離子膜電解槽的結構與工藝控制原理

喬霄峰，郭瑾，劉秀明

(藍星(北京)化工機械有限公司，北京 100176)

近40年來，中國離子膜燒堿工業技術從無到有迅猛發展，先后有國際上多家著名專業公司設計制造的數十種不同結構形式的電解裝置在我國氯堿企業運行使用。

目前，全球燒堿產能已超9 000 萬t/a，我國產能已達4 000多萬t/a，基本為離子膜法電解裝置。

在氯堿工業中，各種離子膜電解裝置采用的電解工藝基本相同，配套使用的離子膜的功能條件相近，所以，電解室內部反應條件要求也是基本相同的。離子膜燒堿是通過電解食鹽水完成工藝反應，在電勢和電流的作用下，遵從電化當量規律，鈉離子從陽極室遷移至陰極室，陽極室氯氣析出而鹽水濃度下降，陰極室氫氣析出而氫氧化鈉濃度上升。現行工藝為出槽淡鹽水質量濃度205 g/L、堿質量分數32%。

可通過科學的設計電解室結構提供良好的反應條件，并通過電極活性涂層技術獲取更低的氯氫析出電位，以期達到最好的能耗性能。還應將工藝與電解反應結構設計相結合，將電解液的循環方式及各項工藝條件的保證與獲取良好的反應狀態相結合，工藝與設備相互匹配，相互彌補，只有這樣，才能使不同結構形式的離子膜電解槽在更大的電流負荷需求下獲取更高的使用價值[1]。

1 電解槽的供電組合形式

離子膜電解原理示意圖見圖1。

圖1 離子膜電解原理示意圖

離子膜燒堿電解槽工業化應用初期，設計者即發明了多種著名的電解槽型。其中有以美國的西方、英國的ICI、日本的旭硝子等公司為代表的典型的單極式離子膜電解槽，有以德國的伍德，日本的旭化成、德山曹達，意大利的迪諾拉以及中國的北化機等公司為代表的復極式離子膜電解槽，許多槽型曾在中國得到階段性的應用。電解槽不同的供電組合形式是區分電解裝置類型的兩個重要表征之一。

1.1 單極式離子膜電解槽

單極式離子膜電解槽，電解室為框式結構[2]，雙面均有電極的結構方式，多個陽極反應室和陰極反應室交替排列，單個電極面積小的有0.2 m2，大的可達2.7 m2。同臺或同組的陽極室和陰極室分別并聯供電，多采用拉桿串拉密封組合。

單極式離子膜電解槽每臺或每組電解槽可以并聯組合幾個甚至幾十個電解單元槽，單臺工作電流很大，是所有并聯電解單元反應電流的總和，最高運行電流可達上百kA。而由于單臺或單組電解槽是并聯供電組合，電壓卻很低，只是一對陰陽極之間3 V左右的反應電壓。

單極式離子膜電解槽供電組合示意圖如圖2所示。

圖2 單極式離子膜電解槽供電組合示意圖

由于單極式離子膜電解槽大電流低電壓的特性，為了設備能有更高的整變效率，一般在裝置中會將多臺電解槽串聯供電U形排列，每臺電解槽的電流負荷相同。

由數十臺電解槽組成的單極式離子膜電解裝置，產能規模較大，每臺電解槽需要單獨進行反應狀態檢測和相應的工藝控制操作。其優點是，必要的時候可以利用短路開關裝置進行選擇性的跳槽和備用槽替換，能夠合理安排維保人員和時間做有計劃的長期的設備管理。

單極式離子膜電解槽一般采用外部自然循環方式，依靠陰陽極反應室外部設置的氣液分離箱和降液管，使電解室獲得較大的循環量，在當時4 kA/m2以下電流密度條件下，槽內反應狀態良好，運行穩定。如果要按當今運行要求進一步提高電流密度，必須在原有基礎上進行電解室內部循環結構的改進設計，才能使老舊裝置的使用周期得以延續。

由于單極式離子膜電解裝置槽內電流分布和槽間大電流導電連接所需的銅及鈦銅復合組件較多，工藝配管和儀表閥門繁雜，單臺工藝操作控制點較多且要求有很高的精細度，需要較多的操作人員和檢測頻次，設備制造成本較高，其技術發展停滯，生產裝置逐步減少。

1.2 復極式離子膜電解槽

復極式離子膜電解槽，一個陰極室和一個陽極室被一張離子膜相隔形成一個電解單元，多個電解單元之間采取陰陽極室同向排列串聯供電組合。單個反應室的電極面積可大可小，最大可達3.5 m2以上，電解單元之間多采用先進的油壓密封擠壓的結構方式。

每臺復極式離子膜電解槽可以串聯幾十個甚至上百個電解單元，單臺總電壓可達數百伏，是所有串聯電解單元電壓的總和，而單臺電解槽的總電流卻不會很大，與每個電解單元的工作電流相同。

圖3 復極式離子膜電解槽供電組合示意圖

由于復極式離子膜電解槽較低電流匹配較高電壓的特性，設備可有較高的整變效率，在裝置中可有多臺電解槽獨立供電而物料管路相連，整體布局較為合理。

由多臺電解槽組成的復極式離子膜電解裝置，可適用于各種產能規模的生產裝置，每臺電解槽產能也可根據需求通過工作電流的變化作靈活調整，并可單獨進行反應狀態檢測和相應的工藝調整和控制。多臺運行的大規模生產裝置可隨時單槽停車檢修，同樣可以合理安排人員和時間進行有計劃的長期的設備管理的維保。

復極式離子膜電解裝置單臺產能大，占地面積小，槽內電流分布均勻，導電連接簡易，設備制造成本較低且有較好的工藝操作控制自動化配置，結構與工藝優化等方面技術發展較快，目前是氯堿工業生產應用的主流設備。

2 電解循環方式與結構設計

電解工藝循環方式是區分電解裝置類型的另外一個重要表征，可分為強制循環、外部自然循環、內部自然循環以及內外混合循環等方式。為了獲得良好的電化學反應狀態和優良的電解性能，不同的電流密度和不同反應室結構需與相應的工藝循環方式相匹配。

2.1 強制循環工藝與結構

在離子膜電解工藝發展初期，由于電解反應室內部沒有循環結構和氣液分離結構設計，電解質的濃度和溫度傳導與擴散條件不夠理想，特別是電解室有著較大電極面積的復極式離子膜電解槽，只能在電解槽外部配置大流量循環泵，通過對電解液的強制循環來保證電解室內所需要的介質流動狀態，使電極區域和電流密度較高的區域劇烈反應形成的介質濃度偏離和熱量聚集得以及時緩解，從而改善電解反應條件、降低電解電壓、提高電流效率、延長離子膜的使用壽命。

離子膜電解槽發展初期的近20年，復極式離子膜電解槽多采用強制循環工藝，每臺電解槽均設置有陰、陽極液循環罐和大流量循環泵。

強制循環工藝的陽極反應系統，每個陽極電解室中，除了根據鹽水的分解率和電化當量加入電解反應所需的飽和鹽水之外，還將有數倍的淡鹽水被循環泵一同送入電解室，形成淡鹽水的大流量循環，使槽內的介質具有足夠的流速，使產生并聚集在電極表面影響反應條件的氯氣得以更快的析出并快速沖散，使溫度傳導和離子交換速度得以滿足，從而大大減小了反應室內的濃差梯度和溫差梯度以及有效降低影響反應效率和電解電壓的氣液比。

在陰極反應系統，陰極表面產生的氫氣泡密度極小，飄逸性極強，可對介質形成較強的氣舉作用，使介質的流動性較好，電極表面反應條件遠遠優于陽極側。但在強制循環系統中，為了使離子膜兩側的流場狀態更加平衡，除了反應所需的有限的定量純水注入之外，仍需有與陽極室匹配的堿液循環量，以保證陰、陽極室適度和穩定壓差，保證離子膜在有極距結構條件下仍得以貼附在陽極網面。

由于強制循環工藝裝置每臺電解槽均需要配置陰陽極循環槽和大流量循環泵，反應室進口壓力及槽內液相壓力很高，循環泵和循環管路系統的噪聲和能耗很高，管路振動和壓力波動也較高。要使膜兩側陰陽極室的正向壓差始終得以保持，需要控制槽內和系統的氯氫壓差值達15 kPa或更高，對離子膜和電極網的強度都需要有很高的要求，離子膜和電極要厚實，加之制造精度所需的陰陽極極距，反應電壓和噸堿電耗相對較高。

由于大面積反應室對傳質、傳熱和傳速的要求較高，受電解槽的活性陰極技術、膜的制造技術、反應結構技術以及工藝控制技術等方面條件的制約，早期強制循環復極式離子膜電解槽的運行電流密度一般只能在3 kA/m2左右，萬噸裝置需要近百個電解單元，裝置制造成本也很高，大型強制循環生產裝置的結構和工藝技術在氯堿行業已經基本被棄用。

但是，強制循環工藝還是有其特有的適用性的，在有機電解以及沒有或少有氣體析出和擾動的電解工藝領域以及微電解或微型試驗裝置上，由于反應室內部不具備氣舉效應所形成的自循環動力，強制循環形式仍然是不可替代的工藝方式。

2.2 自然循環工藝與結構

自然循環工藝裝置可應用外部自然循環或內部自然循環兩種結構形式的電解槽，現在主流的復極式離子膜電解工藝裝置，多為內部自然循環結構形式的電解槽。

2.2.1 外部自然循環裝置

早期的自然循環工藝裝置，多為外部自然循環結構形式。它是利用室內氣泡效應形成的上浮動力，將電解液從電解室上部帶入設置在電解室上方或側方一定高度的的氣液分離箱。進入電解室上方氣液分離箱的插入管有一定的高度，防止電解液回流阻塞電解室出口。氣液分離箱下部的循環降液管與電解室下部入口連通。反應產生的氣體從氣液分離箱上部匯入系統氣體總管并排出界區處理。電解液通過氣液分離器溢流管保持一定的液位并進入系統出口總管排出，而更多的電解液依靠重力和虹吸原理循環回電解室，從而獲得較大的循環量。

圖4 外部自然循環裝置示意圖

20世紀八、九十年代日本旭硝子公司設計制造的AZEC-F2型離子膜電解槽，是外部自然循環工藝結構的典型代表，其在4 kA/m2電流密度條件下，反應室內部壓力和循環量穩定，工藝條件穩定，生產運行穩定，目前仍有一定規模的生產裝置在國內外氯堿企業生產運行。

工業生產實踐證明，設計合理的外部自然循環結構裝置，可以達到與前述的強制循環工藝異曲同工的工藝效果和內部反應狀態，電解室內不僅通過反應產生的大量氣泡的“氣舉作用”作為介質溢出動力，還可通過外部的降液重力提供介質的循環動力。如果能在反應室內部加以內部循環結構改進，一定會是一種應用范圍更廣生命力更強的工藝裝置。

2.2.2 內部自然循環裝置

隨著氯堿工藝技術和產能需求的不斷提高，電解室內反應條件和反應狀態對燒堿電解槽的結構設計的要求也越來越高，對如何獲得更好的反應效果與更低的電耗的研究也越來越專業，21世紀伊始，結構先進的內部自然循環電解槽逐步成為氯堿裝置的主流應用槽型。

電解反應析出的大量氣體產生的“氣舉”現象，是反應室內難得的循環驅動力。通過合理的氣液分離與循環結構設計[3]，可以使介質在槽內自然形成不斷的上下往復流動，大大改善了 “三傳一反”條件，使電極與離子膜表面的電解液流速成倍的增大，使電極與離子膜表面聚集的反應熱得以擴散，使電極與離子膜表面急速變化的介質濃度得到有效改善，使反應區域的氣泡更快速的析出，使槽內氣液比得以大大降低、溫差梯度和濃差梯度減小、電極和膜的壽命延長，電解槽的電壓降低，槽內壓力波動減小，增大了電流密度提升的空間。

圖5 內部自然循環狀態示意圖

通過對上述反應原理的科學研究與結構設計，目前得到廣泛應用的內部自然循環工藝和結構的電解槽，在電流密度達到4.5 kA/m2時，仍可低于外部自然循環結構槽型在3.5 kA/m2時的反應電壓，電解性能明顯提高，噸堿電耗大大降低。

3 反應條件與工藝控制原理

在離子膜電解槽中，電化學反應集中在離子膜和電極的表面區域，在此區域，反應介質足夠的流動速度、析出氣體的快速漂移、反應熱的有效傳導和擴散、離子的及時交換和遷移以及反應濃度的快速融合，是保證電解室內有良好反應狀態的重要因素[4]。

為了使電解室內獲得良好的反應狀態，對電解系統的工藝控制應結合不同的結構條件有所側重[5]，甚至還需要更有益的變化，使裝置盡可能在更佳狀態下運行。

3.1 系統的壓力和壓差控制

電解界區的氯氫壓差恒定和穩定，事關離子膜和電極的使用壽命，同時也是工藝運行與操作技術水平的重要體現。

當陰極室相對于陽極室的壓差過小或出現反向壓差時，離子膜將不能很好的貼合在陽極網面上，離子膜和陽極之間的鹽水和氯氣泡將產生很大的電阻，會使電解電壓異常升高，甚至導致運行事故。

單槽或個體設備故障的發生對系統壓力的影響會使裝置出現聯鎖停車和意外傷害問題，而氯氫處理以及前后界區之間的相互影響造成的系統壓力控制問題，更是引起電解界區壓力和壓差超限聯鎖的多發原因。

3.1.1 電解系統的氣相壓力

離子膜電解界區內的壓力控制范圍在裝置詳細設計階段已經根據管路直徑、閥門儀表選型以及設備承壓狀態等條件得以確定，目前絕大多數裝置運行在40 kPa以內。根據經驗，離子膜和電極的安全承壓能力約為15 kPa。作用在離子膜表面的壓力等于陰陽極室的氣相壓差值與陰極彈性壓力值之和。陰陽極室氣相壓差聯鎖保護值小于10 kPa，膜兩側的氯氫壓差控制值在(3～5)kPa為宜。陰極室相對于陽極室的微小正壓差的保持恒定對于離子膜和電極的使用壽命至關重要[6]。

早期的隔膜槽和單極式離子膜電解裝置，為了減少氯氣泄漏隱患，電解界區一般為平壓設計，氯氣壓力接近于0 kPa，氯壓機進口為負壓操作，而氫氣管線只有3 kPa的微正壓，電解槽內部壓力很低，所以，在運行狀態和開停車過程中，電解界區的壓力和壓差的控制相對簡捷，但對后續氯氫壓機系統的壓力控制卻有著更多的依賴性。

電解界區的壓力越低，對氣體管路和閥門的直徑要求會越大，后續系統(如氯壓機系統)的壓力調整空間也會越小，對電解系統壓力控制的反向影響門檻也越低，需要氯壓機有更高的壓縮比和更大的功率，而且低氣壓輸出的氯氣含水量也會較高。

隨著裝置規模不斷的大型化，氯氫處理工藝更加科學和多樣化，電解界區與氯氫處理系統的壓力關系更加復雜，根據氯壓機進口壓力設定和壓縮比設計、工藝系統的壓力需要等因素，離子膜電解界區的設計壓力有所提高，有些裝置的設計壓力達40 kPa以上，使開停車過程的壓力控制操作過程有所延長。

有些氯堿企業為了能夠更安全的操作和控制，嘗試改變運行已久的電解裝置，將壓力控制值從設計的40 kPa降低到20 kPa。雖然電解界區壓力升降控制便捷了，但壓力調節閥的長期運行開度卻變為較大開度狀態，使應對異常壓力時的調節范圍受限，調節性能也有所降低，而且調節閥前和閥后的壓差大大降低，氯氫壓機的壓力波動對電解壓力的影響也變得更加直接，壓差聯鎖停車更難避免。另外，許多老裝置進行膜極距結構技術改造后，運行電流密度具備了一定的上升空間，而較低的控制壓力和較大的閥門開度，也會給產能提升和氯氫氣體的增量控制帶來限制。

隨著對工藝技術的深入理解和操作水平的不斷提升，在裝置的開停車過程中，電解壓力和壓差的穩定控制已可應對自如，電解界區運行壓力的高低，完全可以根據裝置的總體需求在合理的范圍內做最有利的設定。

3.1.2 聯鎖停車時氯氫壓力的控制

在出現異常情況或聯鎖發生時，部分電解槽或全部電解槽的緊急停車，會使電解界區氯氣和氫氣的生成量突然變小，導致各控制關口的壓力較為明顯的突然下降和波動，串級控制的氯氫壓差很可能也會出現異常，這種現象在自控模式下多有發生，一定要根據系統的數據反饋并通過預設合乎邏輯且行之有效的自控程序加以避免。

及時合理的控制模式切換在聯鎖停車時氯氫壓力和壓差的控制中是一個可行和有效的方式。在壓力出現較快的明顯降低時，如果不能有效的應對，壓力波動在所難免。此時，程序的應對設置可將自控模式及時切換至人工控制模式，使壓力調節閥設定有一個與現有氣體流量更加匹配的適度的開度，使聯鎖停車后的氯氣和氫氣壓力穩定和自然的降低，待壓力穩定后再及時自動切換回自控模式，可以更好的保證串級壓差，防止壓差超限造成聯鎖停車。在異常壓力波動和變化反復出現時，可視壓力和閥門的變化狀況重復進行模式切換，動態的設定調節閥開度，消除壓力異常和波動。

當然，還有許多原因會導致氯氫壓力出現異常變化和波動，應該根據裝置已經掌握的運行和開停車數據，羅列異常因素引起的可能出現的異常反應，分析危害數據確定穩定控制的方法，并融入到自控程序中，逐步健全DCS控制系統能力。

3.1.3 氮氣置換與穩定的壓力調節

由于氫氣所具有的爆燃特性，規范的氮氣置換是工藝系統重要的安全保障。由于氮氣管線的壓力遠遠高于電解系統能夠承受的運行壓力，不合理的氮氣流量控制和開閉方法很可能會形成對陰極系統巨大的壓力沖擊，對電解裝置的安全形成嚴重的威脅，這也是造成陰陽極壓差超限聯鎖停車及設備壓力損傷的重要原因之一。需要關注的是，這個重要危害因素往往在問題分析和操作控制中被忽略和遺漏。

氯氫壓差的超限是造成電解槽的電極和離子膜損傷的重要因素，而氯氫壓力過高也會使設備的承壓極限受到考驗。有些用戶單純的在管線上安裝氣體壓力安全閥或水封裝置，有可能發生單一管線失壓，不但不能有效的避免運行事故，還有可能增加壓差聯鎖及壓差損傷事故的隱患。所以，正確的操作方法和合理的設定控制程序才是工藝運行最好的保障。

開車送電前，在按步驟切實做好氮氣置換，達到氮氣純度分析指標的條件下，必須對氮氣做適量的調節。氮氣最佳流量應當可以使電解系統陰極壓力調節閥的開度達到有效調整狀態，并且可以使系統內陰極管線壓力穩定控制在4 kPa左右，從而具備氯氫壓差串級控制的基本條件。此時的氮氣流向應從電解界區通過氫氣壓縮機直至氯氫合成等后續系統的檢測口，保證全線達標。在電解槽送電初始階段，隨著電流的逐步提升和氫氣流量的逐步增大，壓力調節閥的有效開度也會逐漸變大，氫氣對壓力的影響作用逐漸增加，氮氣流量可分次或逐漸減小，直至隨時全部關閉KV閥時也不至于引起壓力和壓差出現明顯波動的基本流量(如：10或15 m3/h)。此時，重要的是關閉KV閥時要保留氮氣手動限流閥的微小開度，或者使控制程序儲存流量自動調節閥完全關閉前的這個基本開度，作為電解系統停車或緊急停車時氮氣聯鎖開啟的初始開度設定值，利用自動調節閥或者手動限流閥的這個初始開度的限流減壓作用，有效控制聯鎖開啟時氮氣的初始流量和穩定注入。特別需要注意的是，計劃停車或意外停車時，“控制程序切勿將某個氮氣流量值作為氮氣閥聯鎖開啟時的自控設定值”，避免高壓氮氣開始充入時，氮氣閥前與閥后極高的壓力梯度形成的閥門失控和劇烈的流量和壓力波動，以及對系統壓力和壓差的控制造成強烈的干擾，防止形成對離子膜和電極的壓力沖擊。

“平穩且合理的開車過程的反向順序實施是最好的停車操作”。將開車過程與停車過程的氮氣開關和流量調節關系和順序有機的對稱統一，保持好氯氫壓差串級控制的流量和壓力條件，充分發揮自控系統在開停車和運行過程中的正確作用，并能夠做到舉一反三的理解和運用到其他類似操作，是工藝技術人員和操作者必須掌握的技能。

3.1.4 氯壓機與電解界區壓力的協調控制

氯氣處理系統的壓力控制和應對流量變化的適應性能力是電解界區壓力和壓差穩定控制的重要保障。

在電解裝置開車送電前，氯壓機必須已經調試至具備穩定的壓力和流量控制能力，并在送電前打通電解界區與氯氣壓縮和處理的管路，充分滿足裝置的自控條件，避免送電后界區間銜接時壓力梯度和流量突變造成的壓力波動。

為了電解界區的壓力安全，氯壓機開機時與電解界區是利用KV閥隔離的。此時應利用氯壓機較大空氣回流開啟氯壓機，將大小回流閥設置在較大開度，而導葉口并非很大，預留足以自控調節的余量，努力使氯壓機具備開車后工藝運行所需的進口壓力，然后根據氯氣流量的變化調整所需的出口壓力和壓縮比。

氯壓機進口壓力可利用回流調節至接近于0，當電解槽具備送電條件時，打開與電解界區相隔離的KV閥，使電解系統的氯氣管線的壓力從除害系統轉換至氯壓機系統，不會改變電解系統和氯氣處理系統的氣相狀態，也不會影響電解系統的壓差控制狀態。

此時，較大的自控回流開度以及適度的旁路開度和導葉開度，為電解裝置送電后電流提升過程氯氣量的逐漸增加創造了自控調節的穩定條件。隨著電解界區氯氣流量的逐步增加，完全可以通過自控系統程序的優化設置，對氯壓機和氯氣處理系統的大小回流、氯壓機出口壓力、導葉口開度等多部位的合理匹配和穩定調節，獲得穩定的氯壓機進口壓力，從而保證電解系統的順利開車和穩定運行。

3.2 電解流量的保證

電解槽入口的介質流量是根據反應電流、電化當量、分解率、介質濃度及反應濃度等物料平衡需求的綜合因素理論計算設定的。以陽極反應為例，年產每萬噸(折百)燒堿的電解裝置，當進槽濃鹽水(305 g/L)流量為12 m3/h左右時，其出槽淡鹽水濃度剛好滿足205 g/L的工藝要求。真正的內部自然循環電解槽，除了加入滿足鹽水電解所需的濃鹽水之外，是不需再將淡鹽水作為循環液循環回電解槽的。而如果淡鹽水通過循環回流進入電解槽，是為了提高電解液的流速以改善反應條件和反應狀態，并不會打破原有的物料平衡，同時還可調整溶液含氯量和酸度，使設備和管線獲得耐腐蝕鈍化效果。

某些并非完全自然循環的電解裝置，在單純的物料(比如精鹽水)流量供給條件下，其循環結構產生的內部循環不能滿足反應所需的循環量和良好的反應狀態，除了反應物料平衡所必須的原料供給流量之外，特別要注意根據電解室內部反應狀態提供足夠流量的反應物質作為循環液，以滿足規定的反應介質流速及反應溫度傳導和濃度擴散條件，降低反應區域的氣液比，使離子膜的性能和壽命得以保證，降低電壓和電耗。

在當今膜極距主流結構條件下，由于致密的彈性電極與離子膜緊密的接觸，復雜的結構使介質進入主反應區域的流動阻力增加，反應區域的介質置換和高溫擴散更加困難，局部氣液比加大；濃差梯度和溫差梯度加大，對介質的循環量及膜面流速也要求更大。高電流密度膜極距電解槽，內部循環結構往往難以滿足反應狀態需求，加入足夠的或略為富余的外部循環流量尤為重要。在電解裝置運行中，過低的介質流量甚至斷流是發生嚴重事故重要原因之一，多數工藝流量是隨條件變化而變化的，這也是自控系統作用的一個重要體現。但往往由于儀表參數設定缺陷，在出現條件突變時，串級控制的閥門不能及時穩定的使流量調節到位，甚至出現大幅波動或變化，對設備安全造成威脅。這種情況必須結合工藝設計和儀表設計以及運行條件等諸多因素全面分析，合理調整和設置自控程序，保證自控系統在任何情況下的穩定和有效的控制。

3.3 電解濃度的控制

在離子膜電解反應過程中，介質濃度關系到離子膜效能的正常發揮和離子膜壽命的保證。目前，離子膜燒堿電解的主流工藝要求陰極液氫氧化鈉質量分數為30%～32%，陽極液淡鹽水質量濃度為205 g/L。在容許的范圍內，偏高的介質濃度會使電壓偏高而電流效率也相對稍高。

當淡鹽水溶液濃度過低或氫氧化鈉溶液濃度過高且超過一定指標時，離子膜和電極表面反應區域的離子交換與傳質條件變差，膜層間水分子的積存將使離子膜出現分層、針孔、起泡及破裂等劣化現象，會造成電流效率的下降和電壓的上升，乃至離子膜的壽命終結。

有些裝置在電解槽出口濃度的檢測并無異常，但仍出現一些離子膜分層和起泡現象，這種情況，應從電極和離子膜表面區域的反應狀態和條件加以分析。個別膜出現起泡現象往往是由對應的單元槽流量或膜和電極表面局部區域反應條件異常所致。

電解槽的電解液供給是由總管通過與各個電解單元相連接的軟管均勻分配的，個別電解單元的液流阻力較大會使該單元流量變小，造成個別離子膜起泡，應著重檢查單元槽進出口部位及槽內液分散管的分布孔是否有樹脂顆粒或其他異物堵塞問題。

有些離子膜的局部起泡現象，應對單元槽內部結構進行檢查，重點排查內部循環結構變形或相應部位液分布孔堵塞問題，消除槽內局部液流死區或液流不暢。

另外，有些電解單元如果陰陽極室間發生結構導電不良問題，會使電極表面電流分布不均，局部電流密度過大，會使對應位置的離子交換反應超過了承受極限，造成離子膜局部起泡。

3.4 電解溫度的控制

電解溫度的控制對離子膜效能的正常發揮和離子膜壽命的保證十分重要。我們通常根據陰極液出槽溫度的監測數據來判斷槽內反應溫度并加以控制。電流密度的高低、電解濃度的高低、電解電壓的高低、內部反應狀態的優劣以及電解循環狀態等多種因素都會影響電解溫度。

溫度控制的目的是防止電解液中的水分子在達到或超過沸點時出現汽化導致槽內氣液比上升和電壓明顯升高，甚至離子膜的熱熔性損傷，電解溫度控制失誤往往會造成較嚴重的設備事故。

由于不同的電解槽結構和循環工藝的不同，電解室內不同區域的介質存在溫差梯度。通常槽內上部溫度高于下部溫度，貼近膜和電極表面的反應區域溫度高于槽內液體循環區域溫度，所以，介質出槽溫度并不能真實反映槽內高溫區域的溫度。要使槽內任何部位的介質溫度均在汽化溫度以下，我們根據結構流場分析和工藝試驗數據，制定了溫度控制指標。早期有極距低電流密度電解槽的陰極液出口溫度需嚴格控制在90 ℃以下。隨著電解槽內部氣液分離結構、循環結構以及膜極距結構技術的應用，目前主流裝置的運行電流密度有了較大的提升，其槽內溫差梯度有所加大。針對膜極距的反應狀態，需要適當降低電解槽出口的溫度檢測指標，倡導較低的溫度控制及自然溫度運行。適度加大循環流量，改善電極和膜面的反應條件，防止電極和膜的性能加速劣化和壽命縮短。根據近十年的運行數據和經驗，現代槽型裝置的陰極液出口溫度控制在(85±2)℃為宜。

根據離子膜的性能特點，在規定的槽溫控制范圍內，離子膜的溫度效能可以得到有效的保證，而此時較高的槽溫較之較低的槽溫可以獲得更低的反應電壓。如果在工藝條件下電解槽的自然反應溫度低于85 ℃，表明離子膜和電極的性能處于較佳狀態期，此時，出于對離子膜使用壽命和電流效率的更高期待，我們并不提倡人為的加熱升溫來博取更低的電壓。隨著運行周期的延續，膜電阻和電極電壓會自然上升，槽溫也將自然升高。

3.5 電解酸度的工藝與控制

由于來自樹脂塔的精制鹽水為弱堿性，根據離子膜和電極的適用條件以及產品質量和工藝要求，需要對進槽鹽水做加酸調節。在進槽鹽水酸度不得大于0.15 mol/L的保證條件下，我們以出槽淡鹽水pH值不低于2且力求接近2這個工藝目標來控制進槽的加酸量。

離子膜的加酸量的精準控制非常重要，根據工藝要求規范的電解加酸，可以使陽極涂層的性能及壽命得到更好的保證，氯中含氧量得到控制，同時還可以有效抑制電解過程中氯酸鹽的生成，減輕鹽水處理過程中氯酸鹽分解工藝和設備負擔。但加酸過量會使離子膜酸化或起泡，降低離子膜的運行性能和壽命。

在新的離子膜開始使用時段，電流效率處于較高的狀態，反向滲透遷移至陽極室的OH-及副反應較少，所以進槽鹽水的加酸量也會較小。而隨著膜在使用過程中的性能劣化，OH-的反向遷移增多，加酸量也要隨之加大，才能達到淡鹽水酸度要求。

在電解加酸操作中，為了防止出現加酸過程對電解室內的反應狀態的干擾和波動，加入的鹽酸濃度不能過高，加入口內需有與鹽水的混流設置，保證稀釋的鹽酸均勻穩定加入每一個電解單元。自控程序和自控閥門需根據運行電流和出槽淡鹽水pH值串級調節，精準和穩定的控制加酸量，更好地滿足工藝要求。

3.6 鹽水質量的控制和保障

高質量的鹽水是電解裝置高性能運行的重要保障，特別是在當今高電流密度和節能降耗的環境條件下，努力保持對鹽水質量有更高的要求，是離子膜電解工藝技術永恒的主題。

噸堿電耗狀況是衡量一個燒堿裝置運行水平的終極指標，噸堿電耗的高低直接顯示著離子膜和電極性能的優劣和安全性能狀況。電流效率和膜電壓是離子膜的兩項重要指標，也是鹽水質量的直接反映。

隨著當今電解裝置內部循環結構和膜極距技術的應用，運行電流密度大大提升，達到了6 kA/m2以上，單位時間內離子膜承受的的鈉離子交換量較之早期裝置有了成倍的增加，鹽水雜質對膜的危害會更加明顯[7]。雖然離子膜的采購成本已有所降低，但由于單套裝置規模的大型化發展，雜質污染對膜的性能和壽命的影響造成的經濟損失依然需要嚴加控制。

以二次精制鹽水中鈣鎂指標為例，雖然原有規定質量分數應小于20×10-9，但在當今運行電流密度條件下，將其控制在10×10-9以下無疑是非常必要的，特別是要注意在一個膜周期內不能出現一次失誤。有些企業鹽水質量控制可以達到鈣鎂質量分數在5×10-9左右，但只是因為偶爾的一次超標，造成離子膜不可逆轉的性能劣化，卻得到了事倍功半的效果，確實需要引起我們足夠的重視。在離子膜運行周期內，鹽水雜質超標事故發生的越早，噸堿電耗升高造成的損失也就越大。

工業實踐證明，我們可以通過鹽水質量的有效控制，使噸堿電耗的年平均升高值降低1%以上，以燒堿50萬t/a的中小型企業為例，年降電潛能可達1 000萬kW·h，而中國企業總產能約有4 000萬t/a裝置，年降耗電能可達8億kW·h，足以滿足國內任何一個大型城市所有家庭一個月的生活用電需求，更加突顯了鹽水質量保證的重要意義。

3.7 努力增添自控程序的智能基因

許多企業過分依賴DCS操作人員的人為干預來完成裝置的穩定控制，這是技術管理的一大誤區。我們要充分挖掘自控系統的潛能，發揮技術團隊優勢，羅列問題并全面分析因果關系，群策群力定方案，將人的技術智慧和正確的操作邏輯準確的融入自動化程序[8]，逐步增添自控系統的智能基因。

要重視流量、壓力等自控閥門的自控調節條件的滿足，尤其要注意通過人工調節使實際狀態值在最接近所需的自控設定值時，才是切換至自控和串級狀態的理想時機，切勿在流量或壓力控制的初始階段直接輸入設定值并直接切入自控程序。

在自控運行時，如遇異常波動，及時將實際狀態值切換為設定值，縮小設定值與實際狀態值的差距，從而減少閥門劇烈的往復動作，是縮小和阻止流量或壓力異常波動的有效方式。

要根據系統工藝需求、運行狀態、調整空間、動作效應、功能特性等因素，合理設定調節閥的性能參數和控制動作步驟，使自動控制效果優于操作人員的水平，真正達到裝置應具備的自動化水平。

要通過對壓力異常變化因素的細致分析，有針對性的對控制參數和程序邏輯做合理整定，使控制系統可以及時有效的自動調節和應對氣體流量和壓力的突變，穩定控制系統壓力和壓差在工藝容許的范圍之內，才能有效的減少及避免聯鎖停車。

4 技術發展與電解工藝

隨著電極技術的提高和離子膜的適用性提高，氯堿工藝將會向更高的電流密度、更高的電解液濃度和更大的單槽產能方向發展，對電解室內部反應條件的要求也會更高。內部循環結構與循環工藝的優化結合、電極與膜表面介質的流速保證、分子的遷移與交替條件的保證、反應溫度的擴散和傳導條件的保證、濃差梯度與溫差梯度的控制、電流密度的均勻分布、反應室內氣液的導出和分離的同步快速完成、氣泡析出通道和氣液比的低值保證、析氯過電位和析氫過電位的降低、高濃度條件下膜電壓和電流效率的性能保證等等工藝條件的保證能否達到更高的要求，無疑都是我們要研究的課題。

4.1 膜極距結構技術的改進與提高

各種槽型的設計者通常采取彈性陰極結構完成了膜極距技術的創新，將陰陽極間距縮小到了膜的厚度，有效的消除了陰陽極極間氣液電阻。膜極距技術的科學應用，加之在內部循環結構和陰陽極技術等方面的技術改進，使燒堿電解電壓相對之前降低約200 mV，噸堿直流電耗降低可達7%以上，為電解工藝的技術進步打開了空間。

近年來，膜極距技術日臻成熟，技術應用初期的電極與離子膜接觸損傷問題得到了很好的解決。目前業內膜極距電解電流密度已經普遍上調至6 kA/m2，而且噸堿電耗還有所下降，離子膜電解技術達到了一個新的水平。

因客觀條件限制，膜極距技術結構也對工藝條件提出更多的要求。由于陰陽極與離子膜的密切接觸，加之陰極相對復雜的結構空間，介質進入主反應區域的流動阻力增加，降低了反應區域介質循環速度，增加了陰陽極表面介質的擴散和補充障礙，使垂直于離子膜面的介質濃差梯度和溫差梯度加大，陰極側反應區域堿濃度相對增高、陽極側反應區域鹽水濃度降低，氣液比增大，電極與膜表面的反應溫度升高，區域反應條件更加惡劣，這種狀況下一旦離子膜因電極夾持壓力過大形成針孔或損傷，將直接造成陰陽極活性涂層的溶失，甚至電極的直接放電熔蝕。

所以，如果繼續提高反應電流和加大單元電解面積，在電解反應室結構設計上，認真考慮介質的循環條件，充分增大介質循環效果，打開反應熱量傳遞、反應介質擴散和反應的空間，盡可能的降低電解區域與電解室出口之間的溫度差和濃度差，設計更科學的膜極距結構，是我們必須解決好的新課題。

4.2 改善氣液分離結構降低氣液比

更高的電流密度代表著更大的反應量，電解室內的上部區域將會聚集更多的氣體。在結構設計上，要做到擴充氣液疏導通道、提高氣液溢出速度、改善氣液分離效果、降低槽內充氣度和氣液比，消除泡沫式及間歇式液流，避免離子膜面上部氣液壓力波動形成的針孔和磨損造成的壽命縮減。

4.3 超高電流密度與集成循環方式

隨著氯堿工業的發展，在技術密集型園區的大型化生產企業逐漸占據產業鏈的主體形式。產能大、占地少、槽型大、電流密度高、降投資、運行穩、壽命長、能耗低等方面的優勢裝置是氯堿行業的需求。

未來裝置的運行電流密度將很快超過6 kA/m2，可以適應更高電流密度條件下的離子膜和電解槽以及工藝方法的研發和技術準備，是我們面臨的新課題。而通過電解結構和工藝的研究，使電解室內獲得良好的反應狀態，可以大大降低對離子膜的性能要求和研發難度。

隨著電流密度的提升，單獨的強制循環或自然循環方式將不能獲得槽內良好的反應條件，我們將利用計算機流場模擬設計等先進手段加強對電解室內循環結構的研究和挖掘，以滿足更大的介質循環量需求。在獲得良好的反應狀態條件下，各種循環方式的極限電流密度已經在長期的工業實踐中得以驗證，結構設計優勢得到充分的發掘和發揮。

循環量的提高是改善電化學反應條件的一個重要手段，不僅僅可以降低槽電壓，更重要的是可以使離子膜和電極的性能和壽命得到有效的保證，設備運行更加穩定。如前文所述，外部自然循環結構設計和強制循環等多種循環技術可以加以利用，在某種外部自然循環槽中進行了反應室內部循環結構的改進試驗，不僅槽電壓有所降低，離子膜的性能和壽命也有所提高，獲得了很好的效果。

在大面積電解單元和大電流密度運行條件下，為了適應反應室內更大的反應強度，內部自然循環與外部循環相互結合，可以相輔相成且相得益彰。雖然完全的大流量強制循環曾帶來過諸多問題，但運用計算機流場仿真模擬設計和工業試驗數據尋找到電流密度與循環量的工藝平衡點，利用適量的外部循環來彌補內部循環在高電流密度條件下的不足，無疑是最好的技術方向。

4.4 電極技術

金屬陽極和活性陰極技術在離子膜燒堿電解裝置上的工業化應用和快速提高，對氯堿工業的高速發展功不可沒。

熱氧化陽極涂層成分和配方不斷改進，析氯電位持續保證并有所降低，壽命也得到有效保證。而陰極技術，從鐵鎳到雷尼鎳陰極再到熱氧化活性陰極、從刷涂到等離子噴涂、涂層新成分配方及極性保護等各項技術的應用，析氫電位大幅降低，抗逆反電流性能不斷增加。

隨著涂層技術的研發改進，相關貴金屬的應用更加廣泛，但國際上貴金屬價格卻在飛速上漲，這就給我們帶來了新的課題。

對涂層配方、熱氧化工藝、基材網形和表面狀態的綜合改進研究和試驗，力求使金屬活性電極在更高的電流密度條件下仍可獲得更低的過電位和電耗性能，跟進氯堿工業技術的發展需求。

4.5 “一鍵啟停”是自動化控制的極致表現

充分挖掘DCS控制潛能，努力提高運行自動化水平，依靠正確的技術理念、高水平規范的操作方法、自控儀表和閥門的高效執行動作，實現裝置的“一鍵啟停”控制模式，使生產安全更有保證，是目前我們氯堿工業發展和工藝控制技術提升的關鍵。

所謂一鍵啟停，就是要在DCS自控狀態下，可以使相關生產模塊或整套生產裝置可以平順的“啟”和穩定的“停”，更重要的是還要能使裝置更長時間的平穩運行，在出現異常狀況時，自控系統可以根據異常數據的反饋進行問題分析和判斷，并通過預置的程序和邏輯，正確有效的自控應對調節，扭轉并消除異常，減少或避免發生聯鎖動作及非計劃停車情況。

就氯堿電解工藝而言，防止并有效控制氯氫壓力和壓差異常狀況的出現，是實現“一鍵啟停”的關鍵！統計數據說明，電解裝置出現聯鎖停車，大多數是由氯氫壓力波動和壓差異常造成的。正如前文所述，全面分析每一個壓力和壓差異常的成因加以自控應對，可以明顯減少計劃外停車次數，有效提高裝置的運行穩定性。

另外，要通過完善裝置的自控和儀表配置，加強性能監測，運用氯堿技術思維通過編制專業的邏輯程序軟件，實現對裝置總體及個體電解槽的性能指標分析和經濟運行。

5 綠能發展與廢鹽應用思路

5.1 工業廢鹽的處理與應用

由于目前國家出臺的環保和固廢的處理管理政策變得十分嚴格，工業廢鹽的處理成本加大。這雖然成為了一些企業發展的嚴峻課題，但是如果利用氯堿工業技術加以解決，也會轉變成為我們企業發展的一個契機。

隨著氯堿工業技術的發展，離子膜電解工藝的適用性越來越強，運行性能的穩定性和更加可控，離子膜和電解槽的價格更低，運行成本較之早期發展階段大大降低。雖然廢鹽中雜質對離子膜的污染劣化會增加氯堿裝置運行成本，但是如果能夠結合廢鹽凈化工藝與電解性能劣化問題分析和鑒別，以及鹽與電耗等各方面的成本核算，找到一個將廢鹽適度的處理應用與離子膜電解成本的平衡點，進行科學的專業的有針對性的工業化試驗驗證，不但可以解決廢鹽的處理難題，還會得到雙贏的效果。

5.2 新能源新技術的融合發展思路

氯堿工業是一個高耗能產業，結合地域優勢，將風能、光能、光熱儲能等新型綠色能源技術與燒堿電解裝置配套建設或融合發展，加之對工業廢鹽的處理和應用，是氯堿工業一個順應“碳中和、碳達峰”政策需求的發展思路。

風能、光能、光熱儲能及氫能等綠色能源技術的應用和發展，在我國的不同地域有著不同的優勢條件。在我國的許多地區，兼具風、光及光熱儲能的發展條件。可以將不同綠能的優勢互補，組合利用，建設具有外界的干擾因素少和電力傳輸成本低等特性的綠色能源綜合電力系統，非常適合燒堿電解供電的穩定性和持續性的應用需要。

要認真解讀國家和地方管理政策，順應發展規律，做好可行性分析，定準企業發展策略，抓住有利時機，整合電力能源、氯堿裝備、離子膜研制、廢鹽處理和應用等專業技術優勢的企業和專家，協同攻關，協作發展，利益分享，合作共贏搞項目。