N C H电解槽零极距改造方案优选

何冠平，王辛成

（山东铝业公司氯碱厂，山东淄博255000）

山东铝业公司氯碱二期采用日本旭化成公司生产的NCH型自然循环高电密电解槽，装置于2008年6月投产，到2013年6月已运行5年，在4.5 kA/m2负荷下槽电压升高到3.18 V，电流效率下降到91%左右，离子膜需要更换。为提高市场竞争力，该企业决定利用此次更换离子膜的机会一并进行零极距改造。

1 改造时机的选择

NCH电解槽虽已运行5年，除电流效率较低外，电解槽运行状态比较平稳，不需要立即改造。选择什么时机进行改造，主要原则是便于快速组织，使企业利润影响、市场客户影响等降到最低程度。

从企业生产经营效益方面考虑，改造时间要利用市场淡季。山东氯碱的市场变化有一定的规律可循，分析山东铝业公司氯碱厂近几年以来的氯气、液碱（32%NaOH）市场价格变化规律可以看出，液氯产品市场价格，每年的1月、2月和7月、8月是传统的市场淡季，液碱价格除2010年11月上升明显外，其余时间年度内变化不大。液氯市场晚冬早春的淡季，主要受春节和冬季气温低影响，盛夏的淡季主要受夏季高温和农药、溴素等耗氯行业停减产影响，深入分析液氯价格变化规律发现盛夏的淡季比晚冬早春的淡季市场更差，所以应选择盛夏淡季实施改造。

从外围环境对改造质量、进度方面的影响考虑，晚冬早春，特别是春节前后，受节日影响，企业和电极改造企业的员工思想均会产生波动，不利于提高工作质量；电极的运输、其他备件的供应、极化整流设备的调试等方面工作的组织、协调的难度和不确定性增加，会对改造进度造成影响。而在夏季，这方面的影响要低得多。

从垫片安装质量、离子膜安装质量方面考虑，夏季比冬季气温高更有利于保证工作质量。但盛夏季节，天气本就炎热潮湿，两侧的电解槽又处于运行状态，在电解厂房内进行电解槽的拆除安装等工作，必须要做好防中暑等安全工作。在电解厂房内施工的过程中，可采取人员轮流作业，加强通风，供应冷饮等措施，克服气温高的困难。

综合考虑上述因素，利用盛夏季节市场淡季，选择7月初至8月末，60天左右的时间，采取好防中暑安全健康措施，即可实现以最低的停产代价获取最大的经济效益。

2 NCH电解槽阴阳极改造方案选择

山东铝业公司氯碱二期NCH电解槽运行到接近5年时间时，在4.5 kA/m2负荷下，槽电压达到3.18 V，电流效率下降到91%左右。此时进行离子膜更换，有3种方案供选择。

A方案：只更换离子膜和垫片。

B方案：更换离子膜、垫片同时阴极进行零极距改造，因为阳极保证寿命为8年，预计10年，目前仅用了5年，待下次换膜时再进行重涂。这样，本次投资较少，但所带来的问题是下一期离子膜更换时，阳极需要重涂，而阴极保护难度大；

C方案：更换离子膜、垫片、对阴极进行零极距改造同时进行阳极重新涂层，以便阴阳极更新步骤一致起来，下一期离子膜更换时仅更换离子膜即可，但浪费了阳极涂层寿命，且本次投资高。

对上述3种方案从投资、停产损失和综合效益等方面进行比较。

每整台电解槽150台单元槽，垫片和胶黏剂按每整台8.4万元计，离子膜按165万元计，阳极重新涂层按165万元计，阴极零极距改造按145万元计，新离子膜对槽电压的贡献按100 mV计，新离子膜3年平均电流效率按94%计。5整台电解槽折百烧碱年产量按10万t计（每整台每年折百烧碱产量按2万t计），含税电价按0.67元/kW·h计。

2.1 A方案

每整台投资：165万元 （离子膜费用）+8.4万元（垫片、胶黏剂和防粘计费用）=173.4万元。

改造前标准电流密度下槽电压3.18 V，改造后按3.08 V计。

电解电耗公式[2]：W=Qv/1 000 η，（η 为电流效率，Q=670.2 kA·h）

改造后比改造前降低电解电耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×3.08/0.94=2 342.0-2 195.9=146.1（kW·h/t）

每整台电解槽3年合计总效益（与B、C方案相比，可设定A方案产量损失为零）：

2×3×146.1×0.67-173.4=413.92（万元）。

2.2 B方案

每整台投资：165万元 （离子膜费用）+8.4万元（垫片和胶黏剂费用）+145万元（阴极零极距改造费用）=318.4万元

阴极进行零极距改造，与不进行改造比，电压降低贡献3年平均按100 mV计，加离子膜的电压降贡献，3年平均合计200 mV，改造后标准电流密度下槽电压按2.98 V计。

改造后比改造前降低电解电耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×2.98/0.94=2 342.0-2 124.6=217.4（kW·h/t）

B方案与A方案比，每整台电解槽多停产10天，由于处于淡季亏损季节，根据“避峰填谷”弹性生产组织方案，“平段”和“峰段”期间，5台电解槽运行和4台电解槽运行的总负荷可以调整为总负荷相同，即5台电解槽运行时平均电流控制在8 kA；1台改造，4台运行时，每台电解槽平均电流控制在10 kA，则总产量相同。但在“谷段”时，电价低，电解槽负荷越高经济效益越好，在改造的10天内，整台电解槽每天实际影响产量8 h（谷段时间），共影响产量80 h，影响折百烧碱产量1 000 t，效益损失5万元。

B方案每整台电解槽3年合计总效益：

2×3×217.4×0.67-318.4-5=550.55（万元）。

2.3 C方案

每整台投资：165万元 （离子膜费用）+8.4万元（垫片和胶黏剂费用）+145万元（阴极零极距改造费用）+150万元（阳极重涂费用）=468.4万元

阴极进行零极距改造，与不进行改造比，电压降低贡献3年平均100 mV。

阳极进行重涂，因为旭化成公司的原装阳极仅使用了4年，基本没有变化，此次进行重涂，仅仅为了阴阳极更新时间一致起来，对槽电压降低没有贡献。

改造后比改造前降低电解电耗：

670.2×3.18/0.91-670.2×2.98/0.94=2 342.0-2 124.6=217.4（kW·h/t）

产量影响方面，C方案与B方案相同，均比A方案多停产10天，同样执行淡季“避峰填谷”弹性生产组织方案，影响折百烧碱产量1 000 t，效益损失5万元。

C方案每整台电解槽3年合计总效益：

2×3×217.4×0.67-468.4-5=400.55（万元）

比较 A、B、C 3种方案 3年经济效益，A方案413.92万元，B方案550.55万元，C方案400.55万元。可见，B方案效益最好，投资比C方案低150万元，并可使企业快速降低生产成本，不利因素是下一期阳极重涂时阴极保护困难。经综合平衡，认为B方案可使企业争取3～5年行业比较优势。所以，选择B方案。

3 抑制停产时反向电流方案的选择

无论紧急停车还是计划停车，停止供电后，由于电解质的作用，电解槽会立即形成原电池，产生反向电流，对阴阳极涂层和离子膜造成损伤。抑制停产时反向电流的方案主要有施加极化电流法和C-DCDS断路器法。C-DCDS断路器，进口日本产品需要投资20万元，而极化整流柜，国产的已经非常成熟，投资不高于8万元。另外，该企业对极化整流装置已有10年的管理使用经验，2005年一期装置伍迪公司电解槽就设置了防止反向电流的极化整流柜，而且对电解槽保护方面的使用效果良好。从节省投资和使用经验方面考虑，选择了配套极化整流的方案，与C-DCDS法相比，5套电解槽节省投资六十余万元。

4 离子膜型号的选择

目前，氯碱行业所用离子膜中比较成熟先进的是旭化成公司的F6801、杜邦公司的N-2030和旭硝子公司的F-8080。对旭化成NCH电解槽进行零极距改造，F6801型离子膜是首选，但是，N-2030和F-8080也是成熟的。为了降低投资，并进一步检验这3种离子膜的比较性能，为今后的离子膜选择提供可靠依据，对5整台电解槽中的3整台选择使用了F6801离子膜，另外2台分别使用N-2030和F-8080。

5 结语

通过方案的优化选择，充分利用生产经营淡季，从全厂各岗位抽调20名员工，组成零极距改造小组，克服天气炎热和电解厂房内高温施工等困难，统筹协调电极改造、极化整流柜改造调试、离子膜和电解槽零部件供应等各个环节进度，用56天的时间，总投资1 400万元，完成了5台（750台单元槽）的零极距及配套改造工作，各台电解槽一次开车成功，达到了预期效果，72 h考核期间，标准电流密度下，单元槽电压平均2.95 V，比改造前降低电解电耗261 kWh，年化效益1 460余万元。

［1］欧阳玉霞，何冠平，咸立颖.“避峰填谷”弹性生产运行模式在氯碱生产中的应用，中国氯碱，2015，（2）：14-16.

［2］陆忠兴，周元培.氯碱化工生产工艺，氯碱分册，化学工业出版社，1994年版，34-35.