氧阴极电解槽运行情况总结

王梦楠，董红波，朱建勇，闫进福，马龙强

（滨化集团股份有限公司，山东 滨州 256600）

滨化集团股份有限公司（以下简称滨化集团）与伍德迪诺拉公司于2013年12月16日签署了项目引进合同，率先引进氧阴极生产装置。2015年8月底电解槽组装完毕，后经工艺、仪表、电气等各部门的联合调试，于2015年11月7日一次性开车成功。氧阴极装置共有2台电解槽，每台烧碱生产能力为2万t/a。氧阴极装置的盐水系统、氯气处理和淡盐水脱氯处理与该公司18万t/a零极距离子膜烧碱装置共用，氧阴极装置需要的氧气来源于公用界区的深冷空分装置[1]。

截止到2018年6月，氧阴极装置已经成功运行31个月，下面针对氧阴极装置的运行做一个总体的介绍。

1 装置简介

1.1 技术厂家

伍德迪诺拉公司。

1.2 反应原理

氧阴极电解槽具有特殊的阴极（ODC），在直流电的作用下，将氯化钠、氧气和水进行电解，生产制得32%的液碱和氯气。阳极室内氯化钠在水中电离，阳极反应的基本原理是阴离子Cl-被氧化生成Cl2，阴极反应的基本原理是O2和H2O被还原生成OH-。整个电化学反应概括如下。

4NaCl+O2+2H2O→4NaOH+2Cl2↑

1.3 重要设备

氧阴极装置重要设备表见表1。

表1 氧阴极装置重要设备表

1.4 氧阴极电解槽

滨化集团有2台氧阴极电解槽，每台电解槽均由162个伍德复极BM2.7-ODC离子膜单元槽组成，正常运行电流密度为4．0 kA/m3，每台电解槽分成2节槽框。

单元槽由阳极半壳、阴极半壳、离子膜及密封系统组成。其中，阳极半壳组成包括电极、降液管、挡板、排液管及进料分歧管。阴极半壳组成包括氧阴极、过滤网、弹性元件、电流分配器、阴极液进料分歧管及氧气进料分歧管等。密封系统通过两条PTFE密封线，保持阴、阳极半壳与离子膜间的密封性。

2 工艺流程

从盐水二次精制工序来的精制盐水经换热后进入精盐水高位槽，经流量控制阀进入各电解槽的阳极半壳；从阴极液罐出来的32%碱液加入纯水后经流量控制阀进入到阴极半壳；从深冷空分装置出来的氧气经流量控制阀进入阴极半壳的氧阴极侧；电解槽在直流电的作用下发生氧化还原反应，阳极侧生成的淡盐水和氯气进入阳极液汇总管；氧气通过氧阴极进入阴极与水电离成氢氧根离子，多余的氧气从氧阴极侧上部溢出，阴极侧生成的氢氧化钠流到汇总管。

与零极距电解槽相比，氧阴极电解槽改变了阴极侧的电化学反应，通过消耗氧气制备32%烧碱，降低了反应的电解电位，使阴极不再产生氢气，同时也大大降低了电解耗电[2]。

3 在线监控系统

滨化集团氧阴极项目设计安装了伍德评估器系统，该系统为电解装置的在线监控系统，通过如下功能可以实现对每个单元槽乃至整个电解厂房进行自动监控和分析。

（1）以1次/s的频率测量所有单元槽的槽电压；

（2）在主控室显示所有单元槽槽电压；

（3）显示所有槽电压偏高以及偏低（针孔检测）的单元槽槽电压情况；

（4）通过“双电压表方法”监测直流电接地故障；

（5）显示所有单元槽槽电压趋势；

（6）异常报警；

（7）对电流电压曲线进行计算和显示，以便总结离子膜及涂层状况；

（8）基于评估器采集的电压值、DCS采集的工艺值以及化验室化验结果，对单台电解槽乃至整个电解厂房的单元槽标准槽电压、电流效率以及电耗情况进行评估。

当伍德评估器检测到电解槽运行故障后，可直接向紧急停车系统（ESD系统）发送停车信号，确保装置的安全运行。

4 电解槽运行情况分析

4.1 电槽初始开车性能测试

装置自2015年11月7日一次性开车成功以来，运行稳定，各项控制指标均在控制范围以内。氧阴极装置于2015年12月进行了性能测试，测试数据统计见表2。

表2 氧阴极电槽初始开车性能测试表（运行电流10 880 A）

从表2可看出，氧阴极装置的电耗已达到预期。

4.2 氧阴极电解槽与伍德零极距电解槽性能对比

为了方便比较氧阴极电解技术的优越性，以滨化集团化工分公司一期伍德零极距BM2．7电解槽（2013年11月装置开车）的相关数据作为参考，具体数据见表3。

表3 滨化氧阴极电槽与伍德零极距电槽性能对比表

从表3看出，相比伍德零极距电解槽参数，氧阴极装置的直流电解电耗降低600 kW·h/t NaOH，节能约30%，其产品质量及运行效率也并不比零极距低[3]。

氧阴极电解槽与伍德迪诺拉BM2．7电解槽同期单元槽电压升高对比见表4。

表4 氧阴极电解槽与BM2．7电解槽运行相同时间后单元槽电压升高对比表

氧阴极电槽开车至今运行31个月，两台电槽的单元槽电压分别增长了149 mV和156 mV，其中的差距可能是因为所用离子膜不同（A槽用的离子膜类型为N2030，B槽用的离子膜类型为F8080）。同期BM2．7电解槽单元槽电压增加值只有30 mV左右。由此可见，氧阴极电解槽单元槽电压增长速率超过BM2．7电解槽，所以在运行过程中，氧阴极电解槽槽电压增长较快，相应的电耗增长速率也更快。

4.3 氧阴极电解槽其他重要参数变化情况

电解槽氯气纯度及氯中含氧趋势图分别见图1、图 2。

图1 氧阴极电解槽氯气纯度趋势图

图2 氧阴极电解槽氯中含氧趋势图

开车至今，氧阴极2台电解槽的氯气纯度一直稳定在98．8%左右，氯中含氧在刚开车时较高，运行3 个月后，基本稳定在 0．80%～0．90%，随着运行时间的增加，还在波动下降中，说明电解槽整体运行情况稳定。

5 运行过程中的问题

5.1 阴极过滤器滤芯

氧阴极电极上脱落的催化剂随碱液进入阴极液循环系统，若不进行控制，会随碱液进入离子膜空隙堵塞离子膜，使槽电压升高，电解效率下降，故而需要用阴极液过滤器滤去催化剂。电解槽所带原装滤芯为Ultipleat高流速过滤器，但是该滤芯的使用寿命仅有30天左右，拆检时发现滤芯被冲刷损坏严重，无法再利用，增加了运行成本。

为节省成本和避免不必要的浪费，自2017年3月开始采用FluoryteTM高流速过滤滤芯，该滤芯采用PTFE支撑结构，增加了滤芯强度，滤芯个数也由原来的4根更换为现在的24根，PTFE滤芯设计压差控制在约80 kPa，目前，当滤芯压差到60～70 kPa时，拆检过滤器，将滤芯取出，使用纯水冲洗干净，回装滤芯，拆检后，滤芯压差一般能够降至35～40 kPa。

2018年4月更换滤芯，原滤芯使用13个月，使用过程中较为正常，每次清洗后每天压差升高约1 kPa。

5.2 氧阴极单元槽电压

随着运行时间的延长，单元槽电压会逐渐升高，当槽电压高于2．6 V时，电解槽中的析氢反应开始加剧。氧阴极电解槽在运行过程中，出现某些单元槽的槽电压明显高于其他单元槽的情况，此时在阴极侧发生电解氧气的同时，还会伴随着水的电解造成氧中含氢升高，影响循环氧气纯度，当含氢过高时，会有爆炸危险。因此，当某些单元槽电压过高时，只能通过降低整台电解槽的负荷来降低其槽电压，如此一来，装置负荷降低，影响正常生产。

目前滨化集团采用清洗电解槽的方法来整台降低单元槽的槽电压。当某些单元槽电压已经制约电解槽正常运行时，应择机停车，将这些单元槽拆解，清洗其中的氧阴极及烧碱、氧气、盐水进出料管，组装换膜后，重新使用。

氧阴极A槽部分单元槽清洗处理前后电压偏移情况见表5。

表5 氧阴极A槽清洗前后单元槽电压偏移情况对比表

这种方法能够在一定程度上降低槽电压，但该部分单元槽在生产过程中，电压升高较快，目前还没有更好的办法去彻底解决槽电压升高的问题。

5.3 氧阴极转子流量计问题

氧阴极装置单元槽碱液进料管线上的流量计为PP材质，并且是螺纹连接的，刚开车时受到热胀冷缩，在螺纹处有碱迹，虽不影响装置正常运行，但对装置来说还是有污点，时间长了会结碱。因此在装置停车时更换了新的流量计，新流量计对密封面和材质进行了重新设计，运行效果较好。

6 效益对比

滨化集团氧阴极装置运行以来一直保持较好的效益，与非氧阴极装置相比，氧阴极装置单位利润稍好一些（包含了投资和折旧）。主要原因一是氧阴极单位产品电耗下降幅度较大；二是非氧阴极氯碱装置氢气并没有完全利用；三是由于下游用氢单位存在各种原因的停车降量，导致氢气间歇性大量放空；四是总体电价仍然较高，达到0.65元/kW·h。

7 结语

与零极距电解槽相比，氧阴极电解槽存在槽电压上升速度偏快，电解槽部分附属件易损坏等问题。清洗氧阴极及电解槽附件能够在一定程度上降低单元槽槽电压，但仍需要更好地从氧阴极膜本身和电解槽结构上进行改进；同时氧阴极转子流量计破损，烧碱可倒流进入氧气进料管，从而阻碍氧气进料。

从滨化集团氧阴极已经运行的31个月来看，氧阴极装置运行稳定，氯气纯度、氯中含氧、烧碱质量等指标较好，电耗大幅下降。各项指标达到了设计预期，项目总体是成功的。氧阴极技术是氯碱工业领域的重大突破，滨化集团氧阴极装置的成功运行为今后推广应用氧阴极电解槽生产技术奠定了坚实基础，同时，也将对中国氯碱工业的节能降耗起到较好的推动作用。