ANC-270 國產離子膜電解槽的運行總結

徐占全，卜 懷，郝 靖，柳丹丹

（天辰化工有限公司，新疆 石河子 832000）

天辰化工有限公司（以下簡稱天辰化工） 擁有32 萬t/a 離子膜燒堿裝置，分一二期，共2 條生產線，采用某進口離子膜電解槽。 天辰化工離子膜燒堿裝置自2007 年投產運行至今，目前使用的離子交換膜主要是F-7001 離子交換膜。 根據廠家要求（離子膜電解槽電極的使用壽命為8 年， 離子交換膜的使用壽命為4 年）， 期間進行過3 次離子交換膜的更換，分別為2011 年、2015 年、2020 年；于2015 年進行過1 次離子膜電解槽的極網改造（主要是對離子膜電解槽的陰陽極網面進行了檢查維修）。因國際形式變化和公司國產化改造的需求， 天辰化工引進國產安凱特ANC-270 離子膜電解槽和東岳DF-2807 離子交換膜。 因離子膜電解槽使用的離子交換膜均為同一型號，不存在品牌和型號的差異，所以，在運行中出現單元槽離子膜泄漏， 就存在是否可以更換其他品牌離子交換膜、 更換其他離子交換膜后是否會對安全生產產生影響、 不同類型離子交換膜在同一臺電解槽中使用對電解槽整體運行有沒有影響等問題。 因此將1 臺電解槽（M 槽）作為試驗電解槽，針對以上問題進行研究分析，對運行情況進行了總結。

1 安凱特ANC-270 電解槽

（1）單元槽有效面積2.7 m2。

（2）電流密度設計值5.5 kA/m2，最大運行值5.5 kA/m2

（3）鹽水質量要求和產品指標見表1 和表2。

表1 鹽水質量表

表2 產品指標一覽表 %

2 電解槽的安裝

電解槽設計均為單臺138 片單元槽設計， 分前半區和后半區，前后半區各69 片單元槽（包含陰陽極端框和中控），為了便于監測電解槽離子交換膜的各項數據， 前半區69 片單元槽安裝旭化成F-7001離子交換膜，后半區前56 片單元槽安裝杜邦N2050離子交換膜， 后半區后13 片單元槽安裝東岳DF-2807 離子交換膜。 這種組合方式主要是公司使用F-7001 離子膜有豐富經驗，為確保電解槽整體的平穩運行，在前半區安裝F-7001 離子交換膜。 電解槽及離子交換膜安裝完畢后， 按照正常程序對離子交換膜進行膜試漏和槽試漏， 正常后， 按流程開車運行。

3 不同電流密度下的槽電壓數據對比

3.1 數據采集

通過上述離子交換膜的組合安裝方案，在不同測試條件下的一系列槽電壓數據對比。 在系統原始開車后電流密度分別在1.1 kA/m2、2.96 kA/m2、4.8 kA/m2和5.19 kA/m2測得平均電壓見表3， 不同電流密度下各單元槽離子交換膜槽電壓數據變化曲線對比見圖1， 在電流密度5.5 kA/m2下持續運行3～15個月的槽電壓曲線對比見圖2。

表3 不同電流密度下單元槽槽電壓數據表

圖1 不同電流密度下各單元槽離子交換膜槽電壓數據變化曲線

數據為系統原始開車時的數據，僅為測試數據，供參考。

3.2 數據分析

（1）開車初期，使用3 種離子膜的單元槽槽電壓數據相差不大，其中在電流密度2.96 kA/m2的時候，旭化成F-7001 離子交換膜、 東岳DF-2807 離子交換膜的槽電壓為2.78V， 杜邦N2050 離子交換膜的槽電壓為2.80 V，初期的數據顯示東岳DF-2807 離子交換膜的性能與F-7001 離子交換膜的性能相差不大。 隨著電流密度的升高，3 種離子交換膜的槽電壓均呈現出逐漸穩定上升的趨勢， 其中， 東岳DF-2807 在3 種離子交換膜的槽電壓數據中要偏高0.02 V 以上。

（2）當電流密度上升至5.5 kA/m2的峰值持續運行時，東岳DF-2807 離子交換膜的槽電壓數據相對其他2 種離子交換膜的槽電壓數據略高0.01 V，差距基本不大。 說明東岳離子交換膜在高電流密度下運行時，其性能已達到進口離子交換膜的水平。

4 性能分析

（1）從電解槽開車后，分別統計了運行3 個月、6個月、9 個月、12 個月和15 個月的各項性能指標數據，具體見表4。

表4 電解槽性能指標表

（2）電解槽電耗的變化曲線見圖3。 由表4 及圖3 可以看出， 開車運行1 年， 電解槽整體數據平穩，電流效率穩定，電耗隨電解槽的持續運行正常升高。

圖3 電解槽電耗的變化曲線圖

5 運行期間的異常情況

電位差的漂移現象。在電解槽充液、循環完畢開始通電升電流的過程中， 電解槽的電位差偏移量較大，隨著電流逐步上升至3 kA 以上，電位差才逐步恢復到正常值。 但在電位差聯鎖投運后，依然會出現電位差數值漂移現象，具體電位差變化曲線圖見圖4。

圖4 電位差變化曲線圖

經過檢查分析， 該電解槽電位差波動主要是該電解槽前后半區采用不同類型的離子交換膜造成的。 不同類型的離子交換膜，電阻不一致，在電解槽開停車及升降電流的時候會出現電位差漂移。 這種電位差漂移現象最嚴重的時候，出現過電位差報警，但未因波動導致電解槽停車。在條件允許的情況下，不建議使用不同離子交換膜的組合方式應用于1 臺電解槽上，一旦電位差波動過于頻繁、幅度較大時，會導致電解槽發生電位差聯鎖停車。

如果情況不允許， 建議將多種型號的離子交換膜，平均分配使用，有效均衡電位差，保證電解槽的安全平穩運行。

6 安凱特電解槽整體運行數據與其他進口電解槽數據對比分析

為更好分析國產安凱特電解槽及離子交換膜組合方式的性能對比， 將國產安凱特電解槽開車后在不同的電流密度下的槽電壓、 電耗等數據與某進口電解槽運行4 年后極網改造后的數據進行對比分析，具體見表5。

表5 同等工況下兩種電解槽性能數據對比

國產新電解槽與某進口電解槽的性能數據變化速率見圖5 及圖6。

圖5 同等工況下的槽電壓變化速率圖

圖6 同等工況下的電解槽電耗變化速率圖

7 電流效率分析

電流效率是判斷離子膜電解槽運行情況的重要數據指標，精確計算電流效率顯得尤為重要。 目前離子交換膜電流效率的分析計算方法主要包括以下3 種。

7.1 通過電流效率的定義進行計算

電流效率=實際產量/理論產量

實際產量=Q×C×ρ

式中：Q—電解槽24 h 堿液累積流量；

C—電解槽出口堿液濃度；

ρ—電解槽出口堿液密度。

理論產量=1.492×I×N×n×24/1 000

式中：I—平均電流；

N—電解槽數量；

n—單元槽數量。

計算出實際產量和理論產量可得到實際電流效率。

7.2 通過電解槽鹽酸的消耗量計算電流效率

由制堿原理可知， 在電流的作用下陰極室的OH-必然有一部分遷移至陽極室。 陽極室中的OH-一部分與鹽酸中和， 另一部分放電而生成O2隨Cl2放出。因此，可以利用鹽酸的消耗量來求出離子膜電解槽的電流效率，其公式如下。

電流效率={[通電量-（HCl 消耗量-中和供給鹽水所消耗的HCl 量-回流鹽水中的HCl 量）]/通電量}-2×氯氣中氧氣含量-電流泄漏率

通電量=電流×單元槽數量×電槽數×時間/法拉第常數

=I×N×n×3 600/96 487

=0.037 3×I×N×n

HCl 消耗量=鹽酸流量×鹽酸濃度×鹽酸密度/HCl 克當量

=QHCl×CHCl×ρHCl/36.5

中和供給鹽水所消耗的氯化氫量=供給鹽水中的OH-濃度×供給鹽水流量

=C（OH-）×Q

回流鹽水中所含的HCl 量=回流鹽水中H+濃度×回流鹽水流量

=CH+（克當量/升）×0.77×Q回（m3/h）

=0.77×CH+×Q回

電流泄漏率ηc（%）=泄漏電流量/通電量（一般取常數0.6%）

將以上數據代入公式可得出：

ηHCl=[1-（QHCl×CHCl×ρHCl/36.5）/0.037 3×I×N×n]-VO2/Cl2-ηc

7.3 通過陽極液進出口酸度進行分析計算

電流效率={[通電量-（入口酸度-出口酸度）×陽極液流量]/通電量}-2×氯氣中氧氣含量-電流泄漏率

式中：通電量=0.0373×I×N×n

入口酸度為CH+入（克當量/升）；

岀口酸度為CH+出（克當量/升）；

陽極液流量為Q（m3/h）；

氯氣中的氧氣含量為VO2/Cl2（%）；

電流泄漏率為ηc（%）；

將上述各式代入ηcH+得：

ηcH+=1-（CH+-CH+出）×Q/（0.037 3×I×N×n）-2VO2/Cl2-ηc

7.4 該離子膜電解槽電流效率的計算

7.4.1 通過實際產量進行計算

因離子膜電解槽單臺電解槽未安裝流量計進行流量計算，只有整體系統的陰極液（液堿）流量，于是將電解槽停車、 開車前后的整體流量進行差值對比分析，對電解槽開車后的電流效率進行估算，具體估算數據如下。

M 槽停車后系統1 整體運行數據如下。

總電流86.75 kA；陰極液流量956.25 m3；陰極液濃度32.438%；陰極液密度1.312 3 t/m3。

M 槽改造開車后系統1 整體運行數據如下。

總電流101.6 kA；陰極液流量1 120.12 m3；陰極液濃度32.478%；陰極液密度1.312 5 t/m3。

M 槽每天實際產量=（1 120.12×32.478×1.312 5）-（956.25×32.438×1.312 3）=70.418（t）；

M 槽每天理論產量=

14.85×138 ×1.492×24/1 000=73.381（t）；

M 槽計算電流效率=70.418/73.381×100%=96%。

7.4.2 通過進出口酸度進行計算

M 槽電流14.85 kA；入口酸度為CH+入（克當量/升）0.049 7；岀口酸度為CH+出（克當量/升）0.002 5；陽極液流量為Q（m3/h）32.72；單元槽數量138（2VO2/Cl2+ηc）1.59%（根據實際情況取值）。

根據計算可得出該國產電解槽改造后的電流效率：

ηcH+=1-（CH+入-CH+出）×Q/（0.037 3×I×N×n）-2VO2/Cl2-ηc

=1-{[（0.049 7-0.002 5）×32.72]/（0.037 3×14.85×1×138）}-1.59%

=96.4%

7.4.3 運行1 年后單槽電流效率計算

因電解系統只有大系統有陰極液流量檢測儀表， 因此運行1 年后的單槽電流效率計算使用電解槽陽極液進出口酸度電流效率分析方法進行計算。

單槽電流14.85 kA； 入口酸度為CH+入（克當量/升）0.045 7；岀口酸度為CH+出（克當量/升）0.002 4；陽極液流量為Q（m3/h）33.12；單元槽數量138（2VO2/Cl2+ηc）1.59%（根據實際情況取值）。

根據計算可得出該國產電解槽改造后的電流效率：

ηcH+=1-（CH+入-CH+出）×Q/（0.037 3×I×N×n）-2VO2/Cl2-ηc

=1-{[（0.045 7-0.002 4）×33.12]/（0.037 3×14.85×1×138）}-1.59%

=96.5%

7.4.4 兩種電流效率計算方式的對比

（1）用實際產量與理論產量比值方法計算出來的電流效率與實際的電流效率之間存在一定的誤差，誤差主要體現在M 槽停車期間，其他電解槽運行參數及電流效率正常下降等因素，會影響M 槽的電流效率分析計算準確度。 因此，實際產量與理論產量計算電流效率的方法比較適用于電解槽安裝有現場或遠傳流量計作為流量監測的裝置進行分析計算。

（2）用電解槽陽極液進出酸度計算電解槽電流效率的方法對電解槽的入口加酸要求比較嚴格，加酸較少則會造成出口鹽水中H+含量不精確，導致電流效率的偏差。因此，用電解槽陽極液進出酸度的方法分析電流效率時，需要注意電解槽的進出口酸度。

（3）離子膜電解槽更換離子交換膜的原因是因為離子交換膜運行一定時間后， 離子交換膜會出現泄漏不可避免，陰極室堿液向陽極室遷移，陽極室鹽水向陰極室遷移，導致堿中含鹽量上升，氯氣、氫氣純度下降，氯含氫、氯含氧升高，為了有效控制陽極副反應，需加酸進行調節。 但在運行初期，新的離子交換膜在非人為的情況下，不會出現泄漏，因此在離子膜電解槽更換離子交換膜的初期用進出口酸度法來計算電解槽電流效率的方法是不合適的。

8 結語

通過天辰化工對國產電解槽搭配不同型號的離子交換膜的運行分析可以看出， 國產離子膜電解槽在工藝上已基本達到與進口電解槽的同等性能的水平。 國產東岳DF-2807 離子交換膜在使用生命周期內相對其他品牌的離子交換膜各項性能數據方面要略高，但在成本方面卻低于進口離子交換膜的一半，同時也因為國產技術的不斷更新， 打破了國外企業對氯堿化工關鍵設備的壟斷地位， 促使氯堿化工設備產品不斷進步。 目前東岳高分子科技有限公司已經開發出了更新一代的離子交換膜， 同時安凱特公司也開發出了新一代的離子膜電解槽， 天辰化工將持續推進離子膜電解槽及離子交換膜的全國產化改造進程，促進氯堿工業的國產化發展。