(qū)域介質(zhì)循環(huán)速度，增加了陰陽(yáng)極表面介質(zhì)的擴(kuò)散和補(bǔ)充障礙，使垂直于離子膜面的介質(zhì)濃差梯度和溫差梯度加大，陰極側(cè)反應(yīng)區(qū)域堿濃度相對(duì)增高、陽(yáng)極側(cè)反應(yīng)區(qū)域鹽水濃度降低，氣液比增大，電極與膜表面的反應(yīng)溫度升高，區(qū)域反應(yīng)條件更加惡劣，這種狀況下一旦離子膜因電極夾持壓力過(guò)大形成針孔或損傷，將直接造成陰陽(yáng)極活性涂層的溶失，甚至電極的直接放電熔蝕。

所以，如果繼續(xù)提高反應(yīng)電流和加大單元電解面積，在電解反應(yīng)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，認(rèn)真考慮介質(zhì)的循環(huán)條件，充分增大介質(zhì)循環(huán)效果，打開反應(yīng)熱量傳遞、反應(yīng)介質(zhì)擴(kuò)散和反應(yīng)的空間，盡可能的降低電解區(qū)域與電解室出口之間的溫度差和濃度差，設(shè)計(jì)更科學(xué)的膜極距結(jié)構(gòu)，是我們必須解決好的新課題。

4.2 改善氣液分離結(jié)構(gòu)降低氣液比

更高的電流密度代表著更大的反應(yīng)量，電解室內(nèi)的上部區(qū)域?qū)?huì)聚集更多的氣體。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要做到擴(kuò)充氣液疏導(dǎo)通道、提高氣液溢出速度、改善氣液分離效果、降低槽內(nèi)充氣度和氣液比，消除泡沫式及間歇式液流，避免離子膜面上部氣液壓力波動(dòng)形成的針孔和磨損造成的壽命縮減。

4.3 超高電流密度與集成循環(huán)方式

隨著氯堿工業(yè)的發(fā)展，在技術(shù)密集型園區(qū)的大型化生產(chǎn)企業(yè)逐漸占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈的主體形式。產(chǎn)能大、占地少、槽型大、電流密度高、降投資、運(yùn)行穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、能耗低等方面的優(yōu)勢(shì)裝置是氯堿行業(yè)的需求。

未來(lái)裝置的運(yùn)行電流密度將很快超過(guò)6 kA/m2，可以適應(yīng)更高電流密度條件下的離子膜和電解槽以及工藝方法的研發(fā)和技術(shù)準(zhǔn)備，是我們面臨的新課題。而通過(guò)電解結(jié)構(gòu)和工藝的研究，使電解室內(nèi)獲得良好的反應(yīng)狀態(tài)，可以大大降低對(duì)離子膜的性能要求和研發(fā)難度。

隨著電流密度的提升，單獨(dú)的強(qiáng)制循環(huán)或自然循環(huán)方式將不能獲得槽內(nèi)良好的反應(yīng)條件，我們將利用計(jì)算機(jī)流場(chǎng)模擬設(shè)計(jì)等先進(jìn)手段加強(qiáng)對(duì)電解室內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)的研究和挖掘，以滿足更大的介質(zhì)循環(huán)量需求。在獲得良好的反應(yīng)狀態(tài)條件下，各種循環(huán)方式的極限電流密度已經(jīng)在長(zhǎng)期的工業(yè)實(shí)踐中得以驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)掘和發(fā)揮。

循環(huán)量的提高是改善電化學(xué)反應(yīng)條件的一個(gè)重要手段，不僅僅可以降低槽電壓，更重要的是可以使離子膜和電極的性能和壽命得到有效的保證，設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定。如前文所述，外部自然循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)制循環(huán)等多種循環(huán)技術(shù)可以加以利用，在某種外部自然循環(huán)槽中進(jìn)行了反應(yīng)室內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)試驗(yàn)，不僅槽電壓有所降低，離子膜的性能和壽命也有所提高，獲得了很好的效果。

在大面積電解單元和大電流密度運(yùn)行條件下，為了適應(yīng)反應(yīng)室內(nèi)更大的反應(yīng)強(qiáng)度，內(nèi)部自然循環(huán)與外部循環(huán)相互結(jié)合，可以相輔相成且相得益彰。雖然完全的大流量強(qiáng)制循環(huán)曾帶來(lái)過(guò)諸多問(wèn)題，但運(yùn)用計(jì)算機(jī)流場(chǎng)仿真模擬設(shè)計(jì)和工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)尋找到電流密度與循環(huán)量的工藝平衡點(diǎn)，利用適量的外部循環(huán)來(lái)彌補(bǔ)內(nèi)部循環(huán)在高電流密度條件下的不足，無(wú)疑是最好的技術(shù)方向。

4.4 電極技術(shù)

金屬陽(yáng)極和活性陰極技術(shù)在離子膜燒堿電解裝置上的工業(yè)化應(yīng)用和快速提高，對(duì)氯堿工業(yè)的高速發(fā)展功不可沒(méi)。

熱氧化陽(yáng)極涂層成分和配方不斷改進(jìn)，析氯電位持續(xù)保證并有所降低，壽命也得到有效保證。而陰極技術(shù)，從鐵鎳到雷尼鎳陰極再到熱氧化活性陰極、從刷涂到等離子噴涂、涂層新成分配方及極性保護(hù)等各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，析氫電位大幅降低，抗逆反電流性能不斷增加。

隨著涂層技術(shù)的研發(fā)改進(jìn)，相關(guān)貴金屬的應(yīng)用更加廣泛，但國(guó)際上貴金屬價(jià)格卻在飛速上漲，這就給我們帶來(lái)了新的課題。

對(duì)涂層配方、熱氧化工藝、基材網(wǎng)形和表面狀態(tài)的綜合改進(jìn)研究和試驗(yàn)，力求使金屬活性電極在更高的電流密度條件下仍可獲得更低的過(guò)電位和電耗性能，跟進(jìn)氯堿工業(yè)技術(shù)的發(fā)展需求。

4.5 “一鍵啟停”是自動(dòng)化控制的極致表現(xiàn)

充分挖掘DCS控制潛能，努力提高運(yùn)行自動(dòng)化水平，依靠正確的技術(shù)理念、高水平規(guī)范的操作方法、自控儀表和閥門的高效執(zhí)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)裝置的“一鍵啟停”控制模式，使生產(chǎn)安全更有保證，是目前我們氯堿工業(yè)發(fā)展和工藝控制技術(shù)提升的關(guān)鍵。

所謂一鍵啟停，就是要在DCS自控狀態(tài)下，可以使相關(guān)生產(chǎn)模塊或整套生產(chǎn)裝置可以平順的“啟”和穩(wěn)定的“停”，更重要的是還要能使裝置更長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)運(yùn)行，在出現(xiàn)異常狀況時(shí)，自控系統(tǒng)可以根據(jù)異常數(shù)據(jù)的反饋進(jìn)行問(wèn)題分析和判斷，并通過(guò)預(yù)置的程序和邏輯，正確有效的自控應(yīng)對(duì)調(diào)節(jié)，扭轉(zhuǎn)并消除異常，減少或避免發(fā)生聯(lián)鎖動(dòng)作及非計(jì)劃停車情況。

就氯堿電解工藝而言，防止并有效控制氯氫壓力和壓差異常狀況的出現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停”的關(guān)鍵！統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明，電解裝置出現(xiàn)聯(lián)鎖停車，大多數(shù)是由氯氫壓力波動(dòng)和壓差異常造成的。正如前文所述，全面分析每一個(gè)壓力和壓差異常的成因加以自控應(yīng)對(duì)，可以明顯減少計(jì)劃外停車次數(shù)，有效提高裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。

另外，要通過(guò)完善裝置的自控和儀表配置，加強(qiáng)性能監(jiān)測(cè)，運(yùn)用氯堿技術(shù)思維通過(guò)編制專業(yè)的邏輯程序軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置總體及個(gè)體電解槽的性能指標(biāo)分析和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 綠能發(fā)展與廢鹽應(yīng)用思路

5.1 工業(yè)廢鹽的處理與應(yīng)用

由于目前國(guó)家出臺(tái)的環(huán)保和固廢的處理管理政策變得十分嚴(yán)格，工業(yè)廢鹽的處理成本加大。這雖然成為了一些企業(yè)發(fā)展的嚴(yán)峻課題，但是如果利用氯堿工業(yè)技術(shù)加以解決，也會(huì)轉(zhuǎn)變成為我們企業(yè)發(fā)展的一個(gè)契機(jī)。

隨著氯堿工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，離子膜電解工藝的適用性越來(lái)越強(qiáng)，運(yùn)行性能的穩(wěn)定性和更加可控，離子膜和電解槽的價(jià)格更低，運(yùn)行成本較之早期發(fā)展階段大大降低。雖然廢鹽中雜質(zhì)對(duì)離子膜的污染劣化會(huì)增加氯堿裝置運(yùn)行成本，但是如果能夠結(jié)合廢鹽凈化工藝與電解性能劣化問(wèn)題分析和鑒別，以及鹽與電耗等各方面的成本核算，找到一個(gè)將廢鹽適度的處理應(yīng)用與離子膜電解成本的平衡點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)的專業(yè)的有針對(duì)性的工業(yè)化試驗(yàn)驗(yàn)證，不但可以解決廢鹽的處理難題，還會(huì)得到雙贏的效果。

5.2 新能源新技術(shù)的融合發(fā)展思路

氯堿工業(yè)是一個(gè)高耗能產(chǎn)業(yè)，結(jié)合地域優(yōu)勢(shì)，將風(fēng)能、光能、光熱儲(chǔ)能等新型綠色能源技術(shù)與燒堿電解裝置配套建設(shè)或融合發(fā)展，加之對(duì)工業(yè)廢鹽的處理和應(yīng)用，是氯堿工業(yè)一個(gè)順應(yīng)“碳中和、碳達(dá)峰”政策需求的發(fā)展思路。

風(fēng)能、光能、光熱儲(chǔ)能及氫能等綠色能源技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在我國(guó)的不同地域有著不同的優(yōu)勢(shì)條件。在我國(guó)的許多地區(qū)，兼具風(fēng)、光及光熱儲(chǔ)能的發(fā)展條件。可以將不同綠能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，組合利用，建設(shè)具有外界的干擾因素少和電力傳輸成本低等特性的綠色能源綜合電力系統(tǒng)，非常適合燒堿電解供電的穩(wěn)定性和持續(xù)性的應(yīng)用需要。

要認(rèn)真解讀國(guó)家和地方管理政策，順應(yīng)發(fā)展規(guī)律，做好可行性分析，定準(zhǔn)企業(yè)發(fā)展策略，抓住有利時(shí)機(jī)，整合電力能源、氯堿裝備、離子膜研制、廢鹽處理和應(yīng)用等專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)和專家，協(xié)同攻關(guān)，協(xié)作發(fā)展，利益分享，合作共贏搞項(xiàng)目。