郭成軍

（新疆天業(yè)天偉化工有限公司，新疆832012）

零極距電解槽在氯堿行業(yè)廣泛應(yīng)用，其性能良好，電耗低，技術(shù)成熟。本文引用2 個(gè)離子膜燒堿項(xiàng)目的開車數(shù)據(jù)來討論零極距電解槽中影響電流效率及電耗的因素。新疆天業(yè)集團(tuán)天偉化工公司（以下簡稱天偉化工）15 萬t/a 離子膜燒堿項(xiàng)目于2014 年4月17 日正式投產(chǎn)，離子膜電解槽使用的是從旭化成引進(jìn)的ACILYZER-ML32NCZ2 型自然循環(huán)零極距離子膜電解槽。旭化成提供最佳電流密度為5.5 kA/m2，槽溫為90 ℃時(shí)，單元槽電壓為2.94 V。

1 初始開車后直流電耗及電流效率

由于單一數(shù)據(jù)分析論證力單薄，因此引用新疆天業(yè)集團(tuán)天業(yè)化工公司15 萬t/a 離子膜燒堿項(xiàng)目（以下簡稱天業(yè)化工）零極距改造后電解槽數(shù)據(jù)做比較論證。

零極距離子膜電解槽原始開車后，由于單元槽墊片為全新墊片，需要一個(gè)蠕壓變形期，因此，這一階段的單元槽電壓及電耗是呈下降趨勢且不穩(wěn)定的。

從圖1 可以看出天業(yè)化工電流效率與直流電耗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且下降趨勢緩慢、下降時(shí)間短，引起這一狀況的因素為離子膜電解槽使用的墊片為旭化成提供的成品單元槽墊片，其性能優(yōu)越，蠕壓時(shí)間短；天偉化工數(shù)據(jù)中兩個(gè)低峰為降電流引起的平均電流變化，因此出現(xiàn)兩個(gè)低峰。圖1 數(shù)據(jù)顯示直流電耗與電流效率的關(guān)系為反比關(guān)系，直流電耗越小，電流效率越高。

2 引起電流效率及直流電耗變化的因素分析

2.1 計(jì)算電流效率的方法

氯堿行業(yè)中計(jì)算電流效率的方法分為陰極計(jì)算電流效率法和陽極計(jì)算電流效率法。主要是通過在電解過程中，隨著陰極OH-的遷移，陽極液的酸度將降低，因此其電流效率可以根據(jù)進(jìn)料陽極液和返回陽極液之間的酸度的不同來計(jì)算。由于天偉化工原始開車后電解槽加酸不足，出口陽極液的酸度不足以去中和陰極返遷移的OH-，這時(shí)候電流效率的計(jì)算是不精確的。因此，本文對其他方法計(jì)算電流效率不作論述。

圖1 天業(yè)化工原始開車后電流效率與直流電耗數(shù)據(jù)

電流效率與直流電耗為反比關(guān)系，電流效率越高，直流電耗越低。

2.2 直流電耗計(jì)算

直流電耗的計(jì)算按以下公式進(jìn)行

通過直流電耗公式可以看出，在影響直流電耗的因素中，平均電壓與其成正比關(guān)系，平均電壓越高，直流電耗越大，因此，在時(shí)間與電流相同的情況下，影響直流電耗的變量即為平均電壓與堿產(chǎn)量。

由于相同時(shí)間內(nèi)天偉化工與天業(yè)化工平均電流不相同，根據(jù)電解單元槽電壓與電流密度之間的關(guān)系式來推算某一電流值時(shí)離子膜電解槽的平均電壓。

電解單元槽電壓與電流密度之間的關(guān)系如下述公式：

式中，E1—電流密度為λ1（V）時(shí)的槽電壓；

E2—電流密度為λ2（V）時(shí)的槽電壓；

E0—系數(shù)（2.42 V）此值為旭化成提供的標(biāo)準(zhǔn)單元槽電壓值；

圖2 天偉化工原始開車后電流效率與直流電耗數(shù)據(jù)

λ—電流密度（kA/m2）。

由上述公式推算天偉化工各個(gè)單元槽電壓，計(jì)算得出天偉化工離子膜電解槽電流在某一值時(shí)，其平均電壓高于根據(jù)旭化成提供的最佳電流密度5.5 kA/m2、槽溫90 ℃、單元槽電壓為2.94 V 這一數(shù)據(jù)推算的平均電壓，從而導(dǎo)致電流效率值低于期望電流效率值。圖3 即為電解槽開車后在實(shí)際運(yùn)行過程中用標(biāo)準(zhǔn)電壓推算的平均電壓。

圖3 某一電流值下天偉化工與天業(yè)化工標(biāo)準(zhǔn)單元槽電壓對比

由圖3 可以看出，天業(yè)化工單元槽電壓開車后下降趨勢明顯，單元槽電壓降至2.805 V 附近時(shí)趨于平緩，天偉化工單元槽電壓下降趨勢緩慢，單元槽電壓下降至2.805 V 附近時(shí)趨于平緩，但是天偉化工單元槽電壓下降時(shí)間短于天業(yè)化工5～8 天，而這一數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了天偉化工離子膜電解槽單元槽墊片優(yōu)于天業(yè)化工，蠕壓變形期短。

2.3 影響直流電耗的因素

通過圖2、圖3 得出影響直流電耗的因素如下。

（1）影響直流電耗的最大因素是單元槽電壓。天偉化工與天業(yè)化工差異不是很明顯。為使這一結(jié)論更有說服力，下面通過實(shí)運(yùn)行中的電解槽單元槽電壓進(jìn)行比較說明影響電流效率的因素。

現(xiàn)將天偉化工原始開車后4 個(gè)月內(nèi)電流密度為某一值時(shí)實(shí)際測得單元槽電壓與天偉化工原始開車后2 個(gè)月內(nèi)電流密度與天業(yè)化工為同一值時(shí)實(shí)際測得單元槽電壓隨機(jī)抽取76 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見圖4。

從圖4 可以得出，相同電流下天偉化工與天業(yè)化工單元槽電壓基本相同，對兩者直流電耗與電流效率的差異性影響較小。

原始開車后，膜條件相同，則膜電壓對槽電壓影響的差別性基本不存在。如果工藝控制指標(biāo)與工藝流程差別不是很大， 則單元槽電壓的區(qū)別性也較小。因此，在電解槽初始開車后針對單元槽電壓影響電流效率的驗(yàn)證通過上述公式即可完成。

（2）在電流相同，電壓相同的條件下，影響直流電耗的因素只有堿產(chǎn)量，而堿產(chǎn)量也直接影響著電流效率。2 個(gè)工廠電流效率數(shù)據(jù)比較見圖5。

由圖5 可以得出，天業(yè)化工離子膜電流效率高于天偉化工0.136%。

（3）成品堿產(chǎn)量計(jì)算

在單元槽電壓區(qū)別不大的情況下，重點(diǎn)分析成品堿產(chǎn)量。

公司成品堿產(chǎn)量按下式計(jì)算。

圖4 2個(gè)工廠在同一電流密度時(shí)單元槽電壓比較

圖5 天業(yè)化工與天偉化工電流效率數(shù)據(jù)比較

式中，Q2—本次成品堿流量；

Q1—上次成品堿流量。

密度=0.984 5-（濃度）2×0.000 05-（溫度）2×0.000 000 5+濃度×0.013 35-溫度×0.000 595

旭化成提供的最佳電流密度為5.5 kA/m2，槽溫為90 ℃時(shí)期望單元槽電壓為2.94 V。針對這一最佳數(shù)據(jù)，此時(shí)的堿產(chǎn)量在其他理論條件下應(yīng)該是相同的。通過圖6 比較天偉化工與天業(yè)化工原始開車后電解槽溫度變化。

通過以上堿產(chǎn)量計(jì)算公式，得出溫度對成品堿產(chǎn)量影響比較小。

圖6 天偉化工與天業(yè)化工電解槽溫度對比

（4）通過陰極循環(huán)量分析成品堿產(chǎn)量

電解液必須保持足夠的循環(huán)量。根據(jù)旭化成提供的經(jīng)過每臺單元槽最佳陰極流量為0.3 m3/cell。

天業(yè)化工一期4 臺離子膜電解槽陰極流量為0.38×126=37.88 （m3/h）， 正常生產(chǎn)中控制流量為38 m3/h。 天偉化工3 臺離子膜電解槽陰極流量為0.38 m3/h·cell，正常生產(chǎn)中控制流量低于最佳流量0.48 m3/h，相對于旭化成要求每臺電解槽陰極循環(huán)量減少了0.48 m3/h，導(dǎo)致陰極循環(huán)量總體1.2 m3/h。而陰極循環(huán)量的減少直接影響著電解槽內(nèi)的氣液比率。陰極循環(huán)量減少后，為保證陰極液濃度滿足工藝要求，從堿液高位槽至電解槽的堿配水會相應(yīng)減少，因此影響整個(gè)系統(tǒng)的堿液量[1]。

為此，希望將陰極液流量提高至理論最佳流量。通過以上2 工廠數(shù)據(jù)比對，得出電流效率低、直流電耗增加的原因?yàn)閍.成品堿流量計(jì)計(jì)量問題，希望通過糾正計(jì)量器來排除這一可能因素；b.陰極循環(huán)量不足導(dǎo)致堿產(chǎn)量不足。

3 結(jié)語

在零極距離子膜電解槽初始運(yùn)行階段，細(xì)節(jié)管理也非常重要。工藝管理要細(xì)致化，從鹽水質(zhì)量、純水質(zhì)量、高純鹽酸質(zhì)量、反向電流的克服、工藝指標(biāo)的控制等細(xì)微處著手，通過精細(xì)管理來提高電流效率，降低直流電耗，延長電解槽設(shè)備、墊片、離子交換膜、單元槽框等壽命。

［1］隋 燕.淺議影響離子膜電解槽電流效率的因素.廣州化工，2014（2）：140－141.