JHM-3V 型膜極距電槽的特點(diǎn)及運(yùn)行分析

李曉杰，王建紅

（1.天津樂(lè)金渤?；瘜W(xué)有限公司，天津 300452；2.宏澤（江蘇）科技股份有限公司 江蘇 江陰 214400）

1 離子膜電解槽運(yùn)行現(xiàn)狀

天津樂(lè)金渤海化學(xué)有限公司 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)G 渤海）燒堿裝置于2007 年4 月投產(chǎn)，生產(chǎn)能力為25 萬(wàn)t/a，共8 個(gè)回路16 臺(tái)槽，其中1#-14# 電解槽為原高電密槽改造的膜極距槽 （于2014 年由原廠(chǎng)家進(jìn)行改造），15#、16# 槽為原裝膜極距槽。 整個(gè)裝置至今已運(yùn)行近16 年，長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行（電流密度5.64 kA/m2），并且初始進(jìn)行膜極距改造時(shí)，更換過(guò)陽(yáng)極密封面，電解槽運(yùn)行狀況不太理想。 改造后的膜極距槽運(yùn)行電壓過(guò)高，現(xiàn)已達(dá)3.25 V，噸堿交流電耗為2 450 kW·h 以上（電流密度5.5 kA/m2，槽溫90 ℃，燒堿濃度32%），已經(jīng)超出了離子膜電解槽的標(biāo)準(zhǔn)電耗指標(biāo)，運(yùn)行成本大大升高，一些工藝指標(biāo)達(dá)不到要求，特別是電槽泄漏率高，跑冒滴漏嚴(yán)重。因此考慮逐步更換新電槽，LG 渤海經(jīng)過(guò)考察，綜合對(duì)比，引進(jìn)宏澤（江蘇）科技股份有限公司生產(chǎn)的JHM-3V 型電解槽，進(jìn)行升級(jí)換代，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 JHM-3V 電解槽的規(guī)格及主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 電解槽規(guī)格及技術(shù)指標(biāo)

單元槽規(guī)格2 402 mm×1 562 mm×42 mm；

有效面積3.276 m2；

設(shè)計(jì)運(yùn)行電流密度5.5 kA/m2（最大電流密度6.0 kA/m2）；

直流電耗：

5.5 kA/m2，槽溫90 ℃，燒堿濃度32%，噸堿直流電耗≤1 995 kW·h；

6.0 kA/m2，槽溫90 ℃，燒堿濃度32%，噸堿直流電耗≤2 040 kW·h。

單元槽電壓：

5.5 kA/m2，槽溫90 ℃，燒堿濃度32%，單元槽電壓≤2.88 V；

6.0 kA/m2，槽溫90 ℃，燒堿濃度32%，單元槽電壓≤2.94 V。

電極性能：

陰極析氫電位1.221 V（電流密度4 kA/m2，參比電極Vs.SEC，試驗(yàn)溫度（90±1） ℃）；

陽(yáng)極析氯電位≤1.12 V（電流密度4 kA/m2，參比電極Vs.SEC，飽和鹽水溫度（90±2） ℃）；

析氫極化率69 mV（參比電極Vs.SEC，試驗(yàn)溫度（90±1） ℃）；

電解失重≤13.4 mg （電解液450 g/L NaOH，電流密度4 500 A/m2，試驗(yàn)溫度（90±1） ℃）。

2.2 二次精制鹽水質(zhì)量要求（見(jiàn)表1）

表1 二次精制鹽水質(zhì)量要求

2.3 產(chǎn)品指標(biāo)（見(jiàn)表2）

表2 產(chǎn)品指標(biāo)

3 電槽更新轉(zhuǎn)換方案

對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行電槽進(jìn)行綜合評(píng)估，比較每個(gè)回路電解槽的電壓、效率、電耗；對(duì)各回路的單元槽泄漏、單元槽平整度情況進(jìn)行評(píng)估；其中一個(gè)回路仍然采用直接更換陽(yáng)陰極網(wǎng)及彈性網(wǎng)（利用周轉(zhuǎn)槽）；確定置換方案與順序（見(jiàn)表3）。

表3 置換方案與順序

4 JHM-3V 電槽的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

JHM-3V 電槽與舊槽相比， 在結(jié)構(gòu)上作了很多改進(jìn)，更加安全，具有更高的電流密度。 基于其低結(jié)構(gòu)電壓降、更好的陰陽(yáng)極內(nèi)部循環(huán)、更高效的氣液分離和更大的出液通道， 可以達(dá)到更高的電流密度，可在6 kA/m2的電流密度下安全運(yùn)行，在生產(chǎn)過(guò)程中操作更加靈活。JHM-3V 電槽的主要特點(diǎn)如下。

4.1 低電耗

JHM-3V 最顯著的特點(diǎn)是低能耗， 這是因?yàn)殡姴蹆?nèi)部有了更好的電解液分布、 均勻的電流分布、較低結(jié)構(gòu)電壓降和膜極距、高性能的活性陰極及抗反向電流結(jié)構(gòu)。

（1）膜極距技術(shù)。 擁有特殊的陰極面網(wǎng)和彈性體，彈性體與陰極網(wǎng)的接觸點(diǎn)提高30 倍以上，從而使電流分布更均勻，提高陰極彈性體彈力，使彈性體施加給陰極網(wǎng)的壓力更均勻，同時(shí)耐陽(yáng)極側(cè)的逆壓能力得到加強(qiáng)；

（2）進(jìn)一步降低電解槽結(jié)構(gòu)上的電阻。 一方面增加陰陽(yáng)極盤(pán)間導(dǎo)電復(fù)合條的寬度， 增加焊點(diǎn)數(shù)量，另一方面增加陰陽(yáng)極盤(pán)內(nèi)導(dǎo)電筋板，焊接陽(yáng)極網(wǎng)的焊點(diǎn)數(shù)量增加了1.5 倍，使電流分布更加均勻，與上一代槽相比，結(jié)構(gòu)電阻降低了40%；

（3）開(kāi)發(fā)并使用了更優(yōu)異的、涂層壽命更長(zhǎng)的陰極涂層技術(shù)。 采用貴金屬系列活性陰極（鉑系復(fù)合涂層），提高了活性，涂層表面更加光滑，離子膜摩擦小，更加適合膜極距系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.2 電解液溢流方式

JHM-3V 另外一個(gè)明顯的特點(diǎn)是溢流方式，提高了離子膜的使用壽命。 氣體和電解液在單元槽陰陽(yáng)極盤(pán)底通過(guò)瓦楞板式出液通道進(jìn)入氣液分離盒，經(jīng)消泡網(wǎng)充分進(jìn)行消泡分離，這種出液和分離方式使氣液分離時(shí)產(chǎn)生很小的壓力波動(dòng)，并且遠(yuǎn)離離子膜，離子膜得到充分的保護(hù)。

4.3 單元槽可與舊槽實(shí)現(xiàn)完全互換

由于兩種電解槽單元槽面積相同，并且使用同樣的墊片、出槽軟管、鹽水循環(huán)，并且JHM-3V 插入管槽內(nèi)部分亦為PFA，泄漏電流更小。

4.4 離子膜使用范圍廣

根據(jù)用戶(hù)的需求， 能使用各種高性能的離子膜。 每噸燒堿所消耗的電能與電解槽的電壓成正比，與電流效率成反比。 降低電解槽的電壓主要依靠電解槽的設(shè)計(jì)，而高的電流效率依靠離子膜的性能。 因此可根據(jù)用戶(hù)的鹽水狀況和運(yùn)行模式選擇合適的離子膜。

4.5 陽(yáng)極密封面直接采用鈦鈀板

JHM-3V 單元槽的陰陽(yáng)極主體材料選用高性能的鎳鈦，其中陽(yáng)極盤(pán)采用國(guó)內(nèi)最好的鈦板，陰極盤(pán)采用日本進(jìn)口的Ni200， 均具有足夠的機(jī)械加工性和耐堿、酸性鹽水+氯的腐蝕性。 另外，由于純鈦在間隙（如墊片的接觸表面）會(huì)發(fā)生間隙腐蝕，雖然鈀、釕涂層提供了解決的方法，但是涂層法不具有很長(zhǎng)的壽命，提高了用戶(hù)的維修成本。JHM-3V 陽(yáng)極室在整個(gè)陽(yáng)極密封面采用了抗間隙腐蝕的鈦鈀合金材料，離子膜換膜時(shí)不需要進(jìn)行額外的防腐蝕處理，只需將密封面處理干凈，不用擔(dān)心密封面的劃傷會(huì)導(dǎo)致間隙腐蝕，大大降低了腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和維修費(fèi)用，并縮短了換膜周期。

5 JHM-3V 型膜極距離子膜電解槽的運(yùn)行情況

第7、4、6 三個(gè)回路的JHM-3V 電槽于2023 年2 月14 日、5 月14 日、8 月1 日相繼投入運(yùn)行， 第2回路更新電極的舊槽于6 月16 日投入運(yùn)行， 運(yùn)行非常穩(wěn)定，操作維護(hù)簡(jiǎn)單。

5.1 自開(kāi)車(chē)以來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量比較

經(jīng)過(guò)半年左右的運(yùn)行，JHM-3V 電槽與更換電極的舊槽產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，燒堿濃度為31.0%~32.5%，堿中含鹽量維持在25×10-6以?xún)?nèi)。 符合優(yōu)等品規(guī)格。氯氣純度在98.8%以上， 氯內(nèi)含氧平均在0.7%左右，氫氣純度為99%，JHM-3V 電槽與更換電極的舊槽運(yùn)行比較數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 改造前后產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比表

5.2 槽電壓變化

JHM-3V 電槽運(yùn)行后總體運(yùn)行穩(wěn)定， 槽電壓數(shù)據(jù)穩(wěn)定，波動(dòng)小，各槽自開(kāi)車(chē)以來(lái)電壓趨勢(shì)見(jiàn)圖1-圖4。

圖1 LG渤海R2001－MN槽電壓趨勢(shì)圖（F9010A）

圖2 LG渤海R2001－GH槽電壓趨勢(shì)圖（F9010A）

圖3 LG渤海R2001－KL槽電壓趨勢(shì)圖（F8080A）

圖4 LG渤海R2001－CD槽電壓趨勢(shì)圖（F7001）

5.3 其他運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)

由于電槽運(yùn)行比較穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)比較理想，電流效率保持在96.5%以上。 具體指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 其他運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)

6 置換過(guò)程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

6.1 嚴(yán)把新電槽質(zhì)量關(guān)，保證電槽性能的發(fā)揮

（1）公司自計(jì)劃對(duì)電解槽進(jìn)行置換改造的同時(shí)，成立了電解槽國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用項(xiàng)目組，其中有電解槽驗(yàn)收小組，在電解槽未交貨前就提前介入，進(jìn)行了相關(guān)電解槽理論知識(shí)的學(xué)習(xí)， 了解各種電解槽結(jié)構(gòu)、原理及制造過(guò)程的相關(guān)質(zhì)量控制點(diǎn)，特別是組織相關(guān)驗(yàn)收小組成員到各電解槽供應(yīng)商進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，真正做到懂結(jié)構(gòu)、懂原理、懂使用和懂維護(hù)。

（2）新電解槽到廠(chǎng)后，專(zhuān)門(mén)安排人員進(jìn)行電槽隨車(chē)相關(guān)文件接收并存檔，保證電槽在卸車(chē)、吊運(yùn)過(guò)程中無(wú)損傷，單元槽轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用架子上后，驗(yàn)收小組按預(yù)先制定的檢查方案逐片單元槽進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)電槽外觀、進(jìn)出液管嘴、密封面、陰陽(yáng)極網(wǎng)面質(zhì)量、陰陽(yáng)極網(wǎng)涂層均勻度等進(jìn)行逐一檢查驗(yàn)收。

6.2 單槽鹽水、堿開(kāi)車(chē)循環(huán)系統(tǒng)預(yù)先清洗，所有單元槽都裝假膜進(jìn)行清洗

（1）為了保證單槽開(kāi)車(chē)管線(xiàn)清潔，避免新電槽貼膜后離子膜受污染，預(yù)先對(duì)單槽鹽水、堿充液循環(huán)管線(xiàn)、貯槽進(jìn)行了清洗，并對(duì)清洗水進(jìn)行分析，直到指標(biāo)合格。

（2）為了熟悉安裝過(guò)程，確保萬(wàn)無(wú)一失，培訓(xùn)裝膜人員。 每臺(tái)槽貼真膜前都進(jìn)行了假膜安裝，對(duì)安裝了假膜的電槽進(jìn)行清洗，保證系統(tǒng)清潔，同時(shí)進(jìn)行了假膜電槽試漏， 保證了真膜安裝的一次成功率。

6.3 人員培訓(xùn)全面、技術(shù)交流周密

操作和管理人員的技能和素質(zhì)對(duì)保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行相當(dāng)重要。 管理人員和操作人員對(duì)新投入使用的電解槽、離子膜的了解和熟悉，對(duì)開(kāi)車(chē)后的穩(wěn)定運(yùn)行起到重要作用。 此外由電槽供應(yīng)商技術(shù)服務(wù)人員對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行了電槽組裝、維護(hù)、開(kāi)車(chē)運(yùn)行等方面的培訓(xùn)，與供應(yīng)商優(yōu)化開(kāi)車(chē)方案，對(duì)于技術(shù)細(xì)節(jié)和可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前細(xì)化，針對(duì)異常情況編制出處理措施，做好應(yīng)急預(yù)案。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析

本次電解槽升級(jí)維修改造后， 既使公司燒堿裝置性能得到了提升，又保障了下游氯氣的供應(yīng)，公司的生產(chǎn)裝置整體在一個(gè)高產(chǎn)穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行。 本次改造更換了3 臺(tái)電槽，1 臺(tái)電槽陰陽(yáng)極更新，這4 臺(tái)槽產(chǎn)能達(dá)到了13.8 萬(wàn)t/a，產(chǎn)能提升3.7 萬(wàn)t/a，噸堿降耗436.2 kW·h，電價(jià)按0.7 元/（kW·h）計(jì)算，直接經(jīng)濟(jì)效益每年達(dá)4 200 多萬(wàn)元。

8 結(jié)語(yǔ)

JHM-3V 型國(guó)產(chǎn)電解槽能夠在天津LG 渤海使用，同時(shí)使用了國(guó)產(chǎn)化配件，電槽在安裝、開(kāi)車(chē)、運(yùn)行時(shí)都有廠(chǎng)家技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)， 投入后運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)能達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，同時(shí)具有很高的性?xún)r(jià)比。

通過(guò)JHM-3V 近半年的運(yùn)行情況可以看出，電解槽產(chǎn)品質(zhì)量好，運(yùn)行穩(wěn)定，電耗相對(duì)較低，尤其是在電槽內(nèi)部循環(huán)和氣液分離、結(jié)構(gòu)電壓降上得到了很大的提高，電槽內(nèi)部循環(huán)更充分，濃度和溫度分布更均勻，出液更順暢，無(wú)喘流，屬于節(jié)能型電解槽。