浅论槽电压组膜极距电解槽节能效果范文

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［摘要］介绍离子膜电解槽电压的组成，包括电解质的理论分解电压、离子膜电压降、阳极过电压、阴极过电压、溶液欧姆电压降、金属导体欧姆电压降。分析了膜极距电解槽降低电耗的原因、耗电量的限度，以及改造后电流效率的变化和规模装置产生的经济效益。对电解槽膜极距改造的后序运行提出相应的注意事项。

［关键词］膜极距电解槽;槽电压;电流效率;氯碱

膜极距电解槽作为一种节能降耗的工艺，近几年得到迅速的发展，各氯碱厂纷纷进行改型。下面就电解槽膜极距改造后的运行情况谈几点体会。在对比中基于这样一个基本条件:除弹性网改变外，电解槽、膜及操作条件均是一样的。

1膜极距电解电耗低的原因

膜极距电解槽之所以能够降低电耗，是因为其以金属导体代替了溶液导电，电阻的降低导致了耗电量的减少。电解槽的槽电压由以下6部分组成:电解质的理论分解电压、离子膜电压降、阳极过电压、阴极过电压、溶液欧姆电压降、金属导体欧姆电压降［1］。从槽电压的组成可知:影响槽电压的因素包括2个方面:①结构性因素影响，包括电解槽结构、一类导体材料的导电性能、极间距大小、离子膜的结构及性能、阳极和阴极的性能等;②操作性因素的影响，包括电流密度、阴阳极液循环量、盐水中的杂质、电解液的浓度、温度和pH值、电解槽内的压力和压差。在操作因素的影响相同的情况下，可以通过改变结构性因素来改变槽电压。通过膜极距电解槽的结构可以看清一点:膜极距电解槽改造后，原来的结构不变化，但在原阴极上加一层弹性网，弹性网上面再覆盖一层阴极网。改造后，阴极网和阳极网之间的距离缩小了，两电极间距离只有离子膜厚度的距离，因为缩小而被叫做膜极距。下面对电解槽改造前后槽电压组成部分的变化情况作一个比对。(1)理论分解电压不变。(2)离子膜电压降不变。(3)阴极过电压不变。(4)阳极过电压不变。(5)金属导体的电阻不变，可以近似认为电解槽欧姆电压降不变。(6)仍存在有溶液欧姆电压降。由于改造前后电极间距离的变化，造成了改造前后溶液的欧姆电压降出现变化，距离小的数值也会小。通过上面的对比，可以这样认为:膜极距改造后，槽电压下降的原因是增加弹性网后相当于电流回路中，由原来电流通过溶液流通被通过金属流通所代替，因为金属导体的电阻要小于溶液的电阻，所以出现了电压的下降。所以膜极距电解槽省电的本质为:膜极距电解槽电压的下降主要是因为增加了阴极弹性网的原因造成的。用低电阻的金属导体代替高电阻的溶液导电，电阻的减小造成了电解槽槽电压的下降。

2膜极距电解槽省电的限度

离子膜电解槽吨碱耗电计算公式为［2］:W=1000V/1．492η。(1)根据改造方提供的数据，膜极距改造后，单元槽电压降低200mV，也是最大的贡献值。据此，可以推导出这样的结论。(1)膜极距改造后，耗电的贡献值会随离子膜电流效率的下降而上升，到换膜的后期，达到最高值。理由:根据公式(1)，在V不变的情况下，吨碱耗电量W随η的下降而升高。(2)膜极距改造后，离子膜的电流效率也会有所改变。根据旭化成提供的电流效率公式，可以判断出NCH和NCZ电解槽电流效率的差别:CE=(1－QiCi－QoCo0．373IN)×100－2×φ(H2/Cl2)－Lc。(2)式中:Qi为电解槽阳极进口流量;Qo为电解槽阳极出口流量;Ci为电解槽阳极进口浓度;Co为电解槽阳极出口浓度;φ(H2/Cl2)为氯中含氢体积分数;Lc为泄漏电流。对于同样的电流，第一项相等。泄漏电流率也是相等的，第三项也是相等的。故电流效率的差别可以通过氯中含氢体积分数找到差别。通过实际的检测值，膜极距电解槽氯中含氢体积分数一般比常规极距电解槽高0．03%左右。CE1－CE2=2×φ(H2/Cl2)2－2×φ(H2/Cl2)1=2×0．03%=0．06%。膜极距改造后，膜极距电解槽的电流效率要低于常规极距电解槽的电流效率。

3电解槽膜极距改造后，省电的数值及产生的经济效益

根据公式(1)，设改造初期电解槽的电流效率为96．5%，200mV的电压降影响的电耗为:W=0．2×1000÷(1．492×96．5%)=138．9(kW•h/t)。因为电流效率的降低，膜极距电解槽降低的电耗应在138．9kW•h/t以下。按电费0．72元/(kW•h)计，吨碱降低成本100元，则25万t/a烧碱每年产生的效益为2500万元。自发电厂按0．18元/(kW•h)计，吨碱降低成本25元，则25万t/a每年产生的效益625万元。通过实例也可以证明以上的结论。东营华泰化工集团有限公司第3期装置于2009年1月投产，使用的是NCH电解槽，双头滤压式，150个单元槽，安装旭化成F6801膜，投产初期在10．8kA电流运行72h后，升至14．85kA，槽电压为477V左右。运行近5后，于2014年12月进行了膜极距改造，使用的离子膜仍为旭化成的F6801膜，投产初期10．8kA运行72h后，电流升至14．85kA后，槽电压为456V左右，基本上和改造前的承诺值相等。

4电解槽膜极距改造后注意事项

4．1注意氯氢压差的波动，避免造成弹性体变形

根据槽电压的组成可以知道，一旦弹性网变形，不但会造成槽电压的上升，而且会因为电流密度分布不均匀对膜造成严重的危害。

4．2加强开车初期单元槽电压变化的治理

加强开车初期单元槽电压变化的治理，及时找出电压低的单元槽更换离子膜，避免以后因膜的针孔造成极网的腐蚀。由于制作的原因，弹性体不可避免地会出现线头，并且由于压差的波动而造成弹性体线头扎破离子膜而形成针孔。这种现象在开停车的操作中极易出现，因此，必须及时检查出电压低的离子膜并予以更换，以免开车后腐蚀阳极网，甚至出现大的事故。东营华泰的做法是安装单元槽电压在线检测装置。在系统开车送电后，注意检查发现槽电压比较低的单元槽。随着电流的升高，如果单元槽的槽电压能够快速跟上去，那么此次膜可以不换;如果单槽电压跟上的速率较慢，电流升到3kA时，槽电压比正常电解槽槽电压低一定的数值，稳定一段时间后没有缩小的情况，那么此单元槽的膜必须更换。前期电压能够跟上的膜，在下一次停车时一定要更换。通过正常开停车换膜数量的对比发现，NCH电解槽基本没有更换膜，而NCZ电解槽每次开停车均有十几张膜要更换。即使在查看电解槽压差的趋势非常平稳的情况下，NCZ电解槽的更换比例在1%左右。对更换下的槽电压较低的膜进行研究后，能够得出是开停车过程中出现的弹性体线头扎破膜的结论。依据为在亮光下能够发现明显的针孔，针孔四周没有任何异常现象，阳极网没有腐蚀的痕迹。

4．3新装置开车注意事项

对于新装置的开车运行，建议先使用常规极距电解槽，且由实际经验丰富的职工进行操作。使用常规极距电解槽的目的在于确保生产的安全性，待操作人员熟练后再改为膜极距电解槽。毕竟在目前膜极距电解槽中还存在待改善的部分，存在一定的安全隐患，而安全的影响往往是决定性的。

4．4停车时严格遵守置换要求

由于阴极和膜的紧密接触，要严格遵守停车时的置换要求以及长时间停车膜湿润时阴极液浓度的要求，避免Ni污染离子膜。提出此条的目的在于操作时一定要严格遵守操作规程，避免污染离子膜，毕竟烧碱生产中离子膜数量太多并且价格也非常高。

参考文献

［1］王德江．离子膜电解中槽电压的影响因素［J］．氯碱工业，2005(3):15－17．

［2］邢家悟．离子膜法制烧碱操作问答［M］．北京:化学工业出版社，2009:61－62．

作者:曹战龙 郭新忠 单位:东营华泰化工集团有限公司