電解槽電壓持續(xù)上升的原因及控制措施

段海燕，丁少榮，吳維宏，田小春，童剛

(內(nèi)蒙古鄂爾多斯電力冶金集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016064)

電解槽電壓持續(xù)上升的原因及控制措施

段海燕*，丁少榮，吳維宏，田小春，童剛

(內(nèi)蒙古鄂爾多斯電力冶金集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016064)

燒堿；電解槽；槽電壓

以30萬t/a離子膜復(fù)極電解槽為例，分析電解槽槽電壓持續(xù)上升的原因有：鹽水中含雜質(zhì)多，槽壓差高，氯氫壓力變化頻繁，電解槽溫度高，淡鹽水pH值大于2，鹽水濃度及堿濃度超標(biāo)，涂層脫落等。提出相應(yīng)的控制措施，控制電解槽電壓上升，延長了離子膜使用壽命，降低了直流電消耗。

電解槽電壓是氯堿離子膜電解裝置運(yùn)行性能的一個(gè)重要指標(biāo)，槽電壓的高低直接影響到電耗和成本[1]。槽電壓主要由電流密度決定，還有鹽水品質(zhì)、氣相壓力及氯氫壓差、淡鹽水pH值、鹽水濃度、堿液濃度、電解槽溫度等工藝條件也是槽電壓的重要影響因素。下面就內(nèi)蒙古鄂爾多斯電力冶金集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱“鄂爾多斯電力”)槽電壓升高的情況進(jìn)行分析和探討。

1 槽電壓數(shù)據(jù)

鄂爾多斯電力30萬t/a離子膜法燒堿裝置采用的是氯工程N(yùn)-BiTaC890電解槽，前期均用杜邦N-2030離子膜，分2套系統(tǒng)。第1套系統(tǒng)于2012年11月2日送電，第2套系統(tǒng)于2013年7月28日送電，生產(chǎn)一直比較穩(wěn)定。第1套系統(tǒng)于2016年9月整體更換離子膜。

鄂爾多斯電力電解槽電壓在2016年9月底檢修后呈明顯上升趨勢，槽電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檢修后電解槽電壓變化趨勢Table 1 Change trend of cell voltage after main tenante of electrolyzers V

續(xù)表1

從表1可以看出：從開車到2017年2月，第1套系統(tǒng)槽電壓上升了13.6 V，單元槽電壓平均上升0.07 V；第2套系統(tǒng)槽電壓上升了 13.2 V，單元槽電壓平均上升0.072 V 。

2 原因分析

2.1 鹽水中的雜質(zhì)

鄂爾多斯電力的鹽水品質(zhì)分析結(jié)果雖然顯示各雜質(zhì)含量沒有超標(biāo)，但是在檢修后，2016年10月初因廢水池維修，使用臨時(shí)廢水槽，進(jìn)入配水槽的再生廢水沒有經(jīng)過中和就送到了配水槽，使化鹽水的pH值波動較大，進(jìn)而造成鹽水中的金屬離子波動較大，尤其是Al3+和硅含量超標(biāo)。并且在12月底至2017年1月，由于進(jìn)場原鹽品質(zhì)差，按真空鹽與再生鹽質(zhì)量比為1∶1配制原鹽。再生鹽中的Mg2+較多，Ca2+、Mg2+比例失調(diào)，造成鹽水中的金屬離子濃度波動幅度較大，導(dǎo)致槽電壓上升。

鄂爾多斯電力嚴(yán)格管控再生廢水品質(zhì)，要求在排酸時(shí)開始給廢水池中加堿，每0.5 h測1次泵出口的pH值，再生時(shí)增加了配水過堿量的分析頻率，并將2#折流槽的pH計(jì)取樣點(diǎn)改至進(jìn)前反應(yīng)之前，及時(shí)監(jiān)控過堿量。同時(shí)用酸清洗三氯化鐵管道，保證了FeCl3的加入量。增加了ICP的分析頻率，而且分不同點(diǎn)、在不定取樣時(shí)間進(jìn)行了取樣分析。同時(shí)聯(lián)系旭化成幫助分析鹽水，ICP結(jié)果顯示沒有異常。在此期間曾2次讓旭化成將鹽水帶回分析，顯示鹽水中碘超標(biāo)。

2.2 槽壓差的影響

鄂爾多斯電力在原始開車期間，因整流原因跳停頻繁，造成緊急連鎖停車次數(shù)較多。理論上來說每次跳停后投入極化電流，都是對電解槽涂層及離子膜的損傷。隨著電解槽運(yùn)行至后期，前期的跳停影響會越來越明顯。 日本旭化成專家來進(jìn)行技術(shù)交流時(shí)，根據(jù)鄂爾多斯電力的槽電壓情況，指出目前第2套系列槽電壓上升的原因很明顯是多次停車，極化整流投入，造成了單元槽中部電壓高、兩邊低的現(xiàn)象；并隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，逐步向兩邊擴(kuò)散，證明電解槽涂層已經(jīng)受到損傷。

2.3 氯氣、氫氣壓力的變化

在電解過程中，電解槽陽極區(qū)產(chǎn)生氯氣、陰極區(qū)產(chǎn)生氫氣，氣泡對槽電壓有一定影響。目前情況是：一方面通過在離子膜的羧酸層和磺酸層增加涂層，或機(jī)械打磨使離子膜表面粗化，進(jìn)行親水性處理，使氯氣、氫氣氣泡較少地粘連在膜上，消除氣泡效應(yīng)對槽電壓的影響；另一方面，在工藝控制中盡可能控制氯氣、氫氣壓力，使氣泡體積縮小，達(dá)到降低槽電壓的目的。每增加5 kPa的氣相壓力，可降低0.010 V的槽電壓。

在生產(chǎn)中，鄂爾多斯電力的氯、氫壓力一直是定值，氯氣20 kPa、氫氣25 kPa，不曾波動。

2.4 電解槽溫度

一般電解槽溫度在90 ℃以下時(shí)，槽溫每升高1 ℃，槽電壓降低約0.010 V[3]。 鄂爾多斯電力在18 kA時(shí)，槽溫一般控制在87～88 ℃，沒有大的變化 。

2.5 淡鹽水pH值

淡鹽水pH值大于2時(shí)，逐步提高加酸量，會導(dǎo)致槽電壓輕微升高；當(dāng)pH值小于2時(shí)，過量的酸會導(dǎo)致膜的酸化，羧酸層發(fā)生氧化收縮，羧酸層磺酸層剝離，槽電壓急劇升高。鄂爾多斯電力出槽鹽水pH值一直在4～5之間，沒有超出范圍；進(jìn)槽鹽水所加淡鹽水的pH分析結(jié)果一直在1.8～2.5之間，進(jìn)槽混合后的鹽水一直在跟蹤分析， 現(xiàn)逐步增加加酸量，以降低氯酸鹽含量。但為了保證進(jìn)槽鹽水的pH值，鄂爾多斯電力定期分析混合后的進(jìn)槽鹽水pH值，以保證進(jìn)槽鹽水的pH值穩(wěn)定。

2.6 鹽水濃度、堿濃度

鹽水濃度和堿濃度的變化都會影響離子膜內(nèi)含水率，從而影響槽電壓。淡鹽水中氯化鈉質(zhì)量濃度一般控制在200～220 g/L。偏高時(shí)會導(dǎo)致膜收縮，離子膜含水率降低，槽電壓升高；偏低時(shí)(小于170 g/L)，水會經(jīng)磺酸層遷移到羧酸層，因羧酸層比較薄使膜內(nèi)形成水泡，長時(shí)間則造成離子膜破損。

鄂爾多斯電力的出槽淡鹽水濃度一直控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。

一般認(rèn)為，燒堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)每變化1%，影響槽電壓0.014～0.030 V。燒堿濃度過高時(shí)，不但不利于生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，也會使離子膜發(fā)生收縮，槽電壓升高。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，離子膜性能發(fā)生劣化，要逐步調(diào)整陰極液的補(bǔ)水以保持燒堿質(zhì)量和穩(wěn)定的槽電壓。現(xiàn)階段為了穩(wěn)定槽電壓，將堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整到了31%～31.5%。

2.7 涂層脫落

開車至今，鄂爾多斯電力的陰極涂層脫落較嚴(yán)重，廠家解釋說是正常現(xiàn)象。2015年5月，給廠家返回了3個(gè)單元槽，廠家對單元槽進(jìn)行了電極電位的檢測分析，也說沒有問題。與相同型號的電解槽用戶聯(lián)系，均說沒有鄂爾多斯電力電解槽陰極涂層脫落的嚴(yán)重；并且整體更換膜后，新增加的單元槽電壓上升的較慢，而舊單元槽新膜的槽電壓上升較快，說明涂層脫落對槽電壓的影響較大。

2.8 電解槽超負(fù)荷運(yùn)行

原始設(shè)計(jì)運(yùn)行電流18 kA，電流密度達(dá)到5.5 kA/m2，但實(shí)際運(yùn)行電流為18.6 kA，持續(xù)高負(fù)荷生產(chǎn)，造成槽電壓升高幅度高于預(yù)期值。

3 控制措施

(1)分析結(jié)果確認(rèn)。聯(lián)系旭化成對換膜后的電解槽運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確認(rèn)槽電壓上升是否正常。

(2)在換膜期間聯(lián)系了旭化成公司來現(xiàn)場對單元槽的涂層進(jìn)行分析，陰極涂脫落較嚴(yán)重，7-1#單元槽的陰極端板涂層僅有20% 。

(3)定期增加ICP的分析頻率，嚴(yán)格控制好鹽水的質(zhì)量。

(4)進(jìn)槽鹽水和純水的加入量要穩(wěn)定，不輕易進(jìn)行調(diào)整，但要嚴(yán)格控制好出槽的鹽水質(zhì)量濃度不低于190 g/L。

(5)控制好FV-2005的加酸量，定期核對儀表和分析之間的pH計(jì)，防止進(jìn)槽鹽水的pH值過低。

(6)將鄂爾多斯電力的運(yùn)行數(shù)據(jù)與周邊同類型電解槽的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，尋找差異，找出原因。

(7)建議加裝鈣鎂離子在線檢測儀，對進(jìn)槽鹽水的金屬離子隨時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)語

離子膜法燒堿槽電壓的控制是延長離子膜壽命的重要指標(biāo)，對電解直流電消耗影響大，直接關(guān)系燒堿的生產(chǎn)成本，因此，在生產(chǎn)過程對于工藝指標(biāo)的精細(xì)化控制尤為重要。

[1] 程殿彬.離子膜法燒堿生產(chǎn)中曾發(fā)生的問題及解決辦法[J].氯堿工業(yè)，2012，48(2)：12-18.

[2] 黃薔蕾,呼世斌.無機(jī)及分析化學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2004:129-132.

[3] 張伏華，徐建博，許生峰，等.膜極距電解運(yùn)行的相關(guān)要求[J].氯堿工業(yè)，2015，51(5):21-23.

[編輯：蔡春艷]

Causes of cell voltage rising steadily and control measures

DUANHaiyan,DINGShaorong,WUWeihong,TIANXiaochun,TONGGang

(Inner Mongolia Erdos Electric Power Metallurgy Group Co., Ltd., Erdos 016064, China)

caustic soda; electrolyzer; cell voltage

Taking 300 thousand t/a ion membrane bipolar electrolyzers as example, the causes of continuous rise in cell voltage were analyzed,including too many impurities in brine, high cell pressure difference, frequent fluctuation of chlorine/hydrogen pressure, high cell temperature, greater than 2 of pH value of depleted brine, out of limits of brine concentration and alkali concentration,loss of coating, and overload operation of electrolyzers. Corresponding control measures are put forward to control the rise of the electrolytic cellvoltage. As a result, the service life of the ion membrane prolongs, and the consumption of the direct current reduces.

段海燕(1974—)女，助理工程師，畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)擔(dān)任內(nèi)蒙古鄂爾多斯電冶集團(tuán)化工事業(yè)部PVC公司燒堿分廠電解裝置長

2017-02-02

TQ114.262

B

1008-133X(2017)06-0018-03