电解槽电压持续上升的原因及控制措施

段海燕，丁少荣，吴维宏，田小春，童刚

(内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016064)

电解槽电压持续上升的原因及控制措施

段海燕*，丁少荣，吴维宏，田小春，童刚

(内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016064)

烧碱；电解槽；槽电压

以30万t/a离子膜复极电解槽为例，分析电解槽槽电压持续上升的原因有：盐水中含杂质多，槽压差高，氯氢压力变化频繁，电解槽温度高，淡盐水pH值大于2，盐水浓度及碱浓度超标，涂层脱落等。提出相应的控制措施，控制电解槽电压上升，延长了离子膜使用寿命，降低了直流电消耗。

电解槽电压是氯碱离子膜电解装置运行性能的一个重要指标，槽电压的高低直接影响到电耗和成本[1]。槽电压主要由电流密度决定，还有盐水品质、气相压力及氯氢压差、淡盐水pH值、盐水浓度、碱液浓度、电解槽温度等工艺条件也是槽电压的重要影响因素。下面就内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司(以下简称“鄂尔多斯电力”)槽电压升高的情况进行分析和探讨。

1 槽电压数据

鄂尔多斯电力30万t/a离子膜法烧碱装置采用的是氯工程N-BiTaC890电解槽，前期均用杜邦N-2030离子膜，分2套系统。第1套系统于2012年11月2日送电，第2套系统于2013年7月28日送电，生产一直比较稳定。第1套系统于2016年9月整体更换离子膜。

鄂尔多斯电力电解槽电压在2016年9月底检修后呈明显上升趋势，槽电压数据如表1所示。

表1 检修后电解槽电压变化趋势Table 1 Change trend of cell voltage after main tenante of electrolyzers V

续表1

从表1可以看出：从开车到2017年2月，第1套系统槽电压上升了13.6 V，单元槽电压平均上升0.07 V；第2套系统槽电压上升了 13.2 V，单元槽电压平均上升0.072 V 。

2 原因分析

2.1 盐水中的杂质

鄂尔多斯电力的盐水品质分析结果虽然显示各杂质含量没有超标，但是在检修后，2016年10月初因废水池维修，使用临时废水槽，进入配水槽的再生废水没有经过中和就送到了配水槽，使化盐水的pH值波动较大，进而造成盐水中的金属离子波动较大，尤其是Al3+和硅含量超标。并且在12月底至2017年1月，由于进场原盐品质差，按真空盐与再生盐质量比为1∶1配制原盐。再生盐中的Mg2+较多，Ca2+、Mg2+比例失调，造成盐水中的金属离子浓度波动幅度较大，导致槽电压上升。

鄂尔多斯电力严格管控再生废水品质，要求在排酸时开始给废水池中加碱，每0.5 h测1次泵出口的pH值，再生时增加了配水过碱量的分析频率，并将2#折流槽的pH计取样点改至进前反应之前，及时监控过碱量。同时用酸清洗三氯化铁管道，保证了FeCl3的加入量。增加了ICP的分析频率，而且分不同点、在不定取样时间进行了取样分析。同时联系旭化成帮助分析盐水，ICP结果显示没有异常。在此期间曾2次让旭化成将盐水带回分析，显示盐水中碘超标。

2.2 槽压差的影响

鄂尔多斯电力在原始开车期间，因整流原因跳停频繁，造成紧急连锁停车次数较多。理论上来说每次跳停后投入极化电流，都是对电解槽涂层及离子膜的损伤。随着电解槽运行至后期，前期的跳停影响会越来越明显。 日本旭化成专家来进行技术交流时，根据鄂尔多斯电力的槽电压情况，指出目前第2套系列槽电压上升的原因很明显是多次停车，极化整流投入，造成了单元槽中部电压高、两边低的现象；并随着运行时间的延长，逐步向两边扩散，证明电解槽涂层已经受到损伤。

2.3 氯气、氢气压力的变化

在电解过程中，电解槽阳极区产生氯气、阴极区产生氢气，气泡对槽电压有一定影响。目前情况是：一方面通过在离子膜的羧酸层和磺酸层增加涂层，或机械打磨使离子膜表面粗化，进行亲水性处理，使氯气、氢气气泡较少地粘连在膜上，消除气泡效应对槽电压的影响；另一方面，在工艺控制中尽可能控制氯气、氢气压力，使气泡体积缩小，达到降低槽电压的目的。每增加5 kPa的气相压力，可降低0.010 V的槽电压。

在生产中，鄂尔多斯电力的氯、氢压力一直是定值，氯气20 kPa、氢气25 kPa，不曾波动。

2.4 电解槽温度

一般电解槽温度在90 ℃以下时，槽温每升高1 ℃，槽电压降低约0.010 V[3]。 鄂尔多斯电力在18 kA时，槽温一般控制在87～88 ℃，没有大的变化 。

2.5 淡盐水pH值

淡盐水pH值大于2时，逐步提高加酸量，会导致槽电压轻微升高；当pH值小于2时，过量的酸会导致膜的酸化，羧酸层发生氧化收缩，羧酸层磺酸层剥离，槽电压急剧升高。鄂尔多斯电力出槽盐水pH值一直在4～5之间，没有超出范围；进槽盐水所加淡盐水的pH分析结果一直在1.8～2.5之间，进槽混合后的盐水一直在跟踪分析， 现逐步增加加酸量，以降低氯酸盐含量。但为了保证进槽盐水的pH值，鄂尔多斯电力定期分析混合后的进槽盐水pH值，以保证进槽盐水的pH值稳定。

2.6 盐水浓度、碱浓度

盐水浓度和碱浓度的变化都会影响离子膜内含水率，从而影响槽电压。淡盐水中氯化钠质量浓度一般控制在200～220 g/L。偏高时会导致膜收缩，离子膜含水率降低，槽电压升高；偏低时(小于170 g/L)，水会经磺酸层迁移到羧酸层，因羧酸层比较薄使膜内形成水泡，长时间则造成离子膜破损。

鄂尔多斯电力的出槽淡盐水浓度一直控制在指标范围内。

一般认为，烧碱质量分数每变化1%，影响槽电压0.014～0.030 V。烧碱浓度过高时，不但不利于生产的经济性，也会使离子膜发生收缩，槽电压升高。随着运行时间的推移，离子膜性能发生劣化，要逐步调整阴极液的补水以保持烧碱质量和稳定的槽电压。现阶段为了稳定槽电压，将碱液质量分数调整到了31%～31.5%。

2.7 涂层脱落

开车至今，鄂尔多斯电力的阴极涂层脱落较严重，厂家解释说是正常现象。2015年5月，给厂家返回了3个单元槽，厂家对单元槽进行了电极电位的检测分析，也说没有问题。与相同型号的电解槽用户联系，均说没有鄂尔多斯电力电解槽阴极涂层脱落的严重；并且整体更换膜后，新增加的单元槽电压上升的较慢，而旧单元槽新膜的槽电压上升较快，说明涂层脱落对槽电压的影响较大。

2.8 电解槽超负荷运行

原始设计运行电流18 kA，电流密度达到5.5 kA/m2，但实际运行电流为18.6 kA，持续高负荷生产，造成槽电压升高幅度高于预期值。

3 控制措施

(1)分析结果确认。联系旭化成对换膜后的电解槽运行数据进行分析,确认槽电压上升是否正常。

(2)在换膜期间联系了旭化成公司来现场对单元槽的涂层进行分析，阴极涂脱落较严重，7-1#单元槽的阴极端板涂层仅有20% 。

(3)定期增加ICP的分析频率，严格控制好盐水的质量。

(4)进槽盐水和纯水的加入量要稳定，不轻易进行调整，但要严格控制好出槽的盐水质量浓度不低于190 g/L。

(5)控制好FV-2005的加酸量，定期核对仪表和分析之间的pH计，防止进槽盐水的pH值过低。

(6)将鄂尔多斯电力的运行数据与周边同类型电解槽的运行数据进行对比，寻找差异，找出原因。

(7)建议加装钙镁离子在线检测仪，对进槽盐水的金属离子随时监控。

4 结语

离子膜法烧碱槽电压的控制是延长离子膜寿命的重要指标，对电解直流电消耗影响大，直接关系烧碱的生产成本，因此，在生产过程对于工艺指标的精细化控制尤为重要。

[1] 程殿彬.离子膜法烧碱生产中曾发生的问题及解决办法[J].氯碱工业，2012，48(2)：12-18.

[2] 黄蔷蕾,呼世斌.无机及分析化学[M].北京:中国农业出版社,2004:129-132.

[3] 张伏华，徐建博，许生峰，等.膜极距电解运行的相关要求[J].氯碱工业，2015，51(5):21-23.

[编辑：蔡春艳]

Causes of cell voltage rising steadily and control measures

DUANHaiyan,DINGShaorong,WUWeihong,TIANXiaochun,TONGGang

(Inner Mongolia Erdos Electric Power Metallurgy Group Co., Ltd., Erdos 016064, China)

caustic soda; electrolyzer; cell voltage

Taking 300 thousand t/a ion membrane bipolar electrolyzers as example, the causes of continuous rise in cell voltage were analyzed,including too many impurities in brine, high cell pressure difference, frequent fluctuation of chlorine/hydrogen pressure, high cell temperature, greater than 2 of pH value of depleted brine, out of limits of brine concentration and alkali concentration,loss of coating, and overload operation of electrolyzers. Corresponding control measures are put forward to control the rise of the electrolytic cellvoltage. As a result, the service life of the ion membrane prolongs, and the consumption of the direct current reduces.

段海燕(1974—)女，助理工程师，毕业于内蒙古工业大学，现担任内蒙古鄂尔多斯电冶集团化工事业部PVC公司烧碱分厂电解装置长

2017-02-02

TQ114.262

B

1008-133X(2017)06-0018-03