离子膜电解槽直流电耗升高的原因及解决措施

离子膜电解槽直流电耗升高的原因及解决措施

李 明*

(中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂,山东淄博255411)

[关键词]离子膜;电解槽;直流电耗;原因;措施

[摘 要]简要分析了离子膜电解槽直流电耗升高的原因,提出了降低直流电耗的3个措施,并简要论述了这3个措施存在的问题及注意事项。

[中图分类号]TQ114.262 [文献标志码]B [文章编号]1008-133X(2010)12-0023-02

Causes of increase i n direct current cons u mption

in ion-exchange m e mbrane electrolyzers and solutions

LI M ing

(Ch l o r-A lka liP lan,t Q il u Branch Co.,SI N OPEC,Z i b o255411,Ch i n a)

K ey word s:ion-exchange m e m brane;e lectrolyzer;d irect current consum ption;cause;m easure Abstrac t:The causes of increase in direct current consum ption i n ion-exchange m e m brane electro l y z-ers w ere analyzed br i e fl y.Three m easures to decrease d irect current consum ption w ere put for w ar d,and the proble m s i n the three m easures w ere discussed briefly as w e ll as m atters need i n g attention.

1 直流电耗升高的原因

阴极效率下降、槽电压升高,都会使直流电耗升高。造成阴极效率下降、槽电压升高的原因有: 离子膜的性能下降; 阴阳电极活性涂层脱落。

2 降低直流电耗的措施

在平时的操作中适当提高电解槽的温度,降低出槽的碱和淡盐水的浓度,会在一定程度上降低槽电压,使电耗降低;但是出槽碱浓度过低反而会降低阴极效率,使直流电耗上升。从根本上降低直流电耗有3项措施: 更换离子膜; 更换阴阳极网; 将电解槽改造为零极距电解槽。

2.1 更换电解槽离子膜

离子膜运行一定时间后,单槽加酸量大幅升高,氯气纯度急剧下降,出槽淡盐水中游离氯含量、氯酸盐含量大幅升高,电解槽的温度升高,说明电解槽内副反应增多,离子膜表面鼓泡,出现大量针孔,此时可考虑更换离子膜。中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂更换离子膜前的运行数据如下:

出槽淡盐水游离氯含量1996.2m g/L;单槽加酸量575L/h;出槽碱质量分数31.21%;槽电压518V;电解槽温度88.8 。 更换离子膜后电解槽温度降低,槽电压升高(见表1)。

表1 更换离子膜前后电解槽温度和槽电压变化情况Table1 Change of te mperature of el etrol yzers a nd change of cell voltage before and after cha nges of i on-exchange me mbrane

槽号

更换离子膜前

电压/V温度/

更换离子膜后

电压/V温度/ 1#520.989.3525.388.6

2#513.689.6521.388.7

3#512.289.2523.388.9

4#514.989.6523.189.2

5#520.389.2525.788.3

电解槽温度下降是因为在运行过程中新膜强度高,从阴极侧返回到阳极的OH-少,使电解槽内副反应减少。电压升高的原因是:旧离子膜运行时间长,离子膜表面鼓泡,出现大量针孔,并且多种离子膜内部有牺牲芯材,在运行过程中牺牲芯材逐渐消失,膜电阻大幅下降;而新离子膜的强度高,膜电阻比旧离子膜大,因此槽电压升高。更换离子膜后电解槽阴极效率会显著提高。更换离子膜前直流电耗是2290.0k W h/;t更换离子膜后的直流电耗分别为(单位是k W h/t):

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第46卷 第12期2010年12月 氯碱工业

Ch l o r-A l k ali I ndustry

V o.l46,No.12

Dec.,2010

*[作者简介]李 明(1970 ),男,1991年毕业于青岛化工学院,现任中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司氯碱厂烧碱车间生产主任,从事离子膜法烧碱的生产及技术管理工作。

[收稿日期]2010-08-18

更换1台2280.8;更换2台2277.0;更换3台2267.3;更换4台2260.8;更换5台2255.5;更换6台2249.8。 可见:更换离子膜后直流电耗逐渐降低。一般离子膜的运行寿命在3.0~3.5年,因此第2次更换离子膜时就要考虑更换阴阳极电极网,这是因为阴阳极电极涂层的寿命一般在6~8年,到第2次更换离子膜时基本使用6年半左右,从开始更换极网到全部更换基本达到了电极网涂层的使用寿命。

2.2 更换电解槽的阴阳极电极

1#槽电极更换前后电压分别是535.7V和514.4V,差值为21.3V;槽温分别是89.0 和86.2 ,差值为2.8 。2#槽电极更换前后电压分别是543.5V和504.4V,差值为39.1V;槽温分别是89.6 和86.0 ,差值为3.6 。

将更换电极后投入运行的电解槽温度折算成更换前相同的温度,则电压分别比电极更换前降低了25.6V和44.8V,理论上直流电耗降低108k W h/t和190k W h/t(阴极效率以95%计算),可见更换阴阳极电极是降低直流电耗非常直接而且降低幅度可观的措施。

电极更换的标准不能简单以时间作为判断,要定期进行阴阳极电极涂层含量的分析,当涂层含量减少到一定程度,而且此时槽电压又较高时,再考虑更换电极。表2、表3是运行5年后阴阳极电极的切片分析结果(电流密度均为4kA/m2)。

表2 阳极切片分析涂层结果

T ab le2 M easured results of coating in anod e section 阳极样品切片析氯电位/mV涂层含量/%

左2302A4558.6

右2813B4245.3

平均4452.0

新电极40100

表3 阴极切片分析涂层结果

Tab l e3 M eas u red resu lts of coati n g i n cath ode sec ti on 阴极样品切片析氢电位/mV涂层含量/%

B1016左

右

180

218

27

17

平均19922

新电极12075

从表2、表3数据可知:阴极涂层含量平均为22%,阳极涂层含量相对较高为52%,阴极涂层损失较严重,这也是槽电压升高的主要原因。此时更换电极尤其是阴极显得尤为必要。

2.3 电解槽的零极距改造

零极距就是在阴极网与离子膜之间增加1层弹性网,依靠弹性网的作用进一步减小阴极网与离子膜之间的距离;又由于压差的作用阳极网与离子膜紧紧贴在一起,实现了阴极网与阳极网之间只剩1层离子膜的距离,又称膜极距。根据零极距的结构特性,阴极网与离子膜之间少了1层电解液的电阻,其电压必定减小。试验数据表明:离子膜电解槽进行零极距改造后,其单元槽电压至少能降低120~ 180mV,平均降低直流电耗100k W h/t。

3 存在的问题及注意事项

(1)离子膜的使用寿命一般在3.0~3.5年,因此在满足运行周期的前提下,就要选择既有足够强度,又有较低膜电阻的离子膜,才能达到降低电耗的目的。另外,很多种类的离子膜都含有牺牲芯材,牺牲芯材能增加离子膜的强度,但在运行后期由于牺牲芯材的消耗,离子膜的强度急剧下降,会造成膜效率大幅降低,使直流电耗大幅升高。因此建议离子膜法生产企业改进牺牲芯材的类型,确保离子膜在运行后期不会发生性能突变。

(2)同时更换阴阳极的一次性资金投入很多。通过电极涂层含量的监测分析可以看出:一般阴极侧的涂层含量降低较为明显,也是造成槽电压升高的主要原因,在此情况下能否只更换阴极电极?为此,笔者在个别电解槽进行了试验:更换离子膜时,在1个电解槽内同时更换5张阴极网和2张阳极网,其运行电压见表4。

表4 更换阴阳极网前后的运行电压

Tab le4 Runn i ng vo ltage before and after change of

anod e n ets and cathode ne ts

未换阴极单元槽0708091011平均电压/V3.38 3.383.373.413.343.376换阴极单元槽3132333435平均电压/V3.19 3.203.183.223.233.204换阳极单元槽1923平均电压/V3.32 3.353.335 新阴极网的运行电压比旧阴极网的运行电压低172mV,而新阳极网的运行电压只比旧阳极网的运行电压低41mV,由此可见更换阴极网在降低直流电耗的工作中至关重要,并且通过电极切片的分析结果也可得出应优先更换阴极电极的结论。

(3)电解槽改造为零极距后结构更加合理,可进一步降低直流电耗,成为越来越多的企业首选的技术改造方案。目前,研究零极距电解槽的企业很多,阴极电极的涂层也各有特点,涂层的配方多种多样,但是最根本的是这些涂层的配方能否经受反向电流的冲击和阳极侧反渗氯离子的腐蚀。涂层的性能和寿命直接影响到电解槽以后的运行指标和运行寿命,因此只有选择品质可靠、技术优越的阴极涂层,才能保证零极距电解槽经济、长周期的运行。

[编辑:蔡春艳]

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电 解 氯碱工业 2010年