離子膜電解鹽水精制優化控制改造

張少云

（江蘇安邦電化有限公司，江蘇 淮安 223002）

1 離子膜電解鹽水存在的問題

在離子膜電解制堿過程中，每噸折百燒堿約產生7.2 m3淡鹽水，離子膜電解產生的淡鹽水需要鹽水工序進行平衡。鹽水工序需要最大量地消化離子膜電解槽來的脫氯鹽水和本系統壓濾來的濾液，這種物料的平衡將在很大程度上影響到堿產品的鹽耗。離子膜技術對鹽水的質量提出了更苛刻的條件，例如要求進樹脂塔前的SS 要小于1×10-6、Ca2+/Mg2+要小于5×10-6、pH 值控制在9～10、不含有機物、不含游離氯等要求，因此，對鹽水過程的傳統工藝及自動控制都提出了改進的要求，否則將會造成一系列的嚴重后果如離子膜電解槽效率的降低、樹脂塔螯合樹脂破碎導致的消耗增加等等。

江蘇安邦電化有限公司離子膜鹽水工序分為化鹽和一次鹽水。化鹽工藝過程中主要存在如下幾個問題。

（1）關鍵的一些過程參數沒有監控，如粗鹽水、精鹽水的pH 值等；

（2）化鹽的連續性不好，鹽層控制隨意性大，這將造成NaCl 濃度的波動；

（3）化鹽水的配制除了進行溫度控制外沒有其他自動操作，化鹽水的質量波動（如含堿量）比較大；

（4）加壓容氣罐壓力沒有控制，壓力波動范圍較大，這是造成預處理器返渾的重要原因之一；

（5）精鹽水的pH 值控制為手動，波動范圍較大；

（6）現在所用的計算機為西門子300系列PLC，在實現復雜數學模型上受限制等等。

離子膜一次鹽水工序主要存在的問題有：

（1）粗鹽水游離氯含量穩定性差；

（2）預處理器三氯化鐵加量多了造成離子膜電解槽陽極軟管發紅，不加預處理器上浮效果不好；

（3）兩堿過堿量控制不好，導致鈣鎂離子超標；

（4）游離氯控制不穩定，易造成硫酸鈉加入超量導致進槽鹽水中硫酸根超標及游離氯含量超標，導致樹脂塔內樹脂破碎，使樹脂消耗量額外增加，嚴重的還會導致樹脂塔底部過濾層尼龍網及進入精鹽水高位槽前的樹脂捕集器尼龍網發脆破裂，使樹脂泄漏進入電解槽。改造方案如下。

（1）實現全自動上鹽，杜絕化鹽桶鹽層高度忽高忽低造成的鹽水濃度波動；

（2）在線顯示過堿量（NaOH），實現化鹽水和粗鹽水的過堿量全自動優化控制，使其過堿量控制精度達到R±0.1～0.15 g/L；

（3）實現加壓溶氣罐的壓力高精度控制，使其壓力波動不超過0.01 MPa，極大地穩定預處理器的運行；

（4）實現膜過濾設備控制系統的遠程控制；

（5）實現精鹽水pH 值的高精度控制，使pH 值的波動不超過0.1，這對離子膜電解將產生重要影響。

針對一次鹽水工序，采用下列控制方案：

（1）粗鹽水泵采用變頻控制，與前反應桶液位保持連鎖，保持液位控制在55%；

（2）兩堿采用調節閥控制，在化驗的基礎上保持相對穩定的控制值；

（3）加壓溶氣罐空氣壓力及鹽水液位均采用調節閥控制，保持壓力穩定在0.2 MPa，液位保持在22%；

（4）游離氯采用調節閥控制，與ORP 連鎖，保持為負值；

（5）進入精鹽水貯槽的精鹽水加酸采用調節閥控制，保持pH 值為9～10。

2 鹽水過程控制優化

鹽水優化控制方案分成4部分：化鹽水質量優化控制子系統、粗鹽水質量優化控制子系統、膜過濾設備控制子系統和精鹽水質量優化控制子系統。

2.1 化鹽水質量優化控制系統

江蘇安邦電化有限公司鹽水采用80%的鹵水化鹽，另外由于6個配水罐全是鐵罐，且來水一般都能保證含堿量在0.5 g/L 以內，這使得化鹽水的配置相對容易一些。利用現有的配水槽將pH 計、溫度計和調節閥都安裝在其上，而6個配水罐就成了6個合格化鹽水的貯罐。

另外，將化鹽水溫度控制回路投入前饋-反饋控制后可使化鹽水溫度控制精度達到±1 ℃，使鹽水的濃度波動達到最小。這部分的實現是以完善現有的控制回路為基礎的。

2.2 粗鹽水質量優化控制系統

在這個子系統中，重點做好如下事情：一是實現自動上鹽，提高化鹽的連續性，穩定鹽水的濃度；二是實現粗鹽水過堿量的精確控制，使粗鹽水的過堿量控制在R±0.1～0.15 g/L，有效控制鎂離子含量并降低后續工序鹽酸的消耗；三是實現膜過濾系統控制的國產化，減少投資與運行風險；四是實現加壓溶氣罐的液位控制和空氣緩沖罐的壓力控制。

（1）自動上鹽控制回路

化鹽桶中鹽層的高度不控制好將導致鹽水濃度和過堿量的極大波動。本方案將把鹽層高度與上鹽皮帶機連鎖起來，從而把鹽層高度控制在一個最合理的范圍內而極大地穩定鹽水的質量。本方案需自做1個鹽層高度感應板和購買1套光電開關即可（或者用1套電容式物位開關）。見圖1。

圖1 自動上鹽控制系統

該控制回路可減少鹽水濃度的波動1～3 g/L，可使過堿量的波動也明顯降低。

（2）粗鹽水過堿量控制回路-NaOH/Na2CO3

上鹽初期大量的鎂離子將消耗很多化鹽水中的OH-，不及時克服這個階躍式的干擾將使粗鹽水的過堿量波動很大。在這個方案中把上鹽信號作為前饋補償環節的觸發條件，提前調節NaOH 調節閥來得到一個相對穩定的過堿量，用數學模型把測到的粗鹽水pH 值和溫度換算成“含堿量”而更便于操作與控制，該回路能把過堿量控制在R±0.10～0.15 g/L。

該控制回路可有效控制住因原鹽產地變化、顆粒大小、鹽層高度等因素造成的粗鹽水質量的波動，并能控制住化鹽鹽水質量的波動。見圖2。

圖2 粗鹽水過堿量控制回路

由于Na2CO3的含量無法在線測量和在線計算，只能采用與鹽水流量比加入的方案，可以將Na2CO3的含量控制在0.1～0.3 g/L，三氯化鐵的加入也是如此。在離子膜一次鹽水崗位設置化驗臺，每小時檢測一次過堿量，確保過堿量在控制范圍內。見圖3。

2.3 膜過濾設備控制系統

圖3 Na2CO3加入量控制圖

（1）戈爾膜過濾器的程序控制較為簡單，比起離子膜二次鹽水樹脂塔的程序控制來說要簡單很多，但國外過濾器設備為此自帶的控制器、控制箱要相對貴重。因此在本方案的軟硬件配置、設計方案中還把這部分也作了考慮，將來一旦原控制設備出現故障，可很快、很方便的投用DCS 中的控制程序，沒必要購買原裝設備的備件，這樣將節省可觀的費用。

該方案可在短時間內被切換使用。切換所要做的工作就是把每個過濾器的八臺程控閥等信號電纜接至相應的位置。可使操作人員從控制室遠程控制過濾器的運行。

（2）加壓溶氣罐的液位控制和空氣緩沖罐的壓力控制。

這2個回路都是單回路控制系統，采用智能PID 控制算法即可達到高精度的控制指標。

2.4 精鹽水控制系統

從戈爾過濾器出來的精鹽水的pH 值一般在11以上，去離子膜精鹽水貯槽要加酸進行中和。精鹽水pH 的控制精度直接影響到二次鹽水進入樹脂塔進行吸附的效果，pH 偏低離子吸附效果不好，偏高形成堿性氫氧化物無法被吸附，導致精制鹽水出樹脂塔后金屬離子含量超標，特別是鈣鎂含量超標，直接影響電解槽的槽電壓，影響離子膜壽命及電解效率，是一個極其關鍵的過程控制參數。而pH 值在9～10之間有非常大的非線性特點，這給控制造成很大的難度。因此，在這個控制回路中應用了“模糊控制+常規PID”的控制策略，而使精鹽水的pH 值控制精度達到0.05～0.1。見圖4。

在上述方案中，先進的模糊控制算法以最快的速度對pH 值進行粗調，

圖4 精鹽水控制系統圖

常規PID 算法在此基礎上進行細調，從而使精鹽水的pH 值的控制精度達到R±0.1 pH（0.05 pH），這將極大的有利于電解槽的安全、經濟運行，本方案與粗鹽水的幾個控制方案一起，約使電解的槽電壓降低0.01～0.05 V。

3 應用效果

鹽水制備優化控制系統所帶來的效益是多方面的，有些間接效益不好計算出來，在這里我們僅把可以產生效益的部分羅列出來，按照年生產350天計算。

（1）各種精制劑的減少所帶來的直接效益。

a.鹽酸消耗的降低，按照600元/t 高純鹽酸計算，鹽酸消耗比原來降低20%，每天用量由20 t 左右降至16 t，效益為：4×350×600=84（萬元/a）

b.電解液消耗的降低，按照600元/t 32%燒堿計算，電解液的消耗比原來降低20%以上，每天約降低2 t 以上，效益為：2×350×600=42（萬元/a）

c.碳酸鈉消耗的降低，按照1 800元/t 碳酸鈉計算，碳酸鈉每月消耗從100 t 左右降低為70 t 左右，效益為：30×12×1 800=64.8（萬元/a）

其他精制劑的減少在此忽略不計。

（2）精鹽水pH 控制精度的提高，對降低槽電壓、提高電解效率和氯氣純度而帶來的經濟效益為100萬元/a。

（3）精鹽水質量的提高預計可使戈爾膜壽命延長至2年以上。

（4）離子膜精制鹽水質量的提高，在鹽水質量上保證了離子膜電解的安全穩定運行。

綜上所述，該技術年效益為290萬元以上。