張麗蕊，宗子超，劉 蕾，劉秀明

（藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176）

隨著氯堿行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對電解裝置的運行水平要求也越來越高。通過對裝置不斷深入的研究，以及對裝置運行企業(yè)訴求的充分理解，藍星（北京）化工機械有限公司將如何把更為先進的技術(shù)應(yīng)用在早期的老結(jié)構(gòu)電解槽上列為一項重要課題，努力為用戶達到產(chǎn)品無障礙升級的目標，以提高裝置的運行安全穩(wěn)定性、進一步延長氯堿生產(chǎn)裝置的使用壽命。

1 第二代膜極距技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點

電解槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)對其運行效果起到極為關(guān)鍵的作用，想要獲得更加良好的電解槽運行性能，需要對電解槽的結(jié)構(gòu)進行深入的研究并加以完善。

1.1 優(yōu)化氣液分離結(jié)構(gòu)

隨著運行電密升高，陰陽極的氣液量也相應(yīng)增加，如果大量氣液在排出時不能有效地進行分離，且有部分分離后的液體會產(chǎn)生回流趨勢，從而產(chǎn)生喘動。因此，對陰陽極氣液分離結(jié)構(gòu)均進行了優(yōu)化，改善了氣液分離效果，同時確保生成物能夠及時導(dǎo)出，避免在電解室內(nèi)發(fā)生局部聚集，給離子膜提供穩(wěn)定的槽內(nèi)運行壓力。

1.2 陽極循環(huán)結(jié)構(gòu)

實踐證明，電解室內(nèi)部自然循環(huán)流動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造可以使更高電流密度下的傳質(zhì)狀態(tài)得到改善，從而有效地減小電解室內(nèi)濃差梯度和溫差梯度，更加均勻的電解質(zhì)濃度和溫度可以提高反應(yīng)效率，降低電耗，延長離子膜的壽命周期。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后電解槽內(nèi)部循環(huán)量對比見表1。

表1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后電解槽內(nèi)部循環(huán)量對比

表1為對優(yōu)化后的循環(huán)結(jié)構(gòu)進行的模擬計算驗證數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對比及試驗驗證效果均證明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)相比于優(yōu)化前，循環(huán)量隨之提高，使電解液的傳質(zhì)條件得到改善，使傳質(zhì)傳熱更加均勻，為離子膜創(chuàng)造“溫和”的運行環(huán)境。

1.3 彈性陰極結(jié)構(gòu)

作為膜極距結(jié)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)之一，彈性陰極結(jié)構(gòu)的性能至關(guān)重要。

首先作為彈性陰極的支撐體，陰極底網(wǎng)的強度會影響到彈性體的實際使用厚度，若底網(wǎng)強度差產(chǎn)生凹陷，極有可能會在陰陽極間造成局部產(chǎn)生間隙，影響膜極距效果。新的陰極底網(wǎng)網(wǎng)型更加牢固，強度更高，其抗壓力變形能力更強，為彈性陰極提供了強有力的支撐。

而作為彈性陰極的形成者—陰極彈性體，其彈性性能直接決定了膜極距結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和對膜的作用效果。彈性體存在一個彈性變形區(qū)間，選用什么樣的彈性體則需要將彈性變形區(qū)間與極間距相匹配，若彈性體設(shè)計或選取與極間距差異過大，極有可能會因彈性體彈性過小形成局部有極距，從而造成膜極距結(jié)構(gòu)失效，或是因彈性區(qū)間超出極間距使其造成過大的對膜壓強。以上兩種情況都是設(shè)計者需要避免的。匹配的彈性陰極根據(jù)用戶的實際需求進行設(shè)計，使其在具有優(yōu)良彈性的同時具有適宜的對膜壓強，能夠?qū)㈦x子膜貼在陽極側(cè)而又能承受一定的反向壓力，使其具有足夠的彈性性能來維持膜極距結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

陰極作為電解中的關(guān)鍵部件，其電化學(xué)性能和使用壽命將直接關(guān)乎到電解裝置的運行性能。膜極距電解槽采用的是柔性陰極設(shè)計，能夠充分適應(yīng)陽極表面的微量變形，使電解面積內(nèi)完全達到電極間的膜極距。柔性陰極一般采用鎳絲編織，可以確保電極的柔軟，但同時也對其強度提出了挑戰(zhàn)。通過對陰極基材的完善，可以確保其柔性結(jié)構(gòu)的同時改善其使用壽命。

同時對陰極組裝結(jié)構(gòu)進行了進一步的完善，舊的鎳帶組裝形式在密封面會形成局部的壓力集中區(qū)，對此處的離子膜會產(chǎn)生過大壓強，早先的應(yīng)對方法是通過改善墊片結(jié)構(gòu)來適應(yīng)陰極結(jié)構(gòu)，但這不僅降低了部件的通用性，也沒有解決壓力集中的根本問題。通過改善陰極的組裝形式，不僅解決了壓力集中的問題，去除了原本阻擋氣液流通通道的密集的極網(wǎng)，改善了上部氣液易聚集區(qū)域的流通狀態(tài)。

1.4 新型陰陽極涂層技術(shù)

藍星北化機通過對內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制造精度等方面的優(yōu)化改造，改善離子膜的運行環(huán)境，使裝置能夠在膜極距條件下具有良好的運行穩(wěn)定性。

2 新技術(shù)在老結(jié)構(gòu)電解槽改造上的應(yīng)用

面對目前老技術(shù)產(chǎn)品電極壽命即將到期進行返廠檢修改造的現(xiàn)狀，將新技術(shù)及改造技術(shù)的制造工藝進行結(jié)合，把新的二代關(guān)鍵技術(shù)點進行拆分細化，對其加工通用性進行研究。例如對陽極循環(huán)結(jié)構(gòu)、氣液分離通道等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的加工工藝進行拓展開發(fā)，重點解決了在已成型電解槽上的結(jié)構(gòu)再加工，兩者的工藝流程簡圖見圖1。

圖1 左：普通膜極距改造工藝流程簡圖右：二代化改造工藝流程簡圖

與原有電解槽的升級改造相比，新技術(shù)的應(yīng)用工藝流程并不復(fù)雜。常規(guī)進行電極返廠改造更換的電解槽工序中，在其中穿插部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造的工序，首先在前處理工序?qū)辖Y(jié)構(gòu)的電解槽進行二代化改造的準備工作，包括對舊的陽極網(wǎng)和陰極膜極距的拆除、舊的陽極循環(huán)結(jié)構(gòu)的拆除等。再在后續(xù)工序中增加對老結(jié)構(gòu)的預(yù)處理和加工以便對其余新技術(shù)的部件進行組裝應(yīng)用。

目前全新的膜極距二代技術(shù)在老結(jié)構(gòu)電解槽上的應(yīng)用已完成技術(shù)攻關(guān)，工藝成熟，完成了工業(yè)化的應(yīng)用。改造的可應(yīng)用范圍廣泛，可根據(jù)用戶實際改造條件進行全部或部分技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用范圍見表2。

表2 新技術(shù)在老結(jié)構(gòu)電解槽改造的應(yīng)用范圍

經(jīng)過前期大量的技術(shù)改造工藝準備工作，使得老結(jié)構(gòu)電解槽的二代化改造工作成本大大降低。經(jīng)核算，若用戶在進行陰陽極電極更換的同時，選擇進行二代化技術(shù)改造，成本在全部改造費用中占比不到10%，其費用相對于采購全新的第二代膜極距電解槽更是微乎其微。

此外，對于一些新的技術(shù)理念我們也進行了拓展應(yīng)用，如彈性陰極的匹配性設(shè)計、陰極電極的組裝優(yōu)化、陽極循環(huán)結(jié)構(gòu)的研究和拓展應(yīng)用等，都可以根據(jù)用戶的電解槽槽型結(jié)構(gòu)特點進行配套的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。近年開車第二代膜極距新槽膜泄漏率統(tǒng)計（部分）見表3。

3 技術(shù)改造的應(yīng)用效果

通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使離子膜的運行更加穩(wěn)定，使離子膜的壽命得以提高。對第二代膜極距電解槽進行數(shù)據(jù)跟蹤，并與二代化改造槽數(shù)據(jù)進行對比。

將收集到的數(shù)據(jù)按照離子膜的運行年限進行分類統(tǒng)計，并與老結(jié)構(gòu)應(yīng)用新技術(shù)的二代化改造槽運行數(shù)據(jù)進行對比，其平均膜泄漏率見圖2。

其中，舊結(jié)構(gòu)二代化改造樣本量為6.5萬t/a產(chǎn)能，二代新槽樣本量為87萬t/a產(chǎn)能。從圖2中我們可以看出，二代新槽開車三年的平均膜泄漏率在0.3%，進行二代化改造的電解槽其運行也極為平穩(wěn)，目前運行近兩年還未發(fā)生膜泄漏，但鑒于改造槽樣本量較小，后期還將持續(xù)增加樣本統(tǒng)計量并繼續(xù)關(guān)注運行效果。

表3 近年開車第二代膜極距新槽膜泄漏率統(tǒng)計（部分）

圖2 二代化技術(shù)的平均膜泄漏率統(tǒng)計（部分）