离子膜电解槽阴阳极出液管打火探讨

2022-01-13杭燕虎沈靖宗

中国氯碱 2021年12期

刘静，杭燕虎，沈靖宗

（陕西北元化工集团有限公司化工分公司，陕西榆林719319）

陕西北元化工集团股份有限公司（简称“北元化工”）有80万t/a烧碱装置，包括A/B/C/D 4条离子膜法烧碱生产线，分两期建成，一期A/B生产线于2010年10月投产，二期C/D生产线于2012年3月投产，共有24台伍德BM2.7型独立单元复极离子膜电解槽，每台电解槽有200个单元槽。在离子膜电解槽运行过程中阴阳极出液软管打火对离子膜的安全稳定运行带来很大的隐患，因此如何有效防止阴阳极出液软管打火显得尤为重要。

1 工艺介绍

伍德独立单元槽由阴极半槽、阳极半槽、离子膜和密封系统构成，阴极半槽、阳极半槽和离子膜被密封系统紧固密封成一个整体，构成一个独立的电解槽。半槽中包含电极，电极通过连续激光焊接与电流传导部件及支撑板相连，并与半壳相连。阳极由钛制成，阴极由镍制成。电解槽的每个单元槽被悬挂在钢制槽架上，并压靠在一起以便传输电流。电流在单元槽之间的传导是由用连续激光爆炸焊焊接在阳极半槽上的钛镍导电条实现的。电解槽的进料管和出料管都位于电解槽下部，并与阴、阳极电解液进出口总管相连，原始设计的阳极电解液总管为玻璃钢材质，阴极电解液总管为玻璃钢加PPH增强管。随着运行年限的增加，树脂管道逐渐老化，频繁出现泄漏、法兰处打火等情况，2018年至2020年公司逐渐将阴、阳极电解液总管更换为强度高、耐腐蚀的金属管道，阳极为钛材质，阴极为镍材质。

离子膜电解工艺流程为精盐水和烧碱通过进料软管和进料分配管从电解槽的底部分别进入电解槽阳极室和阴极室，在直流电的作用下氯化钠被电离成钠离子和氯离子。氯离子在阳极室放电转变为氯气，同时，钠离子通过离子交换膜迁移到阴极室。在阴极室，水电解成氢气和氢氧根离子。钠离子和氢氧根离子结合生成氢氧化钠。阳极室产生的氯气与淡盐水混合物和阴极室产生氢气与烧碱混合物通过电解槽内部溢流管进入出液波纹软管向下释放至阳极和阴极出料总管。

2 风险分析

2.1 阴极出液波纹软管打火风险分析

电解槽在运行过程中最大的风险就是电解槽泄漏问题，泄漏可能引发单元槽着火、爆炸事故的发生，这是电解装置最危险的事故。电解槽出液波纹软管打火就是引发泄漏原因之一，虽然出液波纹软管采用的是耐高温、耐强腐蚀、强度高、具有抗老化性能和绝缘性能的聚四氟乙烯（PTFE）材质，但是当单元槽的出液波纹软管中打火频率较高和打火程度严重时就会将出液波纹管击穿，波纹软管击穿时会造成氢气、碱液泄漏。因此改善和消除单元槽阴极出液波纹软管打火现象是预防事故的重中之重。

2.2 阳极出液波纹软管打火风险分析

因电解槽阴极室压力始终大于阳极室压力，离子膜破损或针孔可能导致单元槽内氯气含氢5%～87.5%，达爆炸极限。若此台单元槽在阳极出料波纹管和出料玻璃钢总管法兰之间出现打火现象，则可能导致单元槽爆炸事故，不仅损坏电解槽及周围管线仪表，还会导致氯气、氢气、烧碱泄漏。

3 阴极打火原因、预防及处置措施

3.1 阴极打火原因

多年来，许多装置上阴极液出液波纹软管上出现打火现象，特别是伍迪电解槽上出现的频率较高。打火现象有时出现在一台单元槽的出口部分，有时随机分布在整个电解槽的许多单元槽，有时只在软管上部，有时沿着整个软管都有。关于打火现象有多种说法，原因主要归结为以下几点。

（1）电解槽阴极流量不足或不稳定，液体在流动过程不连续，发生瞬间中断或波动导致，液滴与液滴两端之间出现电位差，靠近单元槽的电压较高，靠近阴极液总管电压较低，因此产生电弧拉弧出现打火现象。

（2）杂散电流引起的电火花现象。电解槽内普遍存在由于电子运动产生的杂散电流引起的电火花现象。

（3）铁附着在阴极出口，发生氧化还原反应。附着在阴极上的还原铁脱离阴极后从软管中流出时，由于电位差的缘故瞬间放电，产生火花，此时发生氧化还原反应形成氧化铁。

（4）阴极镍涂层脱落时带电引起的电火花现象。新涂层单元槽因涂层工艺或质量问题导致电解槽通电后，阴极镍涂层不同程度脱落时带电引起电火花现象。

以北元化工使用的电解槽为例，分析具体阴极打火原因，表1、表2是北元化工使用的电解槽出现阴极打火情况统计及由打火导致的停槽统计。

从表1、表2可以看出，打火单元槽主要集中在电解槽尾部（电流正极侧）180#-200#单元槽，这个区域的打火单元槽数占打火单元槽总数的81%，且因打火导致泄漏停槽更换的单元槽主要集中在电解槽的两端，特别是194#-200#单元槽由于打火导致多次泄漏停车，由此总结出北元化工使用的电解槽打火的主要原因有以下两点。

表1 D线电解槽阴极出液波纹软管处打火情况

表2 阴极出液插入管打火泄漏导致停槽统计

（1）将阴极出料总管由原有的玻璃钢加PPH增强材质更换为镍材后，由于靠近电解槽的两端电位差增大，位于电解槽末端单元槽的插入管法兰部到金属镍出料总管之间的电位差扩大（在16.2 kA运行时，此处的电压差在310 V以上），在高电位差状态下，当碱液溢流至插入管与波纹管结合部时，由于流体的变化（垂直流液体在此改变方向），碱液形成持续打火（由于碱的导电性比盐水强，因此碱带的电比盐水强，在结合部形成的电压降高，因此碱侧比盐水侧容易打火花）。

（2）电解槽由于出料总管材质的变更，波纹软管的管口方向发生位移偏离，造成波纹软管的垂直度增加，阴极液流经波纹软管时因部分液体未接触至波纹软管管壁直接流入阴极出料总管致使断电效果不好，存在泄漏电流从而造成打火现象。波纹软管的主要作用是使碱液飞溅到波纹部分，绕壁流入出口总管，延长碱液进入出口总管的距离从而增加电解液的电阻达到断电目的。

3.2 阴极打火预防及处置措施

在充分分析阴极出液波纹软管打火原因并结合日常生产过程中经验，公司主要制定了以下几个方面的预防及处置措施。

（1）提高电解槽循环碱液流量。避免流量大幅度波动，同时应保证单元槽进出液通畅，各单元槽碱液进料流量分布均匀，避免因单元槽出槽碱液不连续形成电位差从而出现阴极出液波纹软管打火现象。

（2）改变阴极出液波纹软管方向。电解槽出液波纹软管材质为聚四氟乙烯（PTFE），起断电的作用，波纹的设计是为了延长阴极液经过波纹软管的长度，从而达到更好的断电效果。当单元槽阴极波纹软管打火时，可适当改变阴极出液波纹软管方向，确保单元槽出槽碱液能够充分流经波纹软管管壁，达到断电的效果，避免未经管壁直接流入阴极出料总管形成电位差而出现打火现象。

（3）严格控制电解槽阴极室的铁离子含量。a.确保阴极系统各罐体、管道、阀门材质合格，防止磁铁粉在阴极聚集；b.既要控制精盐水中铁离子的含量，还应尽量缩短电解槽停车时间，减少阳极室铁离子向阴极室的渗透量；c.还需在初次开车或检修完毕后确保阴极系统各储罐及管道清洗合格，避免铁渣残留导致一定量的铁离子带入电解槽阴极室。

（4）就阴极打火问题与伍德公司进行了沟通联络，在伍德公司的指导下给部分电解槽195#-200#单元槽出液分配器（阴极出料总管短节）与波纹管法兰部安装插入管，使溢流管部的流路长度增加，增大电阻，流出的液体不直接接触到分配器管嘴部镍管壁，而是流到分配器底部的液体后再导到金属管壁上，这样可以增大流路电阻，减小电流流通，降低电压差，目前这些单元槽未出现严重打火现象。

（5）利用停槽机会定期更换易打火单元槽180#-200#阴极出液波纹软管和密封面有破损或缺陷的阴极出液溢流插入管，避免因长期频繁打火造成波纹管破损出现泄漏，造成恶性事故。

4 阳极打火原因、预防及处置措施

阳极打火在日常生产中并不常见，但会给电解槽的运行带来较大的安全隐患，故发现电解槽阳极打火，须立即停单槽进行处理。

4.1 阳极打火情况分析

阳极打火通常出现在阳极出料波纹管和出料玻璃钢总管法兰之间，打火单元槽阳极出料玻璃钢总管法兰破损与插入管被电击穿情况见图1。

图1 打火单元槽阳极出料玻璃钢总管法兰与插入管

统计历年一、二期电解装置阳极打火单元槽的分布见表3。

表3 历年阳极打火单元槽分布

通过表3数据中2017年1-12月打火单元槽有8台，2018年1-9月打火单元槽有12台，可发现随着阳极出料玻璃钢总管运行时间的增加，打火频率逐渐增加。

打火单元槽分布情况：集中在电解槽的前半区1#-25#位置的单元槽有5台，占比60%；集中在电解槽的后半区185#-197#位置的单元槽有5台，占比70.5%。

4.2 阳极打火原因

电解槽的两端电势较高，出料总管的插入管外壁与破损玻璃钢法兰内壁之间的残留液体处电势较低，与电解槽出来的液体形成较大的电势差加之插入软管在线运行时间长，此处就容易放电将插入管击穿，出现打火现象。电解槽中间地方与两壁之间残留液体的电势相等，所以不会放电。

4.3 阳极打火预防及处置措施

（1）若发现阳极出料波纹管与出料玻璃钢总管法兰之间出现打火现象，应立即停单槽，排液后修复阳极出料玻璃钢总管法兰处破损部位并更换插入管。

（2）更换老化的玻璃钢阳极出料总管为钛管并在分配器管嘴部焊接牺牲电极，因钛强度高，耐湿氯气腐蚀，牺牲电极有效减少了钛管腐蚀，因此与阳极出料波纹管连接的法兰处不易出现残缺或破损，从而有效避免打火现象发生并大幅减少泄漏现象，公司于2018年至2020年陆续将阳极出液总管更换为钛管，至今未出现阳极打火现象，彻底消除了阳极打火带来的安全隐患，保证了电解槽持续稳定运行。