膜極距與有極距電解槽同線運行工藝

張波，劉丁丁，趙鵬，楊茂勤

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

1 項目概述

陜西北元化工集團股份有限公司(以下簡稱“北元化工”)80萬t/a燒堿裝置分為4條生產線，第1期A、B線采用意大利伍德迪諾拉四代離子膜電解槽，第2期C、D線采用意大利伍德迪諾拉五代離子膜電解槽。離子膜電解槽為燒堿裝置核心設備，在氯堿生產中占有極其重要的地位，且離子膜電解槽電耗占整個氯堿生產電耗的70%，直接決定著燒堿生產成本的高低。運行9年后，第1期四代離子膜電解槽燒堿裝置單位電耗約2 470 kW·h/t(5.45 kA/m2)，第2期五代離子膜電解槽燒堿裝置單位電耗約2 350 kW·h/t(5.45 kA/m2)，遠高于四代和五代離子膜電解槽設計噸堿電耗2 130 kW·h/t和2 070 kW·h/t。雖然北元化工按計劃已開展電解槽換膜和重涂工作，但是電耗與先進離子膜六代電解槽相差較大。在科研技術支持下，實施離子膜電解槽節能改造的科研項目，項目于2019年9月27日通過驗收試車，投入生產，測試項數據正常。由于膜極距的降低及電解有效面積增大，使得同等電流密度下膜極距電解槽電壓與四代、五代電解槽明顯降低。

2 六代電解槽設備與工藝改造

2.1 四、五、六代電解槽工藝流程

四、五代電解槽工藝流程如圖1所示。六代電解槽工藝流程如圖2所示。

圖1 四、五代電解槽工藝流程Fig.1 Process flow of the fourth and fifth generation of cells

圖2 六代電解槽工藝流程Fig.2 Process flow of the sixth generation of cells

六代電解槽工藝流程中，電解槽陽極側進料共分為兩路：一路為電解槽正常運行供給鹽水，合格的二次精制鹽水由樹脂塔底部流出，通過DN200鹽水管線進入換熱器(061E003)經蒸汽調節閥(TV-0642)或循環水調節溫度后，通過陽極進料調節閥(FIC1220B)供電解槽(112A001B)使用；另一路過濾鹽水泵停運時供電解槽緊急循環使用，即合格的二次精制鹽水由高位槽底部出口管線流出，由開關閥(XV-0645A)控制后，通過陽極進料調節閥(FIC1220B)供至電解槽(112A001B)。

四五六代電解槽陰極進料、陰陽極側出料與原設計電解槽運行工藝流程相同。

2.2 電解槽操作規范及指標要求

四、五、六代電解槽操作規范及指標要求如表1所示。

表1 四、五、六代電解槽操作規范及指標要求Table 1 Operation specifications and indexes requirements of the fourth and the fifth generation of cells

2.3 四、五、六代電解槽結構區別

電解槽陽極半殼結構不同：四代陽極半殼為百葉窗結構，五代半殼為C形網狀結構，六代半殼為平面菱形結構。

陰極半殼：四、五代陰極結構相同，可以互用，六代槽陰極半殼底層為電流分配網、中層為彈性網、上層為極網編織網。

電解槽法蘭:四代和五代電解槽法蘭顏色不同，其余均一致可以共用；六代電解槽陰極長法蘭帶有滑動輪。

電解槽極距間隙：四代槽陰陽極間隙約為0.4 mm，五代槽陰陽極間隙約為0.1 mm，六代槽陰陽極為膜間距。四代電解槽與五代電解槽間隔條的區別是：五代電解槽間隔條中間有空隙，增加了五代電解槽有效接觸反應面積，降低電耗；六代槽沒有間隔條，膜極距，降低了電耗。

3 六代電解槽項目實施

3.1 電解槽設備安裝方面

六代電解槽為膜極距電解槽。六代電解槽組裝開車上線200個單元槽，電解槽陰陽極內部結構均有變化，使用杜邦N2050離子膜，更換電解槽槽框頂端絕緣板，單元槽頂部改造為移動滑輪懸掛。

換熱器設備安裝方面，因為六代電解槽電阻小，按照最大效益工藝設計要求，六代槽陽極進料鹽水系統增加1臺換熱器(061E003)，滿足槽溫控制實現效益最大化。

3.2 工藝管線改造

陽極系統精鹽水管線配管從樹脂塔出口經鹽水換熱器(061E003)至電解槽，低壓蒸汽配管至鹽水換熱器(061E003)，循環水上回水配管至鹽水換熱器(061E003)，純水管線配管至精鹽水管線，供電解槽開停車稀釋鹽水使用。

3.3 電儀設施安裝改造

增加2臺自控閥、1臺蒸汽調節閥(TV-0642)、1臺應急開關閥(XV-0645A)，控制二次精制鹽水由高位槽底部出口管線進入電解槽，鹽水管線增加熱電偶檢測鹽水溫度。

4 電解槽數據對比

電解槽數據對比包括運行數據對比、能耗對比、電流效率、槽電壓對比。

4.1 電解槽運行數據對比

14.85 kA下測試，六代槽電壓平均為2.944 V，對標行業槽電壓趨勢一致。與北元化工四代、五代槽電壓相比，六代電解槽槽電壓分別下降219 mV和110 mV，整體槽電壓穩定性高。16.3 kA下測試，六代槽電壓平均為2.967 V，對標行業槽電壓趨勢一致，比北元化工四代、五代、槽電壓分別下降274 mV和211 mV。應用質量1-MR大數據庫分析工具分析。

四、五、六代電解槽性能對比(開車測試值)如表2所示。

表2 四、五、六代電解槽性能對比(開車測試值)Table 2 Performance comparison between the fourth,the fifth and the sixth generation of cells on the basis of startup test data

滿負荷運行時，四、五、六代電解槽性能對比如表3所示。

表3 滿負荷條件下，四、五、六代電解槽性能對比Table 3 Performance comparison between the fourth,the fifth and the sixth generation of cells at full operation load

與四代槽相比，六代槽月節約電63.92萬kW·h；與五代槽相比，月節約電49.53萬kW·h。

B槽更換前后電耗對比如表4所示。

表4 B槽更換前后電耗對比Table 4 Comparison of power consumption in cell B before and after cell replacement

4.2 六代電解槽考核技術參數

六代電解槽技術協議考核指標主要為電耗和電流效率。電流效率按照技術要求1～3個月大于96%。第1種核算按照電解槽全分析指標陽極平衡法核算電流效率偏低95.51%，目前排查原因分析是出槽氯酸鹽偏高，需要進一步對標排查出槽鹽水氯酸鹽含量分析準確性；第2種核算按照開車前后B線燒堿產量核算，開車運行72 h根據電磁流量計核算，折算電流效率96.35%。

六代電解槽的協議電流效率分別為：

開車—3個月 96%； 4—12個月 95%；

13—24個月 94%； 25—36個月 93%；

37—48個月 93%。

實際運行3個月的分析指標核算為95.51%。

開車前后產量對比核算電流效率為96.35%。

首次開車六代電解槽電耗協議值為2 025 kW·h/t，實際運行3個月來的電耗值為2 035.9 kW·h/t。

六代電解槽其余指標考核結果為：氯氣純度，98.5%，合格；氯氣含氧(質量分數，下同)，0.9%，超標(控制指標要求小于0.6%)；其余指標正常。用2種分析方法分析氯氣。硫代硫酸鈉吸收法：氯氣純度 98.5%，氫 0.019%，氧 0.94%；硫代硫酸鈉+碘化鉀吸收法：氯氣純度 98.5%，氫 0.025%，氧 0.80%。目前氯氣純度合格，含氧超標。根據技術協議資料查閱，兩種分析方法與同行業對標，氯氣指標處于中上等水平。

圖3 電解槽的槽電壓數據控制圖Fig.3 Diagram of cell voltage data control

5 六代電解槽項目實施中的問題

5.1 出料總管安裝問題

陰極出料總管槽頭處DN25管口不正，導致測溫點遠傳設施不能有效檢測工藝指標，槽溫控制異常，造成設備損壞。

陰陽極出料總管測量溫度管口底部無液體遮擋板，導致溫度檢測失真，不能有效檢測電解槽槽溫這一重要指標，電解槽性能不能有效釋放。須要增加測量溫度計內伸管長度，或者總管底部焊接遮圓弧形擋板。

電解槽涉及金屬管線改造，金屬材質直接連接，會出現電解槽電流泄漏和人員觸電風險。按照氯堿行業電解槽絕緣要求，須要金屬出料總管涂刷環氧絕緣漆F等級(特別是活套法蘭及管口連接處)，原有的管線需要環氧絕緣漆F等級(耐高溫、腐蝕銀色環氧絕緣油漆)，增加對應管口螺絲螺帽絕緣瓷套。

5.2 電解槽框架及絕緣問題整改措施

電解槽槽框改造，絕緣板安裝；測試槽框平整度，發現后區一處平整度超指標，補安裝1塊鋼板，槽框水平、垂直調整正常。

金屬總管電解槽進出料金屬管線與閥門螺栓絕緣異常，螺絲和法蘭絕緣異常，建議采用環氧絕緣油漆。

6 總結及規劃

6.1 能耗效益

從電耗的角度考慮，按照單條線B槽更換前后數據對比：電耗節約55 kW·h/t，月節約99萬 kW·h，月合計節約：29.7萬元。16.3 kA下測試調整工藝參數測試后，B線噸堿耗電由2 313 kW·h/t下降2 297 kW·h/t，降低16 kW·h/t。比近期新開四代槽月節電63.92萬 kW·h，比五代槽月節電49.53萬 kW·h。

6.2 下一步改進計劃

高負荷運行條件下指標改進，對標行業分析誤差，下一步逐步調整優化工藝參數，提高電解槽控制水平。六代電解槽新規程增加離子膜水洗操作規程，運行后期根據離子膜通道堵塞情況進行水洗離子膜工藝操作。電解槽節能技術改造以降低電解槽電耗為宗旨。六代電解槽一次性順利開車為北元化工創造出更大的盈利空間，同時也根據六代電解槽工藝參數調整思路對公司目前四代和五代離子膜電解槽進行技術升級革新，提升北元化工在同行業中的競爭力和影響。