ANC-270 國(guó)產(chǎn)離子膜電解槽的運(yùn)行總結(jié)

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(jiǎn)稱天辰化工） 擁有32 萬(wàn)t/a 離子膜燒堿裝置，分一二期，共2 條生產(chǎn)線，采用某進(jìn)口離子膜電解槽。 天辰化工離子膜燒堿裝置自2007 年投產(chǎn)運(yùn)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(jù)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(jìn)行過(guò)3 次離子交換膜的更換，分別為2011 年、2015 年、2020 年；于2015 年進(jìn)行過(guò)1 次離子膜電解槽的極網(wǎng)改造（主要是對(duì)離子膜電解槽的陰陽(yáng)極網(wǎng)面進(jìn)行了檢查維修）。因國(guó)際形式變化和公司國(guó)產(chǎn)化改造的需求， 天辰化工引進(jìn)國(guó)產(chǎn)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(hào)，不存在品牌和型號(hào)的差異，所以，在運(yùn)行中出現(xiàn)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(huì)對(duì)安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響、 不同類型離子交換膜在同一臺(tái)電解槽中使用對(duì)電解槽整體運(yùn)行有沒有影響等問題。 因此將1 臺(tái)電解槽（M 槽）作為試驗(yàn)電解槽，針對(duì)以上問題進(jìn)行研究分析，對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行了總結(jié)。

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(shè)計(jì)值5.5 kA/m2，最大運(yùn)行值5.5 kA/m2

（3）鹽水質(zhì)量要求和產(chǎn)品指標(biāo)見表1 和表2。

表1 鹽水質(zhì)量表

表2 產(chǎn)品指標(biāo)一覽表 %

2 電解槽的安裝

電解槽設(shè)計(jì)均為單臺(tái)138 片單元槽設(shè)計(jì)， 分前半?yún)^(qū)和后半?yún)^(qū)，前后半?yún)^(qū)各69 片單元槽（包含陰陽(yáng)極端框和中控），為了便于監(jiān)測(cè)電解槽離子交換膜的各項(xiàng)數(shù)據(jù)， 前半?yún)^(qū)69 片單元槽安裝旭化成F-7001離子交換膜，后半?yún)^(qū)前56 片單元槽安裝杜邦N2050離子交換膜， 后半?yún)^(qū)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(jīng)驗(yàn)，為確保電解槽整體的平穩(wěn)運(yùn)行，在前半?yún)^(qū)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?qū)﹄x子交換膜進(jìn)行膜試漏和槽試漏， 正常后， 按流程開車運(yùn)行。

3 不同電流密度下的槽電壓數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)上述離子交換膜的組合安裝方案，在不同測(cè)試條件下的一系列槽電壓數(shù)據(jù)對(duì)比。 在系統(tǒng)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(cè)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(shù)據(jù)變化曲線對(duì)比見圖1， 在電流密度5.5 kA/m2下持續(xù)運(yùn)行3～15個(gè)月的槽電壓曲線對(duì)比見圖2。

表3 不同電流密度下單元槽槽電壓數(shù)據(jù)表

圖1 不同電流密度下各單元槽離子交換膜槽電壓數(shù)據(jù)變化曲線

數(shù)據(jù)為系統(tǒng)原始開車時(shí)的數(shù)據(jù)，僅為測(cè)試數(shù)據(jù)，供參考。

3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）開車初期，使用3 種離子膜的單元槽槽電壓數(shù)據(jù)相差不大，其中在電流密度2.96 kA/m2的時(shí)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(shù)據(jù)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(xiàn)出逐漸穩(wěn)定上升的趨勢(shì)， 其中， 東岳DF-2807 在3 種離子交換膜的槽電壓數(shù)據(jù)中要偏高0.02 V 以上。

（2）當(dāng)電流密度上升至5.5 kA/m2的峰值持續(xù)運(yùn)行時(shí)，東岳DF-2807 離子交換膜的槽電壓數(shù)據(jù)相對(duì)其他2 種離子交換膜的槽電壓數(shù)據(jù)略高0.01 V，差距基本不大。 說(shuō)明東岳離子交換膜在高電流密度下運(yùn)行時(shí)，其性能已達(dá)到進(jìn)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(tǒng)計(jì)了運(yùn)行3 個(gè)月、6個(gè)月、9 個(gè)月、12 個(gè)月和15 個(gè)月的各項(xiàng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，具體見表4。

表4 電解槽性能指標(biāo)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(yùn)行1 年， 電解槽整體數(shù)據(jù)平穩(wěn)，電流效率穩(wěn)定，電耗隨電解槽的持續(xù)運(yùn)行正常升高。

圖3 電解槽電耗的變化曲線圖

5 運(yùn)行期間的異常情況

電位差的漂移現(xiàn)象。在電解槽充液、循環(huán)完畢開始通電升電流的過(guò)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(fù)到正常值。 但在電位差聯(lián)鎖投運(yùn)后，依然會(huì)出現(xiàn)電位差數(shù)值漂移現(xiàn)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(jīng)過(guò)檢查分析， 該電解槽電位差波動(dòng)主要是該電解槽前后半?yún)^(qū)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(shí)候會(huì)出現(xiàn)電位差漂移。 這種電位差漂移現(xiàn)象最嚴(yán)重的時(shí)候，出現(xiàn)過(guò)電位差報(bào)警，但未因波動(dòng)導(dǎo)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(yīng)用于1 臺(tái)電解槽上，一旦電位差波動(dòng)過(guò)于頻繁、幅度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電解槽發(fā)生電位差聯(lián)鎖停車。

如果情況不允許， 建議將多種型號(hào)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(wěn)運(yùn)行。

6 安凱特電解槽整體運(yùn)行數(shù)據(jù)與其他進(jìn)口電解槽數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為更好分析國(guó)產(chǎn)安凱特電解槽及離子交換膜組合方式的性能對(duì)比， 將國(guó)產(chǎn)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(shù)據(jù)與某進(jìn)口電解槽運(yùn)行4 年后極網(wǎng)改造后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體見表5。

表5 同等工況下兩種電解槽性能數(shù)據(jù)對(duì)比

國(guó)產(chǎn)新電解槽與某進(jìn)口電解槽的性能數(shù)據(jù)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(yùn)行情況的重要數(shù)據(jù)指標(biāo)，精確計(jì)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(jì)算方法主要包括以下3 種。

7.1 通過(guò)電流效率的定義進(jìn)行計(jì)算

電流效率=實(shí)際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量

實(shí)際產(chǎn)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(chǎn)量=1.492×I×N×n×24/1 000

式中：I—平均電流；

N—電解槽數(shù)量；

n—單元槽數(shù)量。

計(jì)算出實(shí)際產(chǎn)量和理論產(chǎn)量可得到實(shí)際電流效率。

7.2 通過(guò)電解槽鹽酸的消耗量計(jì)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(yáng)極室。 陽(yáng)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(lái)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(shù)量×電槽數(shù)×?xí)r間/法拉第常數(shù)

=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(dāng)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(dāng)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(shù)0.6%）

將以上數(shù)據(jù)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(guò)陽(yáng)極液進(jìn)出口酸度進(jìn)行分析計(jì)算

電流效率={[通電量-（入口酸度-出口酸度）×陽(yáng)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(dāng)量/升）；

岀口酸度為CH+出（克當(dāng)量/升）；

陽(yáng)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(jì)算

7.4.1 通過(guò)實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算

因離子膜電解槽單臺(tái)電解槽未安裝流量計(jì)進(jìn)行流量計(jì)算，只有整體系統(tǒng)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(jìn)行差值對(duì)比分析，對(duì)電解槽開車后的電流效率進(jìn)行估算，具體估算數(shù)據(jù)如下。

M 槽停車后系統(tǒng)1 整體運(yùn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)1 整體運(yùn)行數(shù)據(jù)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(shí)際產(chǎn)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(chǎn)量=

14.85×138 ×1.492×24/1 000=73.381（t）；

M 槽計(jì)算電流效率=70.418/73.381×100%=96%。

7.4.2 通過(guò)進(jìn)出口酸度進(jìn)行計(jì)算

M 槽電流14.85 kA；入口酸度為CH+入（克當(dāng)量/升）0.049 7；岀口酸度為CH+出（克當(dāng)量/升）0.002 5；陽(yáng)極液流量為Q（m3/h）32.72；單元槽數(shù)量138（2VO2/Cl2+ηc）1.59%（根據(jù)實(shí)際情況取值）。

根據(jù)計(jì)算可得出該國(guó)產(chǎn)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(yùn)行1 年后單槽電流效率計(jì)算

因電解系統(tǒng)只有大系統(tǒng)有陰極液流量檢測(cè)儀表， 因此運(yùn)行1 年后的單槽電流效率計(jì)算使用電解槽陽(yáng)極液進(jìn)出口酸度電流效率分析方法進(jìn)行計(jì)算。

單槽電流14.85 kA； 入口酸度為CH+入（克當(dāng)量/升）0.045 7；岀口酸度為CH+出（克當(dāng)量/升）0.002 4；陽(yáng)極液流量為Q（m3/h）33.12；單元槽數(shù)量138（2VO2/Cl2+ηc）1.59%（根據(jù)實(shí)際情況取值）。

根據(jù)計(jì)算可得出該國(guó)產(chǎn)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(jì)算方式的對(duì)比

（1）用實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量比值方法計(jì)算出來(lái)的電流效率與實(shí)際的電流效率之間存在一定的誤差，誤差主要體現(xiàn)在M 槽停車期間，其他電解槽運(yùn)行參數(shù)及電流效率正常下降等因素，會(huì)影響M 槽的電流效率分析計(jì)算準(zhǔn)確度。 因此，實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量計(jì)算電流效率的方法比較適用于電解槽安裝有現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)傳流量計(jì)作為流量監(jiān)測(cè)的裝置進(jìn)行分析計(jì)算。

（2）用電解槽陽(yáng)極液進(jìn)出酸度計(jì)算電解槽電流效率的方法對(duì)電解槽的入口加酸要求比較嚴(yán)格，加酸較少則會(huì)造成出口鹽水中H+含量不精確，導(dǎo)致電流效率的偏差。因此，用電解槽陽(yáng)極液進(jìn)出酸度的方法分析電流效率時(shí)，需要注意電解槽的進(jìn)出口酸度。

（3）離子膜電解槽更換離子交換膜的原因是因?yàn)殡x子交換膜運(yùn)行一定時(shí)間后， 離子交換膜會(huì)出現(xiàn)泄漏不可避免，陰極室堿液向陽(yáng)極室遷移，陽(yáng)極室鹽水向陰極室遷移，導(dǎo)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(yáng)極副反應(yīng)，需加酸進(jìn)行調(diào)節(jié)。 但在運(yùn)行初期，新的離子交換膜在非人為的情況下，不會(huì)出現(xiàn)泄漏，因此在離子膜電解槽更換離子交換膜的初期用進(jìn)出口酸度法來(lái)計(jì)算電解槽電流效率的方法是不合適的。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)天辰化工對(duì)國(guó)產(chǎn)電解槽搭配不同型號(hào)的離子交換膜的運(yùn)行分析可以看出， 國(guó)產(chǎn)離子膜電解槽在工藝上已基本達(dá)到與進(jìn)口電解槽的同等性能的水平。 國(guó)產(chǎn)東岳DF-2807 離子交換膜在使用生命周期內(nèi)相對(duì)其他品牌的離子交換膜各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)方面要略高，但在成本方面卻低于進(jìn)口離子交換膜的一半，同時(shí)也因?yàn)閲?guó)產(chǎn)技術(shù)的不斷更新， 打破了國(guó)外企業(yè)對(duì)氯堿化工關(guān)鍵設(shè)備的壟斷地位， 促使氯堿化工設(shè)備產(chǎn)品不斷進(jìn)步。 目前東岳高分子科技有限公司已經(jīng)開發(fā)出了更新一代的離子交換膜， 同時(shí)安凱特公司也開發(fā)出了新一代的離子膜電解槽， 天辰化工將持續(xù)推進(jìn)離子膜電解槽及離子交換膜的全國(guó)產(chǎn)化改造進(jìn)程，促進(jìn)氯堿工業(yè)的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展。