離子膜電解槽的改造運(yùn)行總結(jié)1電解槽結(jié)構(gòu)堿裝置安裝了18臺ZMBCH-2.7高電流密度自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽，單臺能力為2萬t/a。該類型單元槽由陰陽極半殼、離子膜和mm×1310mm×41mm,陽極片為百葉窗式，在陽極半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在陰、陽極半殼內(nèi)各配1根插入單元槽上部的溢流管作為在陰、陽極網(wǎng)上平均分布68根F4間隔條(尺寸為286mm×8mm圖1電解單元槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖ZMBCH-2.7型自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽由若干個獨(dú)立的單元槽懸掛在電解槽架上構(gòu)成，通過壓緊螺栓將各單元槽壓緊在槽架的固定板上。入電解槽的鹽水支管、堿液支管在槽架固定板的兩側(cè)，堿液總管、淡鹽水總管安裝在電解槽的下方，每臺電解槽配有146個單元電解槽安裝示意圖見圖2。圖2電解槽安裝示意圖2電解槽運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及改造措施2.1電解槽電流效率低2.1.1電流效率計算方法離子膜電解槽電流效率(電流效率定義：電解槽的實(shí)際燒堿產(chǎn)量與理論燒堿產(chǎn)量之比)是評價離子膜電化學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，也是判定電解槽經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況的主要依據(jù)。離子膜電解槽電解反應(yīng)的基本原在離子膜電解槽陽極室(圖3左側(cè)),鹽水在離子膜電解槽中電離成Na和Cl,其中Na在電荷作用下，通過具有選擇性的陽離子膜遷移到陰極室(圖3右側(cè)),留下的Cl在陽極電解作用下生成氯氣。陰極室的H?O電離成為H和OH,其中OH被具有選擇性的陽離子擋在陰極室與陽極室過來的Na結(jié)合成為產(chǎn)物NaOH,H在陰極電解作用下生成氫氣。圖3離子膜電解槽電解反應(yīng)的基本原理示意圖電解槽的電流效率一般采用含氧法和產(chǎn)量法進(jìn)行計算，兩種方法計算差別比較大。含氧法受分析環(huán)境、個人誤差、儀器誤差等影響，誤差較大，如：氯含氧值波動1%時，電流效率相差2%;產(chǎn)量法計算時需要統(tǒng)計準(zhǔn)確堿產(chǎn)量。(1)含氧法電流效率計算公式：(2)產(chǎn)量法電流效率計算公式：2.1.2針對電流效率低進(jìn)行的改造電流效率與電解槽陽極液相系統(tǒng)的pH值密切相關(guān)。改變當(dāng)前加酸不均衡的現(xiàn)狀，通過研發(fā)精確有效的加酸模式既能提高離子膜的電的加入量，降低鹽酸單耗。金川化工離子膜燒堿裝置單元槽電壓靠人工測量，不能及時準(zhǔn)確地判斷電解槽的運(yùn)行狀況并有效指導(dǎo)生產(chǎn)。開發(fā)并應(yīng)用電解槽的數(shù)字化診斷系統(tǒng)和槽電壓監(jiān)測模塊，利用計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控單元槽電壓的實(shí)施數(shù)據(jù)，以保證電解槽長期在最佳的低電壓狀技術(shù)人員通過跟蹤鹽水pH值及其與電流效率的變化趨勢，經(jīng)過不斷摸索，研發(fā)了一種自動化程度較高、大幅減少陽極液副反應(yīng)、延長離子膜使用壽命的新型加酸技術(shù)。該技術(shù)縮短了升降負(fù)荷期間鹽酸流量的調(diào)整時間，加快了操作速度，減輕了勞動強(qiáng)度。電解槽陽極液pH值階梯式自動調(diào)控工藝流程如圖4所示。1—鹽水高位槽；2—淡鹽水循環(huán)槽；3—稀鹽酸儲罐；4—離子膜電解槽；5—管道混合器；6—淡鹽水輸送泵；7—鹽酸輸送泵；8—pH計；9—加酸自動閥；10—電解槽出口淡鹽水pH計；11—自動閥；12—鹽水流量計；13—鹽水自動閥。圖4電解槽陽極液pH值階梯式自動調(diào)控工藝流程圖將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%的鹽酸用泵輸送至稀鹽酸儲罐3,聯(lián)鎖加純水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%左右的稀鹽酸，通過鹽酸輸送泵7進(jìn)行電解槽陽極液兩級加酸操作。鹽水高位槽的飽和精鹽水與淡鹽水循環(huán)槽中的含氯淡鹽水按照流量比6:1混合后加入稀鹽酸，依靠管道混合器5的充分反應(yīng)，將pH值為9~11的堿性鹽水初步調(diào)整為pH值為5~7的弱酸性鹽水；一次加酸后的鹽水在單臺電解槽入口繼續(xù)加入稀鹽酸維持電解槽出口淡鹽水pH值在2.5~3。正常生產(chǎn)時，由于精鹽水管道為鈦管，直接添加31%鹽酸會腐蝕鈦材，當(dāng)鹽水中含有適量游離氯將大大降低槽1流出的精鹽水與淡鹽水輸送泵6送出的富氯淡鹽水混合，通過pH計8與加酸自動閥9的聯(lián)鎖調(diào)整及管道混合器5充分反應(yīng)后，堿性鹽水初步調(diào)整為弱酸性鹽水；然后在離子膜電解槽4入口利用自動閥11加入稀鹽酸，通過三道彎頭及槽頭過濾器的混合作用，達(dá)到出槽鹽水pH計10穩(wěn)定控制在2.5~3的目的，從而實(shí)現(xiàn)加酸過程的穩(wěn)定和操作的便利。電解槽陽極出口pH值實(shí)測值如表1所示，此時電流效率為表1電解槽陽極出口pH值實(shí)測值日期日期日期2.2單元槽電壓高2.2.1標(biāo)準(zhǔn)槽電壓的計算標(biāo)準(zhǔn)槽電壓是指電解槽內(nèi)相鄰陰陽極之間的電壓降，此數(shù)值可用直流電壓表測出。當(dāng)電解槽在不同負(fù)荷下運(yùn)行時，為便于觀察電解槽單槽電壓升降趨勢變化，取10.8kA時電壓作為標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。其具體計算公式如下：式中：E?為電流I?時的槽電壓，V;E?為標(biāo)準(zhǔn)電流I?時的槽電隨著電解槽運(yùn)行時間的延長，直流電耗會逐漸升高。離子膜從投入使用到使用結(jié)束，單元槽標(biāo)準(zhǔn)電壓從2.85V升至3.28V(見表2),電流效率從97%降至93%左右，直流電耗變化情況計算如下。(1)新膜運(yùn)行初期，標(biāo)準(zhǔn)槽電壓為2.85V,電流效率為97%,電化當(dāng)量為1.492g/(A·h),直流電單耗為：2.85÷(1.492×97%)×1000≈1969(2)電解槽運(yùn)行至后期(離子膜使用壽命結(jié)束時),標(biāo)準(zhǔn)槽電壓上升至3.28V,電流效率降至93%左右，則直流電單耗為：3.28÷(1.492×93%)×1000≈2表22019—2022年離子膜電解槽標(biāo)準(zhǔn)槽電壓統(tǒng)計表2月3月4月5月6月8月9月10月11月12月通過以上計算可以看出：離子膜使用期間噸堿直流電耗從1969kW·h上升至2363.9kW·h,上升了394.9kW·h。因此，控制較高的電流效率和較低的槽電壓是離子膜電解槽經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要手段。金川化工離子膜燒堿系統(tǒng)每臺電解槽安裝146個單元槽，采用人工測量電壓方式，槽電壓變化趨勢無法及時反映在DCS控制系統(tǒng)，給電解槽的安全運(yùn)行造成極大隱患；同時，離子膜燒堿電解槽采用10組單元槽共用1臺電壓測定診斷裝置，該方式適用于長期高負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)位差失真，無法及時準(zhǔn)確掌握電解槽運(yùn)行參數(shù)并定位發(fā)生故障的離子膜或單元槽的具體位置，也不能根據(jù)準(zhǔn)確的槽電壓反映離子膜的性能(電流效率),亦無法使操作人員采取正確的系統(tǒng)調(diào)整手段。2.2.2單元槽電壓偏高時的聯(lián)鎖保護(hù)金川化工依據(jù)18臺電解槽運(yùn)行情況和多年的操作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過大量的資料搜索收集及長期的摸索實(shí)踐，將單元槽精細(xì)化控制與電解槽系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)結(jié)合，研發(fā)了離子膜電解單元槽數(shù)字化診斷系統(tǒng)。利用計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)監(jiān)控槽電壓的實(shí)時數(shù)據(jù)，確保電解槽長期處于最現(xiàn)終端槽電壓耗能的科學(xué)管理和有效利用。當(dāng)電解槽處于開車、停車、負(fù)荷調(diào)整等操作條件時，單元槽電壓而該系統(tǒng)的應(yīng)用可及時判斷上述狀況并采取相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)，保證了電解槽的長期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行(較高的電流效率、較低的槽電壓),延長了離子膜的使用壽命，降低電解槽管理及維護(hù)費(fèi)用、人工成金川化工最終選擇1臺離子膜電解槽建立單元槽電壓監(jiān)控、通信與工藝指標(biāo)聯(lián)鎖控制結(jié)合的自動化試驗(yàn)，以此為其他17臺電解槽使用積累經(jīng)驗(yàn)，提供更完善的槽電壓監(jiān)控技術(shù)。(1)經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員計算，系統(tǒng)研究應(yīng)用了共模電壓可達(dá)的低電壓測試模塊(1~4VDC),提高單元槽電壓的準(zhǔn)確性。(2)進(jìn)行單元槽電壓變化和離子膜出現(xiàn)針孔的數(shù)據(jù)變化的研究，選擇經(jīng)濟(jì)高效的單元槽電壓測試設(shè)備，對單元槽電壓異常變化以及對現(xiàn)有離子膜的影響進(jìn)行試驗(yàn)。為增強(qiáng)整個生產(chǎn)設(shè)備的安全穩(wěn)定性，在DCS控制回路中設(shè)置聯(lián)鎖、警告投用開關(guān)，當(dāng)在線使用的離子膜電解掌握電解槽系統(tǒng)在負(fù)荷變化時單元槽框槽電壓的變化趨勢。(3)精確監(jiān)測整個電解槽電壓。計劃停車)時計算的標(biāo)準(zhǔn)電壓繪制單元槽電壓變化曲線，以此為依據(jù)計算電解槽的電流效率。系統(tǒng)控制邏輯圖見圖5,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖6,單元槽電壓信號與DCS的連接方式見圖7。離子膜電解槽通過上述自動化試驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)效果，可以推廣到所有電解槽。目前金川化工已根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對電解槽單元槽電壓監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理和判斷控制條件做了一些優(yōu)化，優(yōu)化后應(yīng)用到其他17臺電解槽上。通過對槽電壓在高電流密度下的變化趨勢進(jìn)行性能研究，應(yīng)用了槽電壓在線監(jiān)測模塊，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)離子膜破損、泄漏等異常情況，實(shí)現(xiàn)了對離子膜電解槽電壓的精確穩(wěn)定監(jiān)測，槽電壓平均下降了0.05V,離子膜電流效率提高了0.87%,噸堿直流電耗達(dá)到氯堿工業(yè)清潔生產(chǎn)一級水平。電解工序電解工序化驗(yàn)室數(shù)據(jù)化驗(yàn)室數(shù)據(jù)槽圖5系統(tǒng)控制邏輯圖QP50(ENC)OP51QP52OP53集聯(lián)檢測控制站圖6系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場控制站IO柜系統(tǒng)冗余中央圖7單元槽電壓信號與DCS的連接方式(4)對槽電壓檢測制作了專用的偏差報警軟件功能塊。由于電壓和電流并非線性關(guān)系，在功能塊中還考慮了電解槽前后不同區(qū)域溫度、壓力及流量等因素的差別，根據(jù)不同的電流及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行偏差報警。在開車升電流的過程中，偏差報警功能塊能及時準(zhǔn)確定位發(fā)生故障的電解槽，不需要操作人員到電解槽現(xiàn)場通過電壓表對每個單元槽進(jìn)行測量，避免了人工測量造成的誤差，縮短了開車時間，大大提高了開車效率。槽電壓出現(xiàn)嚴(yán)重異常時可啟動聯(lián)鎖保護(hù)系地避免了損失。2.3電解槽壓差控制不穩(wěn)定2.3.1原有電解槽壓差控制存在的問題離子膜電解槽運(yùn)行時都是陰極室壓力大于陽極室壓力，其目的是讓離子膜緊貼著陽極。其主要原因如下。電解