董曉政，王尚文

（甘肅北方三泰化工有限公司，甘肅 白銀 730900）

甘肅北方三泰化工股份有限公司（以下簡稱北方三泰）離子膜電解槽選用的是藍星（北京）化工機械有限公司（以下簡稱北化機）生產(chǎn)的ZMBCH-2.7高電流密度自然循環(huán)復極式離子膜電解槽， 有0#、1#、2#、3#、4#、5#六臺槽，最早于2008 年投產(chǎn)運行。

2021 年9 月，1#、3#槽 由 北 化 機 進 行 大 修 更 換陰、陽極網(wǎng)并改造成膜極距二代槽，每臺槽由146 組單元槽增加至152 組單元槽。 配套使用旭硝子公司的F-9010 離子膜，目前1#、3#槽已運行4 個月左右。

1 電解設備結(jié)構(gòu)

1.1 電解槽裝置結(jié)構(gòu)

一套電解槽裝置包括雙頭擠壓機、150 片電解槽中框、2 片陰極端框、2 片陽極端框以及與此體系相配套的循環(huán)系統(tǒng)。 每兩片單元槽之間安裝一張離子交換膜，電解槽裝置共需152 張離子交換膜。整套裝置需1 臺油壓源裝置，油壓源的油缸與擠壓機的活動座連接，在油壓的作用下，擠壓力通過活動座傳遞給單元槽，使其擠壓緊固，電解槽裝置示意圖見圖1。

1.2 單元槽結(jié)構(gòu)

每個單元槽被陰極盤、陽極盤、復合板分隔成兩室，即陽極室和陰極室。

陽極室的內(nèi)部是陽極盤， 材質(zhì)是鈦材， 具抗蝕性，防止氯離子的腐蝕；陰極室的內(nèi)部是陰極盤，陰極盤的材質(zhì)是鎳， 是為防止高濃度和高溫度燒堿的腐蝕。

在陽極盤和陰極盤上面均焊接了筋板， 陽極筋板是鈦材，陰極筋板是鎳材。

圖1 電解槽裝置示意圖

每個室都有兩個接管， 即電解液的出口接管和入口接管，氣液分離室在單元槽的上部。單元槽的剖視圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 單元槽示意圖

2 電解槽開車情況

經(jīng)維修改造后的1#、3#電解槽在開車一個月內(nèi)，槽電壓的波動范圍為1.0～2.0 V，運行平穩(wěn)正常。

1#槽于2021 年10 月3 日開車，3#槽于2021 年9 月29 日開車，2021 年10 月8 日兩臺電解槽電流都提升到14.85 kA 運行。 運行初期槽電壓情況見表1，二次鹽水質(zhì)量情況見表2。

3 電解槽考核情況

維修后的1#、3#電解槽于2021 年10 月10-13日，進行72 h 性能考核。

（1）考核情況

72 h 考核記錄表計算平均值見表3。

（2）1#槽

V修訂值=[（V測量值-2.42）-KT（90-T陰極液）+K1（32-C陰極液）]×λ1÷λ2+2.42

表1 二代電解槽運行初期槽電壓情況表

表2 二次鹽水質(zhì)量情況

表3 72 h考核記錄表

=2.823（V）

3#槽

V修訂值=[（V測量值-2.42）-KT（90-T陰極液）+K3（32-C陰極液）]×λ1÷λ2+2.42

=2.821（V）

（3）考核結(jié)果

1#修正后運行平均電壓為2.823 V；3#修正后運行平均電壓為2.821 V。

（4）改造前后電解槽運行效果比較

通過更換陰、陽極極網(wǎng)，改造陽極循環(huán)堰板，降低了電解槽電壓降，電流密度由原來的4.5 kA/m2提高到5.5 kA/m2， 單元槽數(shù)由原來的146 組增加到152 組，槽溫82.6～83.6 ℃，陰極出槽堿濃度30.7%，單元槽平均槽電壓為2.89 V（實際測量值），燒堿噸堿電耗下降233.33 kW·h，年效益747 萬元。 改造前后電解槽運行效果比較見表4。

表4 改造前后電解槽運行效果比較

4 電解槽操作要點

4.1 電解槽操作步驟

（1）充電解液。開車前，電解槽充滿電解液（堿液和鹽水），目的是清除兩室中的氣體。

（2）電解液循環(huán)。

（3）通電（需重點關注事項）。在兩個出口軟管檢查流量狀態(tài)，在陽極出口軟管查看陽極液顏色，檢查電解槽的電解液泄漏情況。

遇到利用新的墊片開車時， 維持陰極液溫度在80 ℃大約8 h，避免溫度過高墊片變形。

（4）逐步升電流時，需檢查下面各項。

氣體壓差；電流表；電壓表；Cl2/H2壓力；NaCl 濃度（陽極液出口）；NaOH 濃度（陰極液出口）；在電解槽進出口取樣，檢驗陽極液的酸度；單槽陰極液流量（0.3 m3/h×單元槽數(shù)=電解槽陰極流量）。

（5）檢查Cl2純度。 如果Cl2質(zhì)量合格，切換到Cl2處理管線上。

（6）檢查H2純度。 如果H2質(zhì)量合格，切換到H2處理管線上。

（7）檢驗燒堿質(zhì)量。 如果燒堿質(zhì)量合格，切換到罐區(qū)的管線上。

4.2 電解槽開停車時的極化保護

為了有效地防止在開、 停車時反向電流對電極的損傷，極化整流器應按下述要求和步驟投入使用。

（1）開車送電前10 min，手動投入極化整流器；觀察確認單元槽電壓是否正常。 若極化整流器投入10 min 后不進行送電則需將其切出。 整流器電流上升至300 A（含）以上時自動切出極化整流器。 電解槽主整流器電流下降到300 A 以下（信號取自整流器控制柜）或整流器處于停止狀態(tài)（信號取自電氣跳高壓或封鎖脈沖信號），自動投入極化整流器，投運時間為30 min。如有單元槽出現(xiàn)嚴重泄漏，可能導致電解室內(nèi)液位不足時，或者單槽壓差過高或過低時，應緊急關閉極化整流器。

（2）停電時保護陰極涂層的措施

對系統(tǒng)循環(huán)的陰陽極液循環(huán)泵、 極化整流器等關鍵設備必須配置應急供電， 主供電異常時向電解槽提供必要的循環(huán)動力和極化電流。

如果極化整流器在電解槽的主供電斷電期間未能運行， 陰極涂層可能被單元槽的原電池效應所導致的反向電流造成不可修復的損壞。

一旦陰極涂層損壞， 將導致單元槽電壓升高且無法達到電解槽設計要求的電耗。

5 運行過程中存在的問題

1#、3#槽自投用以來， 兩臺槽的運行電壓都在438 V 左右，運行較穩(wěn)定，有時隨槽溫、電解液濃度在1.0～2.0 V 的范圍波動。 到2021 年12 月3 日，1#槽的電壓上漲到443 V， 比以前上漲了3 V，3#槽的電壓上漲到442 V，比以前上漲了4 V。 檢查這期間的鹽水分析情況， 在檢測的常規(guī)項目及二次鹽水ICP 分析項目中，有時SiO2含量超標，一般在2×10-6～3×10-6范圍，其他指標全部在正常范圍內(nèi)。

6 原因分析及處理措施

（1）在電流、槽溫、電解液濃度相對穩(wěn)定的情況下，電壓變化的主要因素是電解槽。但電解槽又分為電解槽本身因素和離子膜的因素， 也就是槽電壓和膜電壓。 為了判斷電解槽運行電壓較高的主要因素是因電解槽的分解電位上漲或離子膜通道堵塞引起的膜電壓上漲， 更換了一張同型號新的離子膜進行驗證。 1#槽更換新的離子膜后， 在同樣的運行條件下，槽電壓降低到了437 V，判斷出此次電壓上漲是由于離子膜因素造成的。

（2）從歷史記錄看，1#、3#兩臺槽自開車投用以來，運行電壓相對穩(wěn)定，主要是在12 月1 日電流有過兩次較大幅度的調(diào)整后停車，12 月3 日再次開車并提電流至滿負荷后，兩臺電解槽的電壓出現(xiàn)了上漲。電解槽在新膜投用初期， 電解液中的化學雜質(zhì)和機械雜質(zhì)附著在離子膜上， 有的甚至進入到離子膜通道并堵塞通道，使電壓增高。進槽鹽水中的離子態(tài)化學雜質(zhì)與過膜的氫氧根反應生成的氫氧化合物附著在離子膜上，對電壓非常敏感，特別是鹽水中的固體雜質(zhì)（SS）很容易進入離子膜通道。如遇突然降電流，通過膜的鈉離子、水分子突然大量減少，離子膜通道又沒完全收縮，微固態(tài)雜質(zhì)易進入離子膜通道存積，堵塞離子膜通道，造成電壓上升。所以，新膜投用初期，要求盡量保持高負荷穩(wěn)定運行及各環(huán)節(jié)的控制要求，隨著運行時間的延長，離子膜表面的氫氧化物逐漸增多，會編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對進入膜通道的固態(tài)物質(zhì)起到過濾作用。此時的電壓表現(xiàn)較為穩(wěn)定，這個過程因各廠家的鹽水質(zhì)量不一樣，大約需要3～5 個月。

（3）鹽水中的SS 等固態(tài)化合物雜質(zhì)，特別是硅、鋁等雜質(zhì)在接觸到游離氯后會化合生成硅酸鹽、硅酸鋁等物質(zhì)， 這些顆粒雜質(zhì)可進入離子膜并堵塞通道， 造成電壓上升。 加酸后槽內(nèi)鹽水達到一定酸度時，可溶解大部分這種顆粒雜質(zhì)。 因此，向電解槽加酸時， 要注意不能加酸太多， 過量會造成離子膜酸化。 特別是升、降電流時，要及時跟蹤分析電解槽鹽水進、出口酸度。

（4）在新膜投用初期，應盡量保持電流和電解槽槽溫、電解液濃度的穩(wěn)定，嚴格控制好鹽水質(zhì)量。 如需要調(diào)節(jié)降低電流，應盡量緩慢，讓離子膜隨著電流的變化逐漸收縮通道， 盡量減少顆粒雜質(zhì)進入離子膜的機會。

通過上述分析，在需要調(diào)整電流的情況下，減緩了電流變化的速度， 同時根據(jù)電解槽鹽水進出口酸度的分析值，逐漸提高鹽酸的加入量，兩臺槽電壓逐步達到穩(wěn)定，目前1#、3#槽電流在14.85 kA 運行，槽溫84 ℃左右，出槽堿濃度為31%左右時，現(xiàn)場實測電壓443.6 V 左右，單元槽平均電壓2.918 V。 各項運行指標均在正常的范圍內(nèi)。

7 常見故障及處理方法

常見故障及處理方法見表5。

8 改造后的電解槽日常運行維護

（1）壓差控制。 影響電解槽壓差的因素很多，主

要采用調(diào)節(jié)氣體壓力來控制壓差， 一般情況通過氯氣壓力的給定值， 串級控制氫氣壓力來保證電解槽的壓差，控制壓差4 kPa。

表6 常見故障及處理方法

（2）電流負荷的調(diào)節(jié)。 定時觀察直流電流表，直流電壓表的波動情況，根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)電流，保持供電的穩(wěn)定性。

（3）鹽酸流量的調(diào)節(jié)。 以淡鹽水的酸度值，調(diào)節(jié)加酸閥設定值，控制鹽酸的加入量，使出槽淡鹽水酸度控制在0.001～0.005 N。

（4）電解槽溫度的調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)進陰極液冷卻器的冷卻水流量來控制電解槽陰極液溫度。

（5）電解液濃度的調(diào)節(jié)。陽極流量根據(jù)生產(chǎn)負荷由電流串級控制，陰極液濃度由純水加入量調(diào)節(jié)。

（6）每小時檢查電解槽的運行情況有無泄漏現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

（7）注意觀察陰、陽極出入口軟管；觀察是否有斷流、流動不勻現(xiàn)象，特別注意觀察陽極出口軟管顏色是否正常。

（8）如發(fā)現(xiàn)單元槽密封面墊片處有液體泄漏（如鹽水和堿液），則重新鎖定電解槽一次，鎖定嚴格按電解槽鎖定程序操作。 并用塑料容器放在泄漏部位下部，防止電解槽接地，造成短路停車。

（9）如單元槽外部有漏的結(jié)晶物，易造成電解槽短路事故發(fā)生， 及時用木條或非金屬工具輕輕地除去。 注意不能讓離子膜邊緣受到損傷。

（10）發(fā)現(xiàn)電解槽進出口軟管及管道、單元槽、法蘭處泄漏時及時處理， 如泄漏嚴重時通知調(diào)度及主控人員，做好停車準備。

（11）每班對電解單元槽測一次電壓（正常情況），認真做好記錄，有異常情況及時匯報。

（12）檢查油壓單元和電解槽的鎖定情況。

9 總結(jié)

通過改造，北化機膜極距二代槽（NBZ—2.7Ⅱ型）的電耗下降明顯，經(jīng)濟效益顯著，對于槽電壓突然上升情況，及時分析原因并采取了相應措施，槽電壓沒有持續(xù)升高， 目前電解槽運行良好， 槽電壓穩(wěn)定。 由于二代膜極距電槽陰極網(wǎng)為軟體彈性網(wǎng)，且電解槽運行電流較高， 必須加強電解槽的運行操作和管理，減少各種非正常情況下的聯(lián)鎖停車、緊急停車次數(shù)，提高DCS 控制系統(tǒng)的可靠性，保證電解裝置的安全穩(wěn)定運行，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。