2種電解裝置運行中的問題及優化措施

魯炳文

(青海鹽湖鎂業有限公司，青海 格爾木 816000)

金屬鎂裝置和鉀堿裝置的電解槽是2套不同裝置中的核心設備，電解原料不同，設備設計單位不同，運行中出現故障的也不盡相同。現分別對2套裝置的電解槽進行對比。

1 金屬鎂裝置

1.1 電解原料及產品介紹

青海鹽湖鎂業有限公司(以下簡稱“鹽湖鎂業”)的金屬鎂裝置用鹵水法制得的無水氯化鎂顆粒作為電解原料，這是其特有的制備方式。試車時裝置運行不穩定，電解出的氯氣濃度低，達不到下游裝置所需氯氣濃度指標。在開停車期間只能用堿液吸收低濃度的氯氣，增加裝置運行成本。

電解單元引進挪威某公司的電解技術，利用鉀肥生產后的尾液經鹽田灘曬析出的水氯鎂石作為原料，鹵水精制單元配制成33.3%的氯化鎂鹵水，采用氯化鋇法除去硫酸根離子后，經陶瓷膜法精制過濾后得到一次精制鹵水，再經離子交換法除硼工藝制得二次精制鹵水。鹵水經過蒸發、造粒及干燥后，脫水。電解無水氯化鎂顆粒料，通過消耗電解質中的無水MgCl2生產出Mg和Cl2。電解車間的一部分鎂液送鑄造車間進行精煉提純、鑄錠；另一部分送到海鎂特公司生產合金鎂錠。電解法制得的氯氣從電解槽輸送PVC裝置。

1.2 電解槽設計原理

無水氯化鎂粒料(MgCl2)被送入電解槽電解隔間的氯氣罩，并在電解液循環流股中迅速熔化及溶解，電解過程消耗電解液中的MgCl2，生成Mg和Cl2，鎂金屬在陰極產生，氯氣在陽極產生。陽極表面生成的氯氣形成氣泡，并上升穿過電解液到達電解液表面后徹底脫離，電解液從兩極之間帶走，送入金屬隔間。此后，脫離的氯氣通過管道系統從電解槽排出，經尾氣處理輸送至下游裝置30萬t/a乙烯法及50萬t/a電石法生產PVC的原料。其電解槽結構如圖1所示。

a—石墨陽極；b—鋼制陰極；c—耐火材料；d—粒料進料管；e—氯氣罩；f—金屬層；g—出料孔；h—耐火材料蓋；i—耐火材料中間墻；j—電解液流股；k—交流電極。圖1 電解槽結構圖Fig.1 Structural diagram of electrolytic cell

1.3 電解槽運行中突出問題

工藝、設備問題：原料供應不穩定(無水氯化鎂水分含量不合格、外購的氯化鈉品質差等)，出電解槽的水蒸氣冷凝后與氯氣反應生成鹽酸和次氯酸，致使設備、管道腐蝕。其次，水蒸氣進入布袋除塵器，影響布袋除塵器的效率。另外，在電解過程中鎂電解槽不可避免地產生槽渣(主要成分MgCl2、NaCl、CaCl2、MgO、Mg等)，槽渣累積到一定程度后會淹沒交流加熱電極，影響電解槽的溫度控制，甚至導致死槽，嚴重影響電解槽的使用壽命。電解槽系統密封不嚴時，空氣中的氧氣與石墨陽極反應，加快陽極消耗。石墨陽極是電解槽運行時消耗的重要核心部件(圖2為石墨陽極)，其成本高，直接影響著電解槽的技術指標。

圖2 2018年檢修期間的石墨陽極Fig.2 Graphite anodes during maintenance in 2018

電能消耗問題：工作電流調整頻繁，電解質組成失衡，導致電解質熔點過高的氯化鈉析出，后期又難以熔化，形成大量無法清理的硬渣，使電流效率下降。與此同時，電解槽保溫消耗電量不產出鎂產品，增加了能耗輸出。電解槽溫度場、流動場、電磁場是影響電解槽正常運行與壽命的主要因素。電流強度增加，電解槽三場問題突出，對電極工作狀態和電解槽運行產生重要影響。

1.4 解決措施

嚴格控制進入電解槽原輔料的水分符合工藝指標要求，完善電解槽、雷德勒輸送機等設備的系統密封性，解決大型石墨陽極處理技術，降低陽極成本，有效延長石墨陽極使用壽命，并使電解槽能量平穩、降低電解槽能耗。

2 鉀堿裝置

2.1 電解原料及產品介紹

鹽湖鎂業的鉀堿裝置采用日本某公司設計的8臺電解槽。該裝置用鹽湖鎂業的精制氯化鉀制得粗鹽水，經過陶瓷膜一次精制和螯合樹脂塔二次精制，送入離子膜電解槽，電解槽排出的堿液經過蒸發獲得高純氫氧化鉀固堿，片堿成品包裝后銷售。電解聯產的氫氣送往氯氫合成；氯氣送到30萬t/a和50萬t/a PVC裝置生產聚氯乙烯。

2.2 電解槽設計原理

電解槽應用了離子膜電解專利技術，K+可由陽極室通過離子膜滲透至陰極室，而Cl-、OH-均不能通過離子膜，從而得到高純度的KOH。每臺電解槽由數個單元槽、離子交換膜以及附件組成。單元槽由金屬陽極、活性陰極、陽極室、陰極室組成；附件由陽極液和陰極液進料總管及軟管、電解液排出總管及軟管、電解槽兩端與固定導電銅排連接用的撓性電纜、防止電氣腐蝕保護裝置等組成(離子膜法電解原理如圖3所示)。經電解，陽極室產生的約 85 ℃濕氯氣經洗滌、加壓、冷卻、硫酸干燥后送至界區外；陰極室產生的氫氣和氫氧化鉀溶液混合物通過軟管排出到陰極液出口總管，并在總管中分離成氣體和液體。

圖3 離子膜法電解原理圖Fig.3 Schematic diagram of ion-exchange membrane electrolysis

KCl鹽水進入電解槽后電離為K+和Cl-，K+可通過膜滲透至陰極室,總反應為：

2KCl+2H2O=2KOH+Cl2↑+H2↑。

影響電解槽操作的主要因素有槽溫、陰陽極液濃度、陽極液pH值及電流密度等。

2.3 電解槽運行中典型問題

鉀堿電解裝置在運行過程中，由于原鹽中雜質離子過多，無機膜頻繁發生堵塞及破裂事故，導致鹽水品質不能達到設計要求。根據氯堿行業電解槽運行情況，離子膜使用周期大于4年就要更換，超過年限的膜各項運行指標就不正常了。同時,電解槽的密封墊壽命也到期，電解槽墊片可能發生泄漏。由于鉀堿裝置是PVC裝置的配套裝置，為平衡裝置之間氯氣負荷問題，電解槽頻繁停車、升降電流，造成離子膜表面出現鼓泡，加速了其老化。在這種運行狀態下,電解槽機構的強度下降、電壓升高，會造成電流效率下降等，使得直流電耗升高(設計直流電單耗1 600 kW·h/a，2019年實際直流電單耗高達1 803 kW·h)/a。

2.4 解決措施

電解槽是鉀堿裝置中的關鍵設備。為了保證系統的連續穩定運行,首先要保證原料及公用介質符合設計指標。離子膜法制堿技術中，保證鹽水品質才能提高陽離子中氯化鉀濃度。氯離子越多，越抑制副反應的發生，避免造成電解槽電流效率下降、直流電耗升高。同時，更換壽命到期的離子膜，為電解槽穩定運行創造良好的操作條件。

3 結語

電解槽在化工行業內的應用較廣泛,也是氯堿行業中的常見重要設備。金屬鎂園區內2套裝置的電解槽雖運行原理不同,但運行中存在的問題最終都是為節省能耗而提高電解槽電流效率、降低槽電壓。 嚴格控制進入電解槽鹽水的品質是首要條件，優化工藝、改進設備選型、加強電解槽維護與管理是電解槽運行的必經之路，以使電解槽連續穩定運行達標達產。