新型ANC290Z 電解槽技術研究與應用

2022-07-19 12:09:04徐宇翔楊國華

中國氯堿 2022年6期

朱俊，趙偉，徐宇翔，楊國華，唐宏

（1.江蘇安凱特科技股份有限公司，江蘇無錫 214404；2.寧夏華御化工有限公司，寧夏中衛 751700）

氯堿生產能耗主要集中在燒堿生產中的電解工序，電解工序能耗占燒堿總能耗50%以上。為實現節能減排，有必要開發節能型的電解設備和工藝技術來降低燒堿裝置總能耗。同時，電解裝備的使用壽命也是關系到氯堿工業資源消耗及產出的重要指標，通過技術創新延長其使用壽命，對節約資源、減少排放具有重要意義。

1 背景

早期國外某公司在FM-21 單極槽的基礎上，開發了一種特殊結構型式的復極槽（以下簡稱國外電解槽），陸續在氯堿企業得到運用。但此類國外電解裝置的結構屬于較早期的設計，且為非完全零極距結構，能耗略高。目前大部分該型號電槽已達設計使用年限，損壞形變問題突出，維修替換更新電槽需返回原廠，不具備經濟優勢。

江蘇安凱特科技股份有限公司（以下簡稱“安凱特”）是一家擁有多項電解槽自主知識產權、先進電極涂層技術和生產工藝的高新技術企業，生產的ANC 系列節能型氣液強化循環零極距電解槽經中國石油和化學工業聯合會組織鑒定，整體性能達到先進水平。安凱特成功研發了一種可與國外電解槽互換的新型ANC290Z 電解槽。

新型ANC290Z 電解槽能完全匹配國外電解槽系統，在保留原有土建設施、電氣配置、電解槽框架、工藝參數及控制模式等不變的前提下，替換國外單元槽，使裝置增產降耗。

2 電解槽研究

2.1 國外電解槽

國外電解槽為自然循環高電流密度復極槽，有效電解面積2.895 m2，設計操作壓力0～20 kPa，最大可承受電流密度6 kA/m2。根據單元槽數量不同，單臺電槽可分為單框與雙框結構。該電解槽最大的特點是單元槽能獨立密封，更換單元槽時可直接換上預裝好的經測試合格的單元槽，裝置停車維修更換單元時間短，但單元槽易變形，單元槽組裝、拆卸、檢查工序復雜，操作不便。

2.1.1 工藝控制

國外電解槽通過一根總管向整臺電槽進液，電解液的酸化在總管上完成。

2.1.2 泄漏電流控制

電槽的進出口總管由非金屬材質構成，在進出口總管處裝有接地犧牲電極，電槽單元由進出口軟管連接。

2.2 ANC290Z 電解槽

安凱特研發的新型ANC290Z電解槽有效電解面積與國外電解槽有效電解面積基本一致，為零極距自然循環復極槽，設計操作壓力25 kPa，最大可承受電流密度8 kA/m2。單臺電解槽由陰陽極端框加多片復極式中框組成，單元槽外形結構見圖1。

圖1 ANC290Z電解槽外形

為不改變現有設計及操作等要求，對電槽及整體替換方案設計如下。

（1）電解槽單元尺寸設計

國外單元槽尺寸為1 220 mm×2 420 mm，單片電槽組裝厚度91 mm，單臺氣體總管匯入系統氣體總管。為保證電槽內部氣體壓力一致，需保持槽內氣舉力一致，電解單元槽高度需保持一致，為使有效電解面積相同，單元槽寬度為2 420 mm，但在電槽厚度方面進行了調整，陽極腔室由40 mm 降至24 mm，陰極腔室由40 mm 降至15.5 mm，單元槽總體厚度由91 mm 減小至44 mm，含墊片組裝擠壓厚度約47 mm。雖然ANC290Z 電解槽陰陽極腔室體積大大減小，但陽極鹽水流量與陰極補水流量在同等電流密度下是不變的，根據法拉第公式可知，在固定電流密度下，電子數量一定，單位時間消耗的氯化鈉、純水量一定，故在同電解面積，同電流條件下，每片單元槽內消耗的氯化鈉和純水與電解槽腔室大小無關。

ANC290Z 電解槽通過Fluent 數學模型計算，每片單元槽的陰極循環流量控制在0.26～0.30 m3/h。另外電解槽陰極腔在運行過程中還承擔著熱量傳遞及高濃度堿液快速置換稀釋的工作，相對較大的陰極流量更有利于裝置的運行，不需隨電流密度同比調節。

（2）導電、循環及氣體分離設計

ANC290Z 電解槽采用背板貼合焊接的復極式結構，有效降低電槽之間的接觸電壓。同時，通過增加導電筋板及電極極網的焊接點數量，在結構上保證ANC290Z 電解槽最大可承受8 kA/m2電流密度。在傳質、傳熱循環及氣體分離方面，沿用了安凱特的系列發明專利技術。

（3）密封擠壓形式確定

ANC290Z 電解槽是復極式電解槽，每片電槽之間需要由墊片及擠壓進行密封。行業內在用擠壓方式主要分為3 種，一種是以旭化成、北化機為代表的油壓機擠壓模式；一種是氯工程的拉桿加貝式彈片拉緊模式；還有一種是伍德等的頂桿擠壓模式。根據現場情況分析及三維建模布置，現場不具備油壓機擠壓條件，若采用頂緊螺桿模式需對原有頂桿尺寸及電氣連接方式進行改造，不滿足改造初衷，而拉桿密封對原框架基本不需改變，滿足設計要求。在拉桿設計過程中創新采用了快速拆卸設計，每根拉桿不需要完全拆解即可取下，方便電槽檢維修作業。

3 電解槽應用

3.1 應用背景

公司燒堿產能25 萬t/a，電槽結構為單臺雙框模式（A/B 區各71 單元，合計142 單元/臺）。由520 V，18 kA 整流器供電，公司有豐富的國外電解槽的管理及運行經驗，運行負荷穩定，隨著電槽已接近使用壽命，電解槽性能下降，需要對電解槽進行極網更換及技術升級。

2020 年4 月，計劃在一期1# 槽進行技改，確定1# 槽A 區為ANC290Z 電解槽，B 區為國外電解槽同槽運行的整體方案。

3.2 可行性分析

3.2.1 現場條件分析

（1）電解槽陰陽極循環量由對應的自動調節閥根據電流同比控制，單槽的兩進四出物料管線可以與系統完全斷開，陽極系統無淡鹽水回用，電解液酸化由總管加酸控制，具備并線運行條件。

（2）71 單元國外電解槽框架為7 210 mm，單片單元槽組裝厚度91 mm。按照ANC290Z 電解槽尺寸計算，71 單元國外電解槽擺放位置可擺放142 片ANC290Z 單元槽。

（3）1# 槽整流變輸出能力為520 V，18 kA，足夠170 單元電槽運行。

（4）陰陽極最大循環流量為45 m3/h。

綜上分析，同時考慮到需留有充分檢修距離，最終以A 區97 片ANC290Z+B 區71 片國外電解槽共同運行，B 區國外電解槽為舊槽零極距改造后的新電槽，參數對比見表1，改造后效果圖見圖2。

表1 電槽參數表

圖2 整體三維效果圖

由表1 可知，技改后電槽單元槽數量得到顯著增加，電槽具備很強的負荷調整能力，產能及能耗可以按照實際情況進行系統平衡。

3.2.2 工藝調整

本次電槽技改方案中A/B 區單元數量不等，且兩種電解槽內部循環、進液模式略有不同，為確保供給每片單元槽的鹽水及稀堿液是足量且穩定的，從安全及數據收集角度考慮，將A/B 區進液改為單獨控制模式，在A/B 區陰陽極進液總管中間分別增加自動調節閥及流量計，原系統調節閥及流量計控制B 區國外電解槽，新增的調節閥及流量計控制A 區ANC290Z 電解槽的陰陽極進液。

3.2.3 泄漏電流計算

A 區新的ANC290Z 電解槽配套的陰陽極進出口總管均由非金屬管改為Ni/Ti 材質金屬總管，B 區國外電解槽陰陽極進口非金屬總管改為Ni/Ti 金屬管，出口總管保持非金屬材質。需對單槽的泄漏電流及接地措施重新計算與設計。

泄漏電流主要由液體柱、金屬管本體兩個途徑流動，在泄漏電流流進及流出的金屬管材位置會將當前位置的金屬材料充當陰極或陽極放電，使金屬材料快速腐蝕。若沒有合適的保護措施，在系統管道接地等部位也會因泄漏電流而發生電化學腐蝕。通過對60 片單元槽模型的泄漏電流進行分級及矩陣計算，重新制定防腐措施，增加了進出口總管管口內壁犧牲電極網、進出口總管管嘴內壁犧牲電極、電槽陰陽極進出口犧牲電極、管路斷電器及接地設施等。

3.3 項目實施（陰陽極相同）

（1）在單槽進液總管（一樓位置）斷開，增加一個三通接口，將一路進液分為兩路進液，在每路管線上增加帶有接地環的非金屬短節，與原總管接地線合并后接地，見圖3。

（2）分別在A 區陰陽極進液管上增設自動調節閥及流量計，信號傳送至DCS，與原系統合并控制。

（3）電槽二樓陰陽極進液總管中間三通處增加一個三通，兩個三通之間加裝串通閥，閥門兩端由跨接線纜串連。

（4）一樓至二樓進液管線分別與兩只三通連接，實現A/B 區單獨供液與調節，A 區陰陽出口總管增加單獨的堿、淡鹽水、氯氣、氫氣取樣口，并在A 區出口陰陽極總管做電化學腐蝕處理。

3.4 開車及數據分析

經過50 天的制造及現場安裝，2020 年8 月7日1#槽順利開車，見圖4。開車步驟完全按照原國外電解槽開車步驟進行，控制電槽氯氣壓力18 kPa，氯氫壓差1.7 kPa，出槽鹽水pH 值為4.5，出槽鹽水濃度210～220 g/L，堿濃度（32±0.5）%，離子膜型號為N2050。

圖3 管道連接圖

圖4 ANC290Z電解槽安裝完成圖

3.4.1 開車數據

2020 年8 月7 日，電槽通電開車，電槽運行情況完全達到設計預期，氯氣純度、堿濃度、淡鹽水濃度快速合格，與B 區同臺運行的國外電解數據見表2。

從表2 可以看出，在同樣的電流條件下，兩種電槽電壓均有一個先升后降的過程，最終ANC290Z 電槽平均運行電壓維持在2.945 V，明顯低于國外電解槽新零極距改造后的3.005 V，平均差值以60 mV計，運行槽溫相差3 ℃左右，兩種槽型的氯氣純度及堿濃度基本一致，說明A 區的電解性能較B 區好，若整臺均為ANC290Z 電解槽，在提高運行槽溫至84 ℃時，ANC290Z 電解槽具有的能耗優勢會更加突出。

3.4.2 運行數據

運行至2022 年1 月數據，見表3。