朱 俊，趙 偉，徐宇翔，楊國(guó)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(wèi) 751700）

氯堿生產(chǎn)能耗主要集中在燒堿生產(chǎn)中的電解工序，電解工序能耗占燒堿總能耗50%以上。 為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排， 有必要開發(fā)節(jié)能型的電解設(shè)備和工藝技術(shù)來降低燒堿裝置總能耗。同時(shí)，電解裝備的使用壽命也是關(guān)系到氯堿工業(yè)資源消耗及產(chǎn)出的重要指標(biāo)，通過技術(shù)創(chuàng)新延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)節(jié)約資源、減少排放具有重要意義。

1 背景

早期國(guó)外某公司在FM-21 單極槽的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種特殊結(jié)構(gòu)型式的復(fù)極槽（以下簡(jiǎn)稱國(guó)外電解槽），陸續(xù)在氯堿企業(yè)得到運(yùn)用。 但此類國(guó)外電解裝置的結(jié)構(gòu)屬于較早期的設(shè)計(jì)， 且為非完全零極距結(jié)構(gòu)，能耗略高。目前大部分該型號(hào)電槽已達(dá)設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

江蘇安凱特科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“安凱特”）是一家擁有多項(xiàng)電解槽自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、先進(jìn)電極涂層技術(shù)和生產(chǎn)工藝的高新技術(shù)企業(yè)， 生產(chǎn)的ANC 系列節(jié)能型氣液強(qiáng)化循環(huán)零極距電解槽經(jīng)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織鑒定， 整體性能達(dá)到先進(jìn)水平。 安凱特成功研發(fā)了一種可與國(guó)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(guó)外電解槽系統(tǒng)，在保留原有土建設(shè)施、電氣配置、電解槽框架、工藝參數(shù)及控制模式等不變的前提下， 替換國(guó)外單元槽，使裝置增產(chǎn)降耗。

2 電解槽研究

2.1 國(guó)外電解槽

國(guó)外電解槽為自然循環(huán)高電流密度復(fù)極槽，有效電解面積2.895 m2，設(shè)計(jì)操作壓力0～20 kPa，最大可承受電流密度6 kA/m2。 根據(jù)單元槽數(shù)量不同，單臺(tái)電槽可分為單框與雙框結(jié)構(gòu)。 該電解槽最大的特點(diǎn)是單元槽能獨(dú)立密封， 更換單元槽時(shí)可直接換上預(yù)裝好的經(jīng)測(cè)試合格的單元槽， 裝置停車維修更換單元時(shí)間短，但單元槽易變形，單元槽組裝、拆卸、檢查工序復(fù)雜，操作不便。

2.1.1 工藝控制

國(guó)外電解槽通過一根總管向整臺(tái)電槽進(jìn)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(jìn)出口總管由非金屬材質(zhì)構(gòu)成， 在進(jìn)出口總管處裝有接地犧牲電極， 電槽單元由進(jìn)出口軟管連接。

2.2 ANC290Z 電解槽

安凱特研發(fā)的新型ANC290Z電解槽有效電解面積與國(guó)外電解槽有效電解面積基本一致， 為零極距自然循環(huán)復(fù)極槽，設(shè)計(jì)操作壓力25 kPa，最大可承受電流密度8 kA/m2。 單臺(tái)電解槽由陰陽(yáng)極端框加多片復(fù)極式中框組成，單元槽外形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 ANC290Z電解槽外形

為不改變現(xiàn)有設(shè)計(jì)及操作等要求， 對(duì)電槽及整體替換方案設(shè)計(jì)如下。

（1）電解槽單元尺寸設(shè)計(jì)

國(guó)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(tái)氣體總管匯入系統(tǒng)氣體總管。為保證電槽內(nèi)部氣體壓力一致，需保持槽內(nèi)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(jìn)行了調(diào)整， 陽(yáng)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(yáng)極腔室體積大大減小，但陽(yáng)極鹽水流量與陰極補(bǔ)水流量在同等電流密度下是不變的，根據(jù)法拉第公式可知，在固定電流密度下，電子數(shù)量一定， 單位時(shí)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(nèi)消耗的氯化鈉和純水與電解槽腔室大小無關(guān)。

ANC290Z 電解槽通過Fluent 數(shù)學(xué)模型計(jì)算，每片單元槽的陰極循環(huán)流量控制在0.26～0.30 m3/h。另外電解槽陰極腔在運(yùn)行過程中還承擔(dān)著熱量傳遞及高濃度堿液快速置換稀釋的工作， 相對(duì)較大的陰極流量更有利于裝置的運(yùn)行，不需隨電流密度同比調(diào)節(jié)。

（2）導(dǎo)電、循環(huán)及氣體分離設(shè)計(jì)

ANC290Z 電解槽采用背板貼合焊接的復(fù)極式結(jié)構(gòu)，有效降低電槽之間的接觸電壓。 同時(shí)，通過增加導(dǎo)電筋板及電極極網(wǎng)的焊接點(diǎn)數(shù)量， 在結(jié)構(gòu)上保證ANC290Z 電解槽最大可承受8 kA/m2電流密度。在傳質(zhì)、傳熱循環(huán)及氣體分離方面，沿用了安凱特的系列發(fā)明專利技術(shù)。

（3）密封擠壓形式確定

ANC290Z 電解槽是復(fù)極式電解槽，每片電槽之間需要由墊片及擠壓進(jìn)行密封。 行業(yè)內(nèi)在用擠壓方式主要分為3 種，一種是以旭化成、北化機(jī)為代表的油壓機(jī)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析及三維建模布置， 現(xiàn)場(chǎng)不具備油壓機(jī)擠壓條件， 若采用頂緊螺桿模式需對(duì)原有頂桿尺寸及電氣連接方式進(jìn)行改造，不滿足改造初衷，而拉桿密封對(duì)原框架基本不需改變，滿足設(shè)計(jì)要求。在拉桿設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)新采用了快速拆卸設(shè)計(jì)， 每根拉桿不需要完全拆解即可取下，方便電槽檢維修作業(yè)。

3 電解槽應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

公司燒堿產(chǎn)能25 萬t/a，電槽結(jié)構(gòu)為單臺(tái)雙框模式（A/B 區(qū)各71 單元，合計(jì)142 單元/臺(tái)）。由520 V，18 kA 整流器供電， 公司有豐富的國(guó)外電解槽的管理及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定，隨著電槽已接近使用壽命，電解槽性能下降，需要對(duì)電解槽進(jìn)行極網(wǎng)更換及技術(shù)升級(jí)。

2020 年4 月，計(jì)劃在一期1# 槽進(jìn)行技改，確定1# 槽A 區(qū)為ANC290Z 電解槽，B 區(qū)為國(guó)外電解槽同槽運(yùn)行的整體方案。

3.2 可行性分析

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)條件分析

（1）電解槽陰陽(yáng)極循環(huán)量由對(duì)應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)電流同比控制， 單槽的兩進(jìn)四出物料管線可以與系統(tǒng)完全斷開，陽(yáng)極系統(tǒng)無淡鹽水回用，電解液酸化由總管加酸控制，具備并線運(yùn)行條件。

（2）71 單元國(guó)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(jì)算，71 單元國(guó)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(yùn)行。

（4）陰陽(yáng)極最大循環(huán)流量為45 m3/h。

綜上分析，同時(shí)考慮到需留有充分檢修距離，最終以A 區(qū)97 片ANC290Z+B 區(qū)71 片國(guó)外電解槽共同運(yùn)行，B 區(qū)國(guó)外電解槽為舊槽零極距改造后的新電槽，參數(shù)對(duì)比見表1，改造后效果圖見圖2。

表1 電槽參數(shù)表

圖2 整體三維效果圖

由表1 可知， 技改后電槽單元槽數(shù)量得到顯著增加，電槽具備很強(qiáng)的負(fù)荷調(diào)整能力，產(chǎn)能及能耗可以按照實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)平衡。

3.2.2 工藝調(diào)整

本次電槽技改方案中A/B 區(qū)單元數(shù)量不等，且兩種電解槽內(nèi)部循環(huán)、進(jìn)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(wěn)定的，從安全及數(shù)據(jù)收集角度考慮，將A/B 區(qū)進(jìn)液改為單獨(dú)控制模式，在A/B 區(qū)陰陽(yáng)極進(jìn)液總管中間分別增加自動(dòng)調(diào)節(jié)閥及流量計(jì)， 原系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥及流量計(jì)控制B 區(qū)國(guó)外電解槽，新增的調(diào)節(jié)閥及流量計(jì)控制A 區(qū)ANC290Z 電解槽的陰陽(yáng)極進(jìn)液。

3.2.3 泄漏電流計(jì)算

A 區(qū)新的ANC290Z 電解槽配套的陰陽(yáng)極進(jìn)出口總管均由非金屬管改為Ni/Ti 材質(zhì)金屬總管，B 區(qū)國(guó)外電解槽陰陽(yáng)極進(jìn)口非金屬總管改為Ni/Ti 金屬管，出口總管保持非金屬材質(zhì)。需對(duì)單槽的泄漏電流及接地措施重新計(jì)算與設(shè)計(jì)。

泄漏電流主要由液體柱、 金屬管本體兩個(gè)途徑流動(dòng)， 在泄漏電流流進(jìn)及流出的金屬管材位置會(huì)將當(dāng)前位置的金屬材料充當(dāng)陰極或陽(yáng)極放電， 使金屬材料快速腐蝕。若沒有合適的保護(hù)措施，在系統(tǒng)管道接地等部位也會(huì)因泄漏電流而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。 通過對(duì)60 片單元槽模型的泄漏電流進(jìn)行分級(jí)及矩陣計(jì)算，重新制定防腐措施，增加了進(jìn)出口總管管口內(nèi)壁犧牲電極網(wǎng)、進(jìn)出口總管管嘴內(nèi)壁犧牲電極、電槽陰陽(yáng)極進(jìn)出口犧牲電極、管路斷電器及接地設(shè)施等。

3.3 項(xiàng)目實(shí)施（陰陽(yáng)極相同）

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

（2）分別在A 區(qū)陰陽(yáng)極進(jìn)液管上增設(shè)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥及流量計(jì)，信號(hào)傳送至DCS，與原系統(tǒng)合并控制。

（3）電槽二樓陰陽(yáng)極進(jìn)液總管中間三通處增加一個(gè)三通，兩個(gè)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(jìn)液管線分別與兩只三通連接，實(shí)現(xiàn)A/B 區(qū)單獨(dú)供液與調(diào)節(jié)，A 區(qū)陰陽(yáng)出口總管增加單獨(dú)的堿、淡鹽水、氯氣、氫氣取樣口，并在A 區(qū)出口陰陽(yáng)極總管做電化學(xué)腐蝕處理。

3.4 開車及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過50 天的制造及現(xiàn)場(chǎng)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(guó)外電解槽開車步驟進(jìn)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(hào)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(shù)據(jù)

2020 年8 月7 日，電槽通電開車，電槽運(yùn)行情況完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，氯氣純度、堿濃度、淡鹽水濃度快速合格，與B 區(qū)同臺(tái)運(yùn)行的國(guó)外電解數(shù)據(jù)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(gè)先升后降的過程，最終ANC290Z 電槽平均運(yùn)行電壓維持在2.945 V，明顯低于國(guó)外電解槽新零極距改造后的3.005 V， 平均差值以60 mV計(jì)，運(yùn)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(qū)的電解性能較B 區(qū)好，若整臺(tái)均為ANC290Z 電解槽，在提高運(yùn)行槽溫至84 ℃時(shí)，ANC290Z 電解槽具有的能耗優(yōu)勢(shì)會(huì)更加突出。

3.4.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)

運(yùn)行至2022 年1 月數(shù)據(jù)，見表3。

表2 初期開車運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 ANC290Z電解槽運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 表明了ANC290Z 電解槽從開車至今的運(yùn)行數(shù)據(jù)，電壓上漲平均約40 mV，較國(guó)外電解槽60 mV的上漲幅度低，符合電壓上漲的趨勢(shì)。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益

分析該公司國(guó)外電解槽運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，單臺(tái)電解槽單元槽數(shù)量142 片，設(shè)計(jì)運(yùn)行電流密度5.3 kA/m2，產(chǎn)能2.5 萬t/a。 使用N2050 膜， 在5 kA/m2，90 ℃，32%堿濃度時(shí)，單元校正電壓3.04 V（項(xiàng)目新建時(shí)全新電槽考核數(shù)據(jù)）。

技改完成后，單元槽數(shù)量為168 單元，增加26 片單元槽， 在運(yùn)行中可以利用負(fù)荷調(diào)整創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在以下兩種形式。

3.5.1 維持單槽產(chǎn)能不變

維持單槽產(chǎn)能2.5 萬t/a不變，運(yùn)行電流由5.3 kA/m2下降至4.5 kA/m2，單元電壓≤2.85 V（預(yù)估最大值），噸堿電耗下降132 kW·h，年節(jié)約電費(fèi)165 萬元。

3.5.2 系統(tǒng)總產(chǎn)能不變，單槽產(chǎn)能最大化

維持5.3 kA/m2電流密度運(yùn)行，年產(chǎn)量2.95 萬t，增加折百堿產(chǎn)量0.44 萬t/a。

4 應(yīng)用后效果

4.1 效果分析

ANC290Z 電解槽在國(guó)外電解槽上的成功運(yùn)行，表明此種改造技術(shù)是安全可行的。ANC290Z 電解槽研發(fā)成功帶來的效果主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

（1）技改費(fèi)用回收快。 通過對(duì)能耗及產(chǎn)量的計(jì)算，綜合改造的投資費(fèi)用可通過電費(fèi)、產(chǎn)量等快速回收，且投資回收期較短。

（2）隨著氯堿技術(shù)的進(jìn)步，在相同離子膜及相同鹽水條件下， 國(guó)內(nèi)外的離子膜電解槽的性能已基本接近。

（3）在企業(yè)電解槽壽命到期，單元槽必須進(jìn)行更換時(shí)，既可做到和原廠一樣僅替換單元槽，又在新單元槽的選擇時(shí)避免了單一來源。

（4）相同投資的情況下，國(guó)產(chǎn)化裝置具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可獲得更多單元槽，且現(xiàn)有條件允許多的單元槽投入生產(chǎn)，得到更大的產(chǎn)能。

（5）安凱特公司能為氯堿客戶提供第一時(shí)間的服務(wù)和解決客戶問題的能力。

4.2 效益評(píng)估

ANC290Z 電解槽已穩(wěn)定運(yùn)行一年半以上，取得效果如下。

（1）電槽開車至今未出現(xiàn)任何不良狀況。設(shè)備運(yùn)行安全，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）安凱特ANC290Z 電槽與國(guó)外電解槽比電壓低，性能穩(wěn)定，具有經(jīng)濟(jì)效益及投資回收短等優(yōu)勢(shì)。

（3）電槽現(xiàn)場(chǎng)技改用時(shí)2 天，整體換膜加換槽工作在7 天內(nèi)完成并通電開車，改造周期短。

5 結(jié)語(yǔ)

安凱特公司通過ANC290Z 電解槽的研發(fā)及應(yīng)用，使氯堿客戶既取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，又取得了良好的社會(huì)效益，有很好的推廣價(jià)值。