零極距離子膜電解槽換膜時(shí)機(jī)的選擇

侯 偉，尹建平，劉培鋒

（天偉化工有限公司，新疆石河子832000）

新疆天業(yè)集團(tuán)天偉化工有限公司離子膜法燒堿生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力為15 萬(wàn)t/a， 電解槽采用旭化成NCZ 自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽，設(shè)計(jì)運(yùn)行電流為5.6 kA/m2，共5 臺(tái)電解槽，離子膜自2014 年4 月開(kāi)車投入使用。隨著離子膜使用時(shí)間的延長(zhǎng)，離子膜選擇透過(guò)性下降，膜的通透性也隨之下降，膜電阻增加，槽電壓升高，電流效率緩慢下降，噸堿電耗緩慢持續(xù)增加。當(dāng)電流效率下降到一定數(shù)值時(shí)，各項(xiàng)成本也會(huì)大幅增加。對(duì)于換膜時(shí)間節(jié)點(diǎn)的確定，天偉化工結(jié)合自身內(nèi)、外部實(shí)際情況，充分考慮各種影響因素，通過(guò)統(tǒng)籌計(jì)劃，選擇最佳換膜時(shí)間以減少對(duì)生產(chǎn)和成本的影響。

1 離子膜經(jīng)濟(jì)壽命

離子膜經(jīng)濟(jì)壽命是指離子膜的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用和安裝成本費(fèi)用的月噸堿攤銷費(fèi)和月噸堿使用的電費(fèi)之和最小時(shí)的使用時(shí)間。除去鹽水等原料質(zhì)量和人為操作因素對(duì)離子膜電流效率的影響，假定離子膜的電流效率的下降呈線性關(guān)系，則噸堿電耗的增加也應(yīng)該呈線性關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，建立月噸堿電耗費(fèi)用、離子膜月噸堿攤銷費(fèi)用以及月噸堿使用成本的離子膜經(jīng)濟(jì)使用壽命關(guān)系，見(jiàn)圖1。

圖1 曲線和離子膜經(jīng)濟(jì)壽命分析

由圖1 可以看出，當(dāng)離子膜月噸堿攤銷費(fèi)用和月噸堿電耗費(fèi)用之和最小時(shí)，離子膜月噸堿成本最低。而之后隨著離子膜使用時(shí)間的延長(zhǎng)，離子膜月噸堿攤銷費(fèi)用和月噸堿電費(fèi)之和逐漸增大。由此理論分析可知，當(dāng)離子膜使用時(shí)間達(dá)到經(jīng)濟(jì)使用壽命時(shí)，就需要更換離子膜。此時(shí)，離子膜使用價(jià)值已達(dá)到最大化，經(jīng)濟(jì)效益最高。

2 影響離子膜換膜時(shí)機(jī)選擇的因素

通過(guò)前面對(duì)離子膜經(jīng)濟(jì)壽命的介紹，可以確定噸堿電費(fèi)是影響離子膜換膜時(shí)間的重要因素。一般情況下，離子膜的使用壽命為三四年，使用時(shí)間越長(zhǎng)電流效率越低，噸堿電耗越高，相應(yīng)的噸堿電費(fèi)越高，經(jīng)濟(jì)收益越低。目前，國(guó)內(nèi)部分氯堿企業(yè)在電流效率低于93%時(shí)，開(kāi)始更換離子膜。當(dāng)電流效率低于93%時(shí)，噸堿電耗較高，此時(shí)的經(jīng)濟(jì)收益還與當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)有關(guān)，因此把電流效率低于93%作為換膜的依據(jù)還未使離子膜的使用價(jià)值最大化。當(dāng)然，離子膜換膜時(shí)機(jī)的選擇不能僅僅以噸堿電費(fèi)為標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)該充分考慮其他因素。

（1）燒堿和下游產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。燒堿價(jià)格和PVC 價(jià)格隨市場(chǎng)的波動(dòng)較大， 當(dāng)燒堿和下游產(chǎn)品（主要是PVC）經(jīng)濟(jì)效益較好時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長(zhǎng)離子膜的使用時(shí)間， 將換膜時(shí)機(jī)適當(dāng)推遲。當(dāng)燒堿和下游產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益不好時(shí)，也可根據(jù)自身的情況適當(dāng)提前更換離子膜。

（2）電解槽進(jìn)口酸度。向電解槽加酸的目的是為了中和從陰極室反遷過(guò)來(lái)的OH-，減少副反應(yīng)，降低氯中含氧量和淡鹽水中的氯酸鹽含量。離子膜運(yùn)行到后期，隨著離子膜性能的下降，電解槽加酸量逐漸增加。槽鹽水的酸度控制在0.15 mol/L，當(dāng)酸度超過(guò)0.15 mol/L 時(shí)，過(guò)高的酸度會(huì)使離子膜酸化產(chǎn)生水泡，同時(shí)還會(huì)腐蝕陽(yáng)極液入口管道及電解槽的犧牲陽(yáng)極，在此情況下，就需要著手更換離子膜，以免為了一時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益而造成電解槽使用壽命縮短而得不償失。

（3）堿中氯化鈉、氯酸鹽含量對(duì)產(chǎn)品和下游固堿裝置的影響。隨著離子膜使用時(shí)間的延長(zhǎng)，離子膜本身機(jī)材受到損傷出現(xiàn)針孔，膜的效率和性能下降，產(chǎn)量減少。因?yàn)殛庩?yáng)極電解液及離子互相擴(kuò)散，OH-的反遷移量增加，鹽水中的氯酸鹽含量逐漸增加，鹽水中的氯酸鹽將腐蝕設(shè)備并影響螯合樹(shù)脂的使用壽命，同時(shí)還會(huì)影響氯化鈉的飽和度，進(jìn)而引起氯化鈉濃度降低和固體懸浮物SS 波動(dòng)甚至超標(biāo)。鹽水中的氯酸鹽含量升高使得堿中氯化鈉及氯酸鹽含量也升高，產(chǎn)品質(zhì)量下降到非優(yōu)等品。而且堿中氯酸鹽含量較高又會(huì)影響固堿裝置重要設(shè)備正常生產(chǎn)運(yùn)行和使用壽命。目前，除去堿中氯酸鹽的方法主要是向堿中加入蔗糖，氯酸鹽被蔗糖還原產(chǎn)生Cl-，而蔗糖被氯酸鹽氧化后產(chǎn)生CO2，這樣就使得產(chǎn)品堿中的NaCl 和Na2CO3含量增加，而影響堿產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）換膜費(fèi)用。換膜費(fèi)用包括購(gòu)買(mǎi)離子膜費(fèi)用、電槽墊片費(fèi)用、粘接劑、離型劑、人工成本費(fèi)用。主要的換膜費(fèi)用就是離子膜的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用，這與離子膜單價(jià)、關(guān)稅、增值稅等息息相關(guān)。

（5）電流密度。電流密度越高，噸堿電耗越高。如果電槽在電流密度較低的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，亦可以延長(zhǎng)換膜時(shí)間。但電流密度過(guò)低，噸堿電耗也會(huì)升高。

（6）年度停車大檢修。如果企業(yè)制定年度停車大檢修計(jì)劃，為了減少停車換膜對(duì)生產(chǎn)及產(chǎn)量的影響，可盡量將換膜時(shí)間安排在停車大檢修期間，換膜與大檢修同時(shí)進(jìn)行。另外，再通過(guò)增加作業(yè)隊(duì)伍，最大程度重合兩者作業(yè)周期，是較為合理和經(jīng)濟(jì)的一種統(tǒng)籌安排。

（7）離子膜換膜與電解槽電極改造同時(shí)兼顧。離子膜使用接近2 個(gè)周期約7 年時(shí)，電解槽陰陽(yáng)極電極接近保證壽命（8 年），在此節(jié)點(diǎn)，電解槽電極涂層已不同程度脫落，電極在運(yùn)行過(guò)程中受到壓力壓差的波動(dòng)造成機(jī)械損傷和形變， 電極網(wǎng)面平整度變差，陰陽(yáng)極出現(xiàn)極距，電解槽電壓升高，電耗升高，產(chǎn)品成本上升。若不更換電極，重新?lián)Q新膜再繼續(xù)使用一個(gè)周期，則該周期電耗造成成本上升遠(yuǎn)大于電極更換的分?jǐn)傎M(fèi)用，所以建議各企業(yè)在離子膜使用2 個(gè)周期后換膜工作與電極更換同期進(jìn)行。第三周期的新膜與更換后新電極配套運(yùn)行，減少后期開(kāi)停車次數(shù)，避免離子膜和電極性能變差后相互影響。

除了上述因素以外，還有其他一些不可預(yù)料因素均可影響離子膜換膜時(shí)機(jī)的選擇。尤其在離子膜使用到后期，人為操作對(duì)離子膜的破壞以及電解槽墊片的泄漏、上下游工序生產(chǎn)異常等原因造成的系統(tǒng)非計(jì)劃停車都會(huì)影響離子膜換膜時(shí)機(jī)。所以，在離子膜使用到后期，主要根據(jù)各影響因素來(lái)確定時(shí)間段。

3 電解槽換膜時(shí)機(jī)的選擇

該公司離子膜電解裝置于2014 年4 月開(kāi)車，至2017 年9 月，離子膜使用已到后期。以運(yùn)行效果較差的C 槽為例，C 槽離子膜（F-6801）已使用41 個(gè)月。 7～9 月電流效率、噸堿電耗、酸度、氯酸鹽含量的平均值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 電流效率、噸堿電耗、酸度、氯酸鹽含量的平均值統(tǒng)計(jì)表

從 表1 可 以 看 出，7 ～9 月C 槽 電 流 效 率 在92.69%左右，在電流密度為5.0 kA/m2的運(yùn)行條件下，噸堿電耗由開(kāi)車時(shí)的2080kW·h/t 已漲至2240kW·h/t，噸堿電耗上漲160 kW·h/t。在控制電槽出口酸度不變的情況下，入槽鹽水酸度已達(dá)0.144 6 mol/L。鹽水中的氯酸鹽含量控制指標(biāo)為＜10 g/L，而在9 月，氯酸鹽含量已上漲至13.46 g/L，堿中氯酸鹽含量也已達(dá)到28×10-6。堿中氯酸鹽對(duì)固堿裝置使用壽命的影響逐漸增加，部分固堿裝置已開(kāi)始泄漏，對(duì)固堿系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和人員的安全操作造成隱患。同時(shí)產(chǎn)品堿含鹽量上升，品質(zhì)開(kāi)始下降。盡管2017 年9 月產(chǎn)品堿的市場(chǎng)價(jià)格還處于比較理想的范圍，但是C槽的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)表明，C 槽的離子膜已處于一個(gè)較差的運(yùn)行狀態(tài)，尤其是鹽水和堿中的氯酸鹽已嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該公司綜合考慮分析以上諸如噸堿電耗、電流效率、入槽鹽水酸度、電流密度、堿產(chǎn)品質(zhì)量、停車大檢修等換膜影響因素，決定于2017 年9 月底在全廠秋季停車大檢修期間更換C 槽離子膜，其余4 臺(tái)電解槽也將逐臺(tái)更換離子膜。

4 結(jié)語(yǔ)

以離子膜噸堿電耗分析推導(dǎo)出的離子膜經(jīng)濟(jì)壽命對(duì)于離子膜換膜時(shí)機(jī)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。然而，離子膜換膜時(shí)機(jī)的選擇不僅取決于噸堿電耗，還要考慮燒堿和下游產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益、入槽鹽水酸度、 堿產(chǎn)品質(zhì)量及氯酸鹽含量、 電流效率、電流密度、停車大檢修、電極更換等多方面因素。因此，零極距電解槽換膜時(shí)間不應(yīng)為某一確定時(shí)間， 而應(yīng)該是通過(guò)綜合考慮各種影響因素來(lái)確定的一個(gè)時(shí)間段。 科學(xué)合理的確定零極距電解槽離子膜的換膜時(shí)機(jī)有利于企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。