制氯電解槽陰陽極板打火問題研究

晏 玥

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，臺(tái)州 317112）

為抑制貝類、藻類等海生物在海水冷卻系統(tǒng)中生長(zhǎng)繁殖造成的冷卻回路堵塞，以海水作為最終熱阱的核電廠會(huì)設(shè)置專門的電解海水制氯系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過向海水中投加次氯酸鈉來抑制海生物生長(zhǎng)，從而保證電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

三門核電一期工程電解海水制氯系統(tǒng)電解槽在正常運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)電解槽陰陽極板間打火的情況，影響系統(tǒng)的運(yùn)行安全。因此，需要定位問題原因，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行情況和設(shè)備實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

1 電解槽介紹

1.1 電解槽整體介紹

三門核電一期工程采用青島雙瑞海洋環(huán)境工程有限公司供貨的SC400A/1 型電解槽。電解槽蓋為亞力克透明蓋板，操作人員在設(shè)備運(yùn)行過程中可以透過蓋板直接觀察槽內(nèi)反應(yīng)情況和結(jié)垢情況。電解槽殼體包括頂板、中間板及底板，采用極耐次氯酸鈉腐蝕的PVC（聚氯乙烯）材料，進(jìn)出水口采用法蘭連接。電解槽內(nèi)緊固件和結(jié)構(gòu)件的材料為鈦，外部緊固件材料為SS316。電解槽陰極和陽極的導(dǎo)電連接件為鈦銅導(dǎo)電叉。導(dǎo)電叉在電解槽內(nèi)部分為鈦，在電解槽外部分為銅。

1.2 電解槽極板介紹

三門核電一期工程所使用的電解槽為單極板式電解槽，同極性電極與電源并聯(lián)連接，海水經(jīng)過多級(jí)電解槽單元后電解成高濃度次氯酸鈉，如圖1 所示。其中，實(shí)心模塊為陽極板，空心模塊為陰極板。

每個(gè)電解槽單元內(nèi)有11 塊陰極板和12 塊陽極板。陰陽極板間隔放置，陽極板和陰極板間放置聚偏氟乙烯（PVDF）隔離釘，以保持陽極板和陰極板間有2.5mm 的間距。陰極板材料為哈氏合金C-276，耐腐蝕性強(qiáng)，吸氫電位較低，比鈦陰極析氫電位低0.45V，因此耗電量更低，經(jīng)濟(jì)性能更好。陽極網(wǎng)板采用鈦涂貴金屬氧化物涂層的DSA 陽極，具有較低的析氯電位和較高的析氧電位[1]。低溫下，DSA 陽極板耗損比常規(guī)陽極板損耗更小。陽極板的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了海水的湍流，提高了電解效率。

2 電解槽工作原理

NaCl 在海水中以離子狀態(tài)存在，通過電流后Na+、Cl-發(fā)生定向遷移直接產(chǎn)生NaClO[1]，具體反應(yīng)為電化反應(yīng)。

圖1 電解槽極板連接方式

從以上反應(yīng)式可知，電解海水所產(chǎn)生的有效化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物是次氯酸鈉和氫氣。

3 陰陽極板間打火原因分析

三門核電一期工程共設(shè)計(jì)有4 套電解槽，每套電解槽包含22 個(gè)電解槽單元。自2018 年10 月至今，4 套電解槽共計(jì)出現(xiàn)7 次陰陽極板打火問題，其中多片陽極網(wǎng)板有較為明顯的極板涂層損壞、極板擊穿損毀現(xiàn)象，多片陰極板上有打火后的灼燒黑點(diǎn)。陰陽極板間打火主要是由于陰陽極板間短路造成極板短接點(diǎn)局部長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱，致使陽極板短接處燒毀，陰極板短接處被灼燒。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備上下游關(guān)系和電解槽結(jié)構(gòu)，分析電解槽陰陽極板間短路問題。

3.1 電解槽結(jié)垢

海水中常見的陽離子有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、H+，常見的陰離子有Cl-、SO42-、HCO3-、OH-[2]。這些離子在通過電流時(shí)會(huì)發(fā)生電解反應(yīng)，生成鈣鎂沉淀吸附在陰極板上。由于電解槽陰陽極板間間隔僅2.5mm，長(zhǎng)時(shí)間未對(duì)電解槽進(jìn)行酸洗時(shí)，電解槽陰極板上的鈣鎂沉淀物將堆積，使得陰陽極板間通過鈣鎂沉淀物單點(diǎn)連接。當(dāng)電解槽陰陽極板通上電流時(shí)，結(jié)垢堆積處陰陽極板短路，結(jié)垢堆積處短時(shí)高溫使得陽極板被熔斷擊穿，陰極板被灼燒。

3.2 異物進(jìn)入電解槽

電解槽上游設(shè)置有預(yù)過濾器、旋力除砂器以及二級(jí)過濾器，以去除海水中的大顆粒雜質(zhì)，保證電解槽的運(yùn)行安全。離電解槽最近的二級(jí)過濾器過濾精度為0.5mm。運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，有異物進(jìn)入電解槽單元導(dǎo)致電解槽極板間打火。對(duì)異物來源進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)，電解槽上游二級(jí)過濾器濾網(wǎng)損壞且過濾器濾網(wǎng)上螺栓斷裂，斷裂的螺栓和海水中雜質(zhì)一同進(jìn)入電解槽，使得第一個(gè)電解槽單元內(nèi)發(fā)生陰陽極板短接，出現(xiàn)了陰陽極板間打火現(xiàn)象，致使陽極板熔斷，陰極板局部被燒黑。陽極板熔渣會(huì)隨著海水進(jìn)入到下一個(gè)電解槽單元中，在后續(xù)電解槽單元中引入異物，使得下游電解槽單元極板間短路出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

3.3 電極板變形

發(fā)現(xiàn)電解槽陰陽極板打火后，技術(shù)人員對(duì)電解槽陰陽極板進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)，臨近次氯酸鈉出口端的電解槽單元陰陽極板變形，特別是陽極網(wǎng)板變形較為嚴(yán)重。究其原因，主要在于在電解槽設(shè)計(jì)上，僅入口電解槽單元設(shè)置有流量分流器對(duì)進(jìn)入電解槽的海水進(jìn)行分流，而在后續(xù)串聯(lián)的電解槽單元中沒有設(shè)置流量分流器。入口電解槽單元電解產(chǎn)生氫氣，進(jìn)入下游的電解槽單元為水氣混合物，因此下游電解槽單元的海水湍流嚴(yán)重。特別是臨近次氯酸鈉出口端的電解槽單元，海水湍流更加嚴(yán)重。水氣混合物進(jìn)入電解槽單元時(shí)，由于沒有流量分流器的引流，陰陽極板中間的沖擊力最大，兩端的沖擊力最小，造成電解槽長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后陰陽極板變形，最終導(dǎo)致陰陽極板短接，在電解槽正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)陰陽極板打火情況。

4 優(yōu)化方案

針對(duì)分析的電解槽陰陽極板間短路打火原因，對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的電解槽運(yùn)行方式和電解槽單元做出優(yōu)化，以解決電解槽陰陽極板打火短路問題。

4.1 電解槽單元增加隔離釘和流量分流器

每個(gè)電解槽單元陰陽極板間增加2.5mm 的PVDF 隔離釘，增加數(shù)量為原設(shè)計(jì)隔離釘數(shù)量的50%，同時(shí)在每個(gè)電解槽單元進(jìn)口處增加流量分流器。電解槽運(yùn)行一年，未發(fā)現(xiàn)陰陽極板打火的情況。從電解槽外觀來看，未發(fā)現(xiàn)陰陽極板變形的情況。電解槽單元新增了隔離釘和流量分流器，電解槽入口流量和壓力變化不大，說明電解槽單元增加隔離釘和流量分流器可以解決由于極板變形導(dǎo)致的陰陽極板打火問題，且不對(duì)系統(tǒng)流量和壓力等參數(shù)產(chǎn)生影響。

4.2 上游過濾器定期檢查

為解決由于設(shè)備故障導(dǎo)致的電解槽極板間打火問題，有必要定期檢查電解槽上游過濾器，特別是對(duì)離電解槽最近的上游過濾器的檢查，因?yàn)檫@是進(jìn)入電解槽前的最后一道屏障。上游過濾器正常運(yùn)行，可以減少進(jìn)入電解槽的海水雜質(zhì)和設(shè)備自身故障帶入的設(shè)備雜質(zhì)。

4.3 縮短電解槽的酸洗周期

電解槽設(shè)計(jì)要求每隔30 天進(jìn)行一次酸洗。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，電解槽連續(xù)運(yùn)行20 天后，電解槽的陰極板結(jié)垢較為嚴(yán)重。電解槽陰陽極板間的電壓增大，電耗增多，還存在陰陽極板間的短路風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)電解槽的酸洗周期進(jìn)行調(diào)整，由原設(shè)計(jì)的30 天縮短為20 天。若運(yùn)行不滿20 天時(shí)電解槽結(jié)垢已經(jīng)較為嚴(yán)重，可提前對(duì)電解槽進(jìn)行酸洗。電解槽酸洗周期縮短可以有效降低電耗，并消除由于電解槽結(jié)垢導(dǎo)致的陰陽極板短路的情況。

5 結(jié)語

本文分析三門核電一期工程電解制氯系統(tǒng)中電解槽陰陽極板頻繁打火發(fā)生的原因，并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行情況和設(shè)備實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了有效優(yōu)化。