劉世斌,王 慶
(太原理工大學,山西太原030000)
山東鋁業(yè)公司氯堿廠(以下簡稱“山鋁氯堿廠”)現(xiàn)有燒堿生產(chǎn)能力18.5萬t/a。其中,一期裝置為伍德-迪諾拉BM-2.7高電流密度自然循環(huán)復極式離子膜電解槽4臺,6萬t/a,于2005年7月7日投產(chǎn);二期裝置為日本旭化成NCH-2.7高電流密度自然循環(huán)離子膜電解槽5臺,10萬t/a,于2008年6月13日投產(chǎn)。2010年擴建2.5萬t/a離子膜燒堿裝置,新增1臺復極式高電流密度自然循環(huán)零極距離子膜電解槽,于2011年1月18日投產(chǎn)。在超滿負荷運行狀態(tài)(14 kA)下,槽電壓為2.94 V,比一期電解槽在13 kA運行時的槽電壓3.36 V降低了0.42 V,節(jié)能降耗效果顯著。
山鋁氯堿廠一期6萬t/a離子膜燒堿裝置至今已經(jīng)運行七年多時間,電解槽陰陽極板涂層性能下降、槽電壓升高、電耗增加,目前每噸堿耗電為2 463.5 kW·h/t,較先進的電解槽高約168 kW·h/t產(chǎn)品堿。
目前,國內(nèi)使用伍迪電解槽的氯堿企業(yè)基本上都面臨著電解槽重涂或者進行節(jié)能改造,有的企業(yè)選擇了全部或部分重涂,有的企業(yè)選擇對部分單元槽進行零極距改造實驗。2012年5月,該廠分別就電解槽內(nèi)部陰陽極板的選擇、陰陽極板的距離、彈性極網(wǎng)與極板的連接導電、極網(wǎng)高度尺寸設(shè)計、適宜的離子膜的選型、流量的控制、壓力壓差以及極化電流保護、連鎖設(shè)計、與普通電解槽系統(tǒng)的兼容等以及改造后試運行期間的管理與國內(nèi)已改造廠家進行了商討,委托有改造經(jīng)歷的3個廠家對備用的3個單元槽進行了零極距改造。
伍迪電解槽有著獨特的內(nèi)部構(gòu)造和組合方式,1個單元槽由陽極室、陰極室、離子膜、四氟墊片、密封條、隔離條等組成,其極間距受多個因素影響,測量過程存在諸多變量,這是改造成零極距的關(guān)鍵,只有重復改造組裝實驗才能得到精準的數(shù)據(jù)。
伍迪電解槽的改造存在著陽極側(cè)重涂或者改造的兩重選擇,要去除的激光焊接極板存在著一定難度,工作量也非常大;重涂又存在著變形等隱患,最后,決定一臺在原陽極網(wǎng)的基礎(chǔ)上鋪張新網(wǎng);另一臺重涂,通過運行數(shù)據(jù)擇優(yōu)選擇。
出于對離子膜的保護考慮,電解槽在陰陽極側(cè)均安裝了不同厚度的隔離條,但是,陰極側(cè)增加彈性網(wǎng)后已經(jīng)沒有安裝隔離條的位置,陽極側(cè)由于改造方式的不同,同樣面臨著隔離條去留的問題。通過論證,確定重涂的保留,增鋪新網(wǎng)的去掉,同時,考慮新極網(wǎng)如何填補隔離條的厚度。
電解槽零極距改造的最關(guān)鍵部分是陰極側(cè)彈性網(wǎng),該彈性網(wǎng)在加工或施工過程中容易出現(xiàn)斷裂產(chǎn)生毛刺,最有效的手段是通過手摸找出毛刺,將毛刺用鑷子揪出,用剪刀剪斷處理。陽極側(cè)若鋪新網(wǎng),必然要通過焊接的方式固定,焊點多且人工焊接的焊點會不均勻,若凸起或處理不光滑,組裝后會對離子膜造成損傷,只有通過保證焊接質(zhì)量和手摸的方式來檢查。
陰極側(cè)增加彈性網(wǎng)、陽極側(cè)鋪設(shè)新網(wǎng)都會存在平整度問題,若凹凸不平勢必會造成組裝過程中離子膜的損傷和極間距的變化,影響零極距的改造效果,同樣關(guān)系到運行安全。只有通過極板加工成型的控制,應用專業(yè)儀器檢測,才能確保改造后極板的平整度,真正地實現(xiàn)零極距。
通過充分的探討和論證,確定了零極距改造的方案及改造技術(shù)要求。
2.6.1 陽極側(cè)
方案(1):取下隔離條,在原陽極網(wǎng)上平鋪1層陽極網(wǎng),厚度為1 mm。原有的陽極作為集電體使用。方案(2):陽極網(wǎng)重涂。
2.6.2 陰極側(cè)
方案(1):保留陰極側(cè)隔離條,隔離條間加緩沖網(wǎng)。方案(2):取下隔離條,直接安裝緩沖網(wǎng)、面網(wǎng)。緩沖網(wǎng)規(guī)格:2HX4P,1層,不打折使用;用鎳帶在盤密封面上點焊固定面網(wǎng),組焊面網(wǎng)后,不按極距壓形。方案(3):取下隔離條,直接安裝多層填充網(wǎng)、面網(wǎng)。4層填充網(wǎng),厚度為0.7 mm,是緩沖網(wǎng)未壓波之前的平網(wǎng);面網(wǎng),40目,厚度為0.32 mm。用鎳帶在盤密封面上點焊固定面網(wǎng);總厚度為1.02 mm。
通過前期的論證和后期的考察,選擇了3家單位分別用不同的方案改造了3臺,于2012年6月29日安裝到同一臺電解槽中試運行,運行數(shù)據(jù)見圖1。
(1)改造的單元槽電壓2.98 V(負荷:12.8 kA);
(2)重涂的單元槽電壓3.20 V(負荷:12.8 kA);
(3)未改造的單元槽電壓3.40V(負荷:12.8kA)。
運行4個月左右,槽電壓比較理想,12.8 kA時槽電壓約為2.98 V。通過運行對比,目前,電解槽零極距改造效果要優(yōu)于電解槽重涂。
該廠伍迪電解槽單臺產(chǎn)能1.5萬t/a,設(shè)計額定電流密度為4.5 kA/m2,由106個單元槽組成,改造前后1臺單元槽的槽電壓相差0.42 V,若每年按8 000 h計算,每年節(jié)省的電量為 (0.42×4.5×2.7× 106×8 000)/10 000=432(萬kW·h),效益非??捎^。
伍迪電解槽零極距改造其特殊的結(jié)構(gòu)和組裝模式給改造帶來了諸多技術(shù)難題。通過嚴格的計算及對可預見性因素的充分論證,取得了突破,并實現(xiàn)了安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行。伍迪電解槽零極距改造還有許多可以持續(xù)改進的地方,需要不斷摸索和推廣,同時,需要時間的驗證。