N C H電解槽零極距改造方案優(yōu)選

何冠平，王辛成

（山東鋁業(yè)公司氯堿廠，山東淄博255000）

山東鋁業(yè)公司氯堿二期采用日本旭化成公司生產的NCH型自然循環(huán)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(yè)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(tài)比較平穩(wěn)，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(yè)利潤影響、市場客戶影響等降到最低程度。

從企業(yè)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(guī)律可循，分析山東鋁業(yè)公司氯堿廠近幾年以來的氯氣、液堿（32%NaOH）市場價格變化規(guī)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(tǒng)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(jié)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(yè)停減產影響，深入分析液氯價格變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)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(huán)境對改造質量、進度方面的影響考慮，晚冬早春，特別是春節(jié)前后，受節(jié)日影響，企業(yè)和電極改造企業(yè)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(xié)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(jié)，天氣本就炎熱潮濕，兩側的電解槽又處于運行狀態(tài)，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(yè)，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(jié)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(xiàn)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(yè)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(jié)，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(zhí)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(yè)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(yè)爭取3～5年行業(yè)比較優(yōu)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(yè)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(jié)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(jié)省投資六十余萬元。

4 離子膜型號的選擇

目前，氯堿行業(yè)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，F(xiàn)6801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(yōu)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(tǒng)籌協(xié)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(huán)節(jié)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(yè)出版社，1994年版，34-35.