N C H電解槽零極距改造方案優選

何冠平，王辛成

（山東鋁業公司氯堿廠，山東淄博255000）

山東鋁業公司氯堿二期采用日本旭化成公司生產的NCH型自然循環高電密電解槽，裝置于2008年6月投產，到2013年6月已運行5年，在4.5 kA/m2負荷下槽電壓升高到3.18 V，電流效率下降到91%左右，離子膜需要更換。為提高市場競爭力，該企業決定利用此次更換離子膜的機會一并進行零極距改造。

1 改造時機的選擇

NCH電解槽雖已運行5年，除電流效率較低外，電解槽運行狀態比較平穩，不需要立即改造。選擇什么時機進行改造，主要原則是便于快速組織，使企業利潤影響、市場客戶影響等降到最低程度。

從企業生產經營效益方面考慮，改造時間要利用市場淡季。山東氯堿的市場變化有一定的規律可循，分析山東鋁業公司氯堿廠近幾年以來的氯氣、液堿（32%NaOH）市場價格變化規律可以看出，液氯產品市場價格，每年的1月、2月和7月、8月是傳統的市場淡季，液堿價格除2010年11月上升明顯外，其余時間年度內變化不大。液氯市場晚冬早春的淡季，主要受春節和冬季氣溫低影響，盛夏的淡季主要受夏季高溫和農藥、溴素等耗氯行業停減產影響，深入分析液氯價格變化規律發現盛夏的淡季比晚冬早春的淡季市場更差，所以應選擇盛夏淡季實施改造。

從外圍環境對改造質量、進度方面的影響考慮，晚冬早春，特別是春節前后，受節日影響，企業和電極改造企業的員工思想均會產生波動，不利于提高工作質量；電極的運輸、其他備件的供應、極化整流設備的調試等方面工作的組織、協調的難度和不確定性增加，會對改造進度造成影響。而在夏季，這方面的影響要低得多。

從墊片安裝質量、離子膜安裝質量方面考慮，夏季比冬季氣溫高更有利于保證工作質量。但盛夏季節，天氣本就炎熱潮濕，兩側的電解槽又處于運行狀態，在電解廠房內進行電解槽的拆除安裝等工作，必須要做好防中暑等安全工作。在電解廠房內施工的過程中，可采取人員輪流作業，加強通風，供應冷飲等措施，克服氣溫高的困難。

綜合考慮上述因素，利用盛夏季節市場淡季，選擇7月初至8月末，60天左右的時間，采取好防中暑安全健康措施，即可實現以最低的停產代價獲取最大的經濟效益。

2 NCH電解槽陰陽極改造方案選擇

山東鋁業公司氯堿二期NCH電解槽運行到接近5年時間時，在4.5 kA/m2負荷下，槽電壓達到3.18 V，電流效率下降到91%左右。此時進行離子膜更換，有3種方案供選擇。

A方案：只更換離子膜和墊片。

B方案：更換離子膜、墊片同時陰極進行零極距改造，因為陽極保證壽命為8年，預計10年，目前僅用了5年，待下次換膜時再進行重涂。這樣，本次投資較少，但所帶來的問題是下一期離子膜更換時，陽極需要重涂，而陰極保護難度大；

C方案：更換離子膜、墊片、對陰極進行零極距改造同時進行陽極重新涂層，以便陰陽極更新步驟一致起來，下一期離子膜更換時僅更換離子膜即可，但浪費了陽極涂層壽命，且本次投資高。

對上述3種方案從投資、停產損失和綜合效益等方面進行比較。

每整臺電解槽150臺單元槽，墊片和膠黏劑按每整臺8.4萬元計，離子膜按165萬元計，陽極重新涂層按165萬元計，陰極零極距改造按145萬元計，新離子膜對槽電壓的貢獻按100 mV計，新離子膜3年平均電流效率按94%計。5整臺電解槽折百燒堿年產量按10萬t計（每整臺每年折百燒堿產量按2萬t計），含稅電價按0.67元/kW·h計。

2.1 A方案

每整臺投資：165萬元 （離子膜費用）+8.4萬元（墊片、膠黏劑和防粘計費用）=173.4萬元。

改造前標準電流密度下槽電壓3.18 V，改造后按3.08 V計。

電解電耗公式[2]：W=Qv/1 000 η，（η 為電流效率，Q=670.2 kA·h）

改造后比改造前降低電解電耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×3.08/0.94=2 342.0-2 195.9=146.1（kW·h/t）

每整臺電解槽3年合計總效益（與B、C方案相比，可設定A方案產量損失為零）：

2×3×146.1×0.67-173.4=413.92（萬元）。

2.2 B方案

每整臺投資：165萬元 （離子膜費用）+8.4萬元（墊片和膠黏劑費用）+145萬元（陰極零極距改造費用）=318.4萬元

陰極進行零極距改造，與不進行改造比，電壓降低貢獻3年平均按100 mV計，加離子膜的電壓降貢獻，3年平均合計200 mV，改造后標準電流密度下槽電壓按2.98 V計。

改造后比改造前降低電解電耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×2.98/0.94=2 342.0-2 124.6=217.4（kW·h/t）

B方案與A方案比，每整臺電解槽多停產10天，由于處于淡季虧損季節，根據“避峰填谷”彈性生產組織方案，“平段”和“峰段”期間，5臺電解槽運行和4臺電解槽運行的總負荷可以調整為總負荷相同，即5臺電解槽運行時平均電流控制在8 kA；1臺改造，4臺運行時，每臺電解槽平均電流控制在10 kA，則總產量相同。但在“谷段”時，電價低，電解槽負荷越高經濟效益越好，在改造的10天內，整臺電解槽每天實際影響產量8 h（谷段時間），共影響產量80 h，影響折百燒堿產量1 000 t，效益損失5萬元。

B方案每整臺電解槽3年合計總效益：

2×3×217.4×0.67-318.4-5=550.55（萬元）。

2.3 C方案

每整臺投資：165萬元 （離子膜費用）+8.4萬元（墊片和膠黏劑費用）+145萬元（陰極零極距改造費用）+150萬元（陽極重涂費用）=468.4萬元

陰極進行零極距改造，與不進行改造比，電壓降低貢獻3年平均100 mV。

陽極進行重涂，因為旭化成公司的原裝陽極僅使用了4年，基本沒有變化，此次進行重涂，僅僅為了陰陽極更新時間一致起來，對槽電壓降低沒有貢獻。

改造后比改造前降低電解電耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×2.98/0.94=2 342.0-2 124.6=217.4（kW·h/t）

產量影響方面，C方案與B方案相同，均比A方案多停產10天，同樣執行淡季“避峰填谷”彈性生產組織方案，影響折百燒堿產量1 000 t，效益損失5萬元。

C方案每整臺電解槽3年合計總效益：

2×3×217.4×0.67-468.4-5=400.55（萬元）

比較 A、B、C 3種方案 3年經濟效益，A方案413.92萬元，B方案550.55萬元，C方案400.55萬元。可見，B方案效益最好，投資比C方案低150萬元，并可使企業快速降低生產成本，不利因素是下一期陽極重涂時陰極保護困難。經綜合平衡，認為B方案可使企業爭取3～5年行業比較優勢。所以，選擇B方案。

3 抑制停產時反向電流方案的選擇

無論緊急停車還是計劃停車，停止供電后，由于電解質的作用，電解槽會立即形成原電池，產生反向電流，對陰陽極涂層和離子膜造成損傷。抑制停產時反向電流的方案主要有施加極化電流法和C-DCDS斷路器法。C-DCDS斷路器，進口日本產品需要投資20萬元，而極化整流柜，國產的已經非常成熟，投資不高于8萬元。另外，該企業對極化整流裝置已有10年的管理使用經驗，2005年一期裝置伍迪公司電解槽就設置了防止反向電流的極化整流柜，而且對電解槽保護方面的使用效果良好。從節省投資和使用經驗方面考慮，選擇了配套極化整流的方案，與C-DCDS法相比，5套電解槽節省投資六十余萬元。

4 離子膜型號的選擇

目前，氯堿行業所用離子膜中比較成熟先進的是旭化成公司的F6801、杜邦公司的N-2030和旭硝子公司的F-8080。對旭化成NCH電解槽進行零極距改造，F6801型離子膜是首選，但是，N-2030和F-8080也是成熟的。為了降低投資，并進一步檢驗這3種離子膜的比較性能，為今后的離子膜選擇提供可靠依據，對5整臺電解槽中的3整臺選擇使用了F6801離子膜，另外2臺分別使用N-2030和F-8080。

5 結語

通過方案的優化選擇，充分利用生產經營淡季，從全廠各崗位抽調20名員工，組成零極距改造小組，克服天氣炎熱和電解廠房內高溫施工等困難，統籌協調電極改造、極化整流柜改造調試、離子膜和電解槽零部件供應等各個環節進度，用56天的時間，總投資1 400萬元，完成了5臺（750臺單元槽）的零極距及配套改造工作，各臺電解槽一次開車成功，達到了預期效果，72 h考核期間，標準電流密度下，單元槽電壓平均2.95 V，比改造前降低電解電耗261 kWh，年化效益1 460余萬元。

［1］歐陽玉霞，何冠平，咸立穎.“避峰填谷”彈性生產運行模式在氯堿生產中的應用，中國氯堿，2015，（2）：14-16.

［2］陸忠興，周元培.氯堿化工生產工藝，氯堿分冊，化學工業出版社，1994年版，34-35.