膜極距與有極距電解槽同線運(yùn)行工藝

張波，劉丁丁，趙鵬，楊茂勤

(陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林 719319)

1 項(xiàng)目概述

陜西北元化工集團(tuán)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(chǎn)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(shè)備，在氯堿生產(chǎn)中占有極其重要的地位，且離子膜電解槽電耗占整個(gè)氯堿生產(chǎn)電耗的70%，直接決定著燒堿生產(chǎn)成本的高低。運(yùn)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(yuǎn)高于四代和五代離子膜電解槽設(shè)計(jì)噸堿電耗2 130 kW·h/t和2 070 kW·h/t。雖然北元化工按計(jì)劃已開展電解槽換膜和重涂工作，但是電耗與先進(jìn)離子膜六代電解槽相差較大。在科研技術(shù)支持下，實(shí)施離子膜電解槽節(jié)能改造的科研項(xiàng)目，項(xiàng)目于2019年9月27日通過驗(yàn)收試車，投入生產(chǎn)，測(cè)試項(xiàng)數(shù)據(jù)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(shè)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(cè)進(jìn)料共分為兩路：一路為電解槽正常運(yùn)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(jìn)入換熱器(061E003)經(jīng)蒸汽調(diào)節(jié)閥(TV-0642)或循環(huán)水調(diào)節(jié)溫度后，通過陽極進(jìn)料調(diào)節(jié)閥(FIC1220B)供電解槽(112A001B)使用；另一路過濾鹽水泵停運(yùn)時(shí)供電解槽緊急循環(huán)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(guān)閥(XV-0645A)控制后，通過陽極進(jìn)料調(diào)節(jié)閥(FIC1220B)供至電解槽(112A001B)。

四五六代電解槽陰極進(jìn)料、陰陽極側(cè)出料與原設(shè)計(jì)電解槽運(yùn)行工藝流程相同。

2.2 電解槽操作規(guī)范及指標(biāo)要求

四、五、六代電解槽操作規(guī)范及指標(biāo)要求如表1所示。

表1 四、五、六代電解槽操作規(guī)范及指標(biāo)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(jié)構(gòu)區(qū)別

電解槽陽極半殼結(jié)構(gòu)不同：四代陽極半殼為百葉窗結(jié)構(gòu)，五代半殼為C形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，六代半殼為平面菱形結(jié)構(gòu)。

陰極半殼：四、五代陰極結(jié)構(gòu)相同，可以互用，六代槽陰極半殼底層為電流分配網(wǎng)、中層為彈性網(wǎng)、上層為極網(wǎng)編織網(wǎng)。

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(dòng)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(qū)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(yīng)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(xiàng)目實(shí)施

3.1 電解槽設(shè)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(gè)單元槽，電解槽陰陽極內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dòng)滑輪懸掛。

換熱器設(shè)備安裝方面，因?yàn)榱娊獠垭娮栊。凑兆畲笮б婀に囋O(shè)計(jì)要求，六代槽陽極進(jìn)料鹽水系統(tǒng)增加1臺(tái)換熱器(061E003)，滿足槽溫控制實(shí)現(xiàn)效益最大化。

3.2 工藝管線改造

陽極系統(tǒng)精鹽水管線配管從樹脂塔出口經(jīng)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(huán)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(shè)施安裝改造

增加2臺(tái)自控閥、1臺(tái)蒸汽調(diào)節(jié)閥(TV-0642)、1臺(tái)應(yīng)急開關(guān)閥(XV-0645A)，控制二次精制鹽水由高位槽底部出口管線進(jìn)入電解槽，鹽水管線增加熱電偶檢測(cè)鹽水溫度。

4 電解槽數(shù)據(jù)對(duì)比

電解槽數(shù)據(jù)對(duì)比包括運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比、能耗對(duì)比、電流效率、槽電壓對(duì)比。

4.1 電解槽運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

14.85 kA下測(cè)試，六代槽電壓平均為2.944 V，對(duì)標(biāo)行業(yè)槽電壓趨勢(shì)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(wěn)定性高。16.3 kA下測(cè)試，六代槽電壓平均為2.967 V，對(duì)標(biāo)行業(yè)槽電壓趨勢(shì)一致，比北元化工四代、五代、槽電壓分別下降274 mV和211 mV。應(yīng)用質(zhì)量1-MR大數(shù)據(jù)庫分析工具分析。

四、五、六代電解槽性能對(duì)比(開車測(cè)試值)如表2所示。

表2 四、五、六代電解槽性能對(duì)比(開車測(cè)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(fù)荷運(yùn)行時(shí)，四、五、六代電解槽性能對(duì)比如表3所示。

表3 滿負(fù)荷條件下，四、五、六代電解槽性能對(duì)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(jié)約電63.92萬kW·h；與五代槽相比，月節(jié)約電49.53萬kW·h。

B槽更換前后電耗對(duì)比如表4所示。

表4 B槽更換前后電耗對(duì)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(shù)參數(shù)

六代電解槽技術(shù)協(xié)議考核指標(biāo)主要為電耗和電流效率。電流效率按照技術(shù)要求1～3個(gè)月大于96%。第1種核算按照電解槽全分析指標(biāo)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(jìn)一步對(duì)標(biāo)排查出槽鹽水氯酸鹽含量分析準(zhǔn)確性；第2種核算按照開車前后B線燒堿產(chǎn)量核算，開車運(yùn)行72 h根據(jù)電磁流量計(jì)核算，折算電流效率96.35%。

六代電解槽的協(xié)議電流效率分別為：

開車—3個(gè)月 96%； 4—12個(gè)月 95%；

13—24個(gè)月 94%； 25—36個(gè)月 93%；

37—48個(gè)月 93%。

實(shí)際運(yùn)行3個(gè)月的分析指標(biāo)核算為95.51%。

開車前后產(chǎn)量對(duì)比核算電流效率為96.35%。

首次開車六代電解槽電耗協(xié)議值為2 025 kW·h/t，實(shí)際運(yùn)行3個(gè)月來的電耗值為2 035.9 kW·h/t。

六代電解槽其余指標(biāo)考核結(jié)果為：氯氣純度，98.5%，合格；氯氣含氧(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，0.9%，超標(biāo)(控制指標(biāo)要求小于0.6%)；其余指標(biāo)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(biāo)。根據(jù)技術(shù)協(xié)議資料查閱，兩種分析方法與同行業(yè)對(duì)標(biāo)，氯氣指標(biāo)處于中上等水平。

圖3 電解槽的槽電壓數(shù)據(jù)控制圖Fig.3 Diagram of cell voltage data control

5 六代電解槽項(xiàng)目實(shí)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(dǎo)致測(cè)溫點(diǎn)遠(yuǎn)傳設(shè)施不能有效檢測(cè)工藝指標(biāo)，槽溫控制異常，造成設(shè)備損壞。

陰陽極出料總管測(cè)量溫度管口底部無液體遮擋板，導(dǎo)致溫度檢測(cè)失真，不能有效檢測(cè)電解槽槽溫這一重要指標(biāo)，電解槽性能不能有效釋放。須要增加測(cè)量溫度計(jì)內(nèi)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(zhì)直接連接，會(huì)出現(xiàn)電解槽電流泄漏和人員觸電風(fēng)險(xiǎn)。按照氯堿行業(yè)電解槽絕緣要求，須要金屬出料總管涂刷環(huán)氧絕緣漆F等級(jí)(特別是活套法蘭及管口連接處)，原有的管線需要環(huán)氧絕緣漆F等級(jí)(耐高溫、腐蝕銀色環(huán)氧絕緣油漆)，增加對(duì)應(yīng)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(cè)試槽框平整度，發(fā)現(xiàn)后區(qū)一處平整度超指標(biāo)，補(bǔ)安裝1塊鋼板，槽框水平、垂直調(diào)整正常。

金屬總管電解槽進(jìn)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(huán)氧絕緣油漆。

6 總結(jié)及規(guī)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(shù)據(jù)對(duì)比：電耗節(jié)約55 kW·h/t，月節(jié)約99萬 kW·h，月合計(jì)節(jié)約：29.7萬元。16.3 kA下測(cè)試調(diào)整工藝參數(shù)測(cè)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(jié)電63.92萬 kW·h，比五代槽月節(jié)電49.53萬 kW·h。

6.2 下一步改進(jìn)計(jì)劃

高負(fù)荷運(yùn)行條件下指標(biāo)改進(jìn)，對(duì)標(biāo)行業(yè)分析誤差，下一步逐步調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù)，提高電解槽控制水平。六代電解槽新規(guī)程增加離子膜水洗操作規(guī)程，運(yùn)行后期根據(jù)離子膜通道堵塞情況進(jìn)行水洗離子膜工藝操作。電解槽節(jié)能技術(shù)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(chuàng)造出更大的盈利空間，同時(shí)也根據(jù)六代電解槽工藝參數(shù)調(diào)整思路對(duì)公司目前四代和五代離子膜電解槽進(jìn)行技術(shù)升級(jí)革新，提升北元化工在同行業(yè)中的競爭力和影響。