ANC-270 国产离子膜电解槽的运行总结

徐占全，卜 怀，郝 靖，柳丹丹

（天辰化工有限公司，新疆 石河子 832000）

天辰化工有限公司（以下简称天辰化工） 拥有32 万t/a 离子膜烧碱装置，分一二期，共2 条生产线，采用某进口离子膜电解槽。 天辰化工离子膜烧碱装置自2007 年投产运行至今，目前使用的离子交换膜主要是F-7001 离子交换膜。 根据厂家要求（离子膜电解槽电极的使用寿命为8 年， 离子交换膜的使用寿命为4 年）， 期间进行过3 次离子交换膜的更换，分别为2011 年、2015 年、2020 年；于2015 年进行过1 次离子膜电解槽的极网改造（主要是对离子膜电解槽的阴阳极网面进行了检查维修）。因国际形式变化和公司国产化改造的需求， 天辰化工引进国产安凯特ANC-270 离子膜电解槽和东岳DF-2807 离子交换膜。 因离子膜电解槽使用的离子交换膜均为同一型号，不存在品牌和型号的差异，所以，在运行中出现单元槽离子膜泄漏， 就存在是否可以更换其他品牌离子交换膜、 更换其他离子交换膜后是否会对安全生产产生影响、 不同类型离子交换膜在同一台电解槽中使用对电解槽整体运行有没有影响等问题。 因此将1 台电解槽（M 槽）作为试验电解槽，针对以上问题进行研究分析，对运行情况进行了总结。

1 安凯特ANC-270 电解槽

（1）单元槽有效面积2.7 m2。

（2）电流密度设计值5.5 kA/m2，最大运行值5.5 kA/m2

（3）盐水质量要求和产品指标见表1 和表2。

表1 盐水质量表

表2 产品指标一览表 %

2 电解槽的安装

电解槽设计均为单台138 片单元槽设计， 分前半区和后半区，前后半区各69 片单元槽（包含阴阳极端框和中控），为了便于监测电解槽离子交换膜的各项数据， 前半区69 片单元槽安装旭化成F-7001离子交换膜，后半区前56 片单元槽安装杜邦N2050离子交换膜， 后半区后13 片单元槽安装东岳DF-2807 离子交换膜。 这种组合方式主要是公司使用F-7001 离子膜有丰富经验，为确保电解槽整体的平稳运行，在前半区安装F-7001 离子交换膜。 电解槽及离子交换膜安装完毕后， 按照正常程序对离子交换膜进行膜试漏和槽试漏， 正常后， 按流程开车运行。

3 不同电流密度下的槽电压数据对比

3.1 数据采集

通过上述离子交换膜的组合安装方案，在不同测试条件下的一系列槽电压数据对比。 在系统原始开车后电流密度分别在1.1 kA/m2、2.96 kA/m2、4.8 kA/m2和5.19 kA/m2测得平均电压见表3， 不同电流密度下各单元槽离子交换膜槽电压数据变化曲线对比见图1， 在电流密度5.5 kA/m2下持续运行3～15个月的槽电压曲线对比见图2。

表3 不同电流密度下单元槽槽电压数据表

图1 不同电流密度下各单元槽离子交换膜槽电压数据变化曲线

数据为系统原始开车时的数据，仅为测试数据，供参考。

3.2 数据分析

（1）开车初期，使用3 种离子膜的单元槽槽电压数据相差不大，其中在电流密度2.96 kA/m2的时候，旭化成F-7001 离子交换膜、 东岳DF-2807 离子交换膜的槽电压为2.78V， 杜邦N2050 离子交换膜的槽电压为2.80 V，初期的数据显示东岳DF-2807 离子交换膜的性能与F-7001 离子交换膜的性能相差不大。 随着电流密度的升高，3 种离子交换膜的槽电压均呈现出逐渐稳定上升的趋势， 其中， 东岳DF-2807 在3 种离子交换膜的槽电压数据中要偏高0.02 V 以上。

（2）当电流密度上升至5.5 kA/m2的峰值持续运行时，东岳DF-2807 离子交换膜的槽电压数据相对其他2 种离子交换膜的槽电压数据略高0.01 V，差距基本不大。 说明东岳离子交换膜在高电流密度下运行时，其性能已达到进口离子交换膜的水平。

4 性能分析

（1）从电解槽开车后，分别统计了运行3 个月、6个月、9 个月、12 个月和15 个月的各项性能指标数据，具体见表4。

表4 电解槽性能指标表

（2）电解槽电耗的变化曲线见图3。 由表4 及图3 可以看出， 开车运行1 年， 电解槽整体数据平稳，电流效率稳定，电耗随电解槽的持续运行正常升高。

图3 电解槽电耗的变化曲线图

5 运行期间的异常情况

电位差的漂移现象。在电解槽充液、循环完毕开始通电升电流的过程中， 电解槽的电位差偏移量较大，随着电流逐步上升至3 kA 以上，电位差才逐步恢复到正常值。 但在电位差联锁投运后，依然会出现电位差数值漂移现象，具体电位差变化曲线图见图4。

图4 电位差变化曲线图

经过检查分析， 该电解槽电位差波动主要是该电解槽前后半区采用不同类型的离子交换膜造成的。 不同类型的离子交换膜，电阻不一致，在电解槽开停车及升降电流的时候会出现电位差漂移。 这种电位差漂移现象最严重的时候，出现过电位差报警，但未因波动导致电解槽停车。在条件允许的情况下，不建议使用不同离子交换膜的组合方式应用于1 台电解槽上，一旦电位差波动过于频繁、幅度较大时，会导致电解槽发生电位差联锁停车。

如果情况不允许， 建议将多种型号的离子交换膜，平均分配使用，有效均衡电位差，保证电解槽的安全平稳运行。

6 安凯特电解槽整体运行数据与其他进口电解槽数据对比分析

为更好分析国产安凯特电解槽及离子交换膜组合方式的性能对比， 将国产安凯特电解槽开车后在不同的电流密度下的槽电压、 电耗等数据与某进口电解槽运行4 年后极网改造后的数据进行对比分析，具体见表5。

表5 同等工况下两种电解槽性能数据对比

国产新电解槽与某进口电解槽的性能数据变化速率见图5 及图6。

图5 同等工况下的槽电压变化速率图

图6 同等工况下的电解槽电耗变化速率图

7 电流效率分析

电流效率是判断离子膜电解槽运行情况的重要数据指标，精确计算电流效率显得尤为重要。 目前离子交换膜电流效率的分析计算方法主要包括以下3 种。

7.1 通过电流效率的定义进行计算

电流效率=实际产量/理论产量

实际产量=Q×C×ρ

式中：Q—电解槽24 h 碱液累积流量；

C—电解槽出口碱液浓度；

ρ—电解槽出口碱液密度。

理论产量=1.492×I×N×n×24/1 000

式中：I—平均电流；

N—电解槽数量；

n—单元槽数量。

计算出实际产量和理论产量可得到实际电流效率。

7.2 通过电解槽盐酸的消耗量计算电流效率

由制碱原理可知， 在电流的作用下阴极室的OH-必然有一部分迁移至阳极室。 阳极室中的OH-一部分与盐酸中和， 另一部分放电而生成O2随Cl2放出。因此，可以利用盐酸的消耗量来求出离子膜电解槽的电流效率，其公式如下。

电流效率={[通电量-（HCl 消耗量-中和供给盐水所消耗的HCl 量-回流盐水中的HCl 量）]/通电量}-2×氯气中氧气含量-电流泄漏率

通电量=电流×单元槽数量×电槽数×时间/法拉第常数

=I×N×n×3 600/96 487

=0.037 3×I×N×n

HCl 消耗量=盐酸流量×盐酸浓度×盐酸密度/HCl 克当量

=QHCl×CHCl×ρHCl/36.5

中和供给盐水所消耗的氯化氢量=供给盐水中的OH-浓度×供给盐水流量

=C（OH-）×Q

回流盐水中所含的HCl 量=回流盐水中H+浓度×回流盐水流量

=CH+（克当量/升）×0.77×Q回（m3/h）

=0.77×CH+×Q回

电流泄漏率ηc（%）=泄漏电流量/通电量（一般取常数0.6%）

将以上数据代入公式可得出：

ηHCl=[1-（QHCl×CHCl×ρHCl/36.5）/0.037 3×I×N×n]-VO2/Cl2-ηc

7.3 通过阳极液进出口酸度进行分析计算

电流效率={[通电量-（入口酸度-出口酸度）×阳极液流量]/通电量}-2×氯气中氧气含量-电流泄漏率

式中：通电量=0.0373×I×N×n

入口酸度为CH+入（克当量/升）；

岀口酸度为CH+出（克当量/升）；

阳极液流量为Q（m3/h）；

氯气中的氧气含量为VO2/Cl2（%）；

电流泄漏率为ηc（%）；

将上述各式代入ηcH+得：

ηcH+=1-（CH+-CH+出）×Q/（0.037 3×I×N×n）-2VO2/Cl2-ηc

7.4 该离子膜电解槽电流效率的计算

7.4.1 通过实际产量进行计算

因离子膜电解槽单台电解槽未安装流量计进行流量计算，只有整体系统的阴极液（液碱）流量，于是将电解槽停车、 开车前后的整体流量进行差值对比分析，对电解槽开车后的电流效率进行估算，具体估算数据如下。

M 槽停车后系统1 整体运行数据如下。

总电流86.75 kA；阴极液流量956.25 m3；阴极液浓度32.438%；阴极液密度1.312 3 t/m3。

M 槽改造开车后系统1 整体运行数据如下。

总电流101.6 kA；阴极液流量1 120.12 m3；阴极液浓度32.478%；阴极液密度1.312 5 t/m3。

M 槽每天实际产量=（1 120.12×32.478×1.312 5）-（956.25×32.438×1.312 3）=70.418（t）；

M 槽每天理论产量=

14.85×138 ×1.492×24/1 000=73.381（t）；

M 槽计算电流效率=70.418/73.381×100%=96%。

7.4.2 通过进出口酸度进行计算

M 槽电流14.85 kA；入口酸度为CH+入（克当量/升）0.049 7；岀口酸度为CH+出（克当量/升）0.002 5；阳极液流量为Q（m3/h）32.72；单元槽数量138（2VO2/Cl2+ηc）1.59%（根据实际情况取值）。

根据计算可得出该国产电解槽改造后的电流效率：

ηcH+=1-（CH+入-CH+出）×Q/（0.037 3×I×N×n）-2VO2/Cl2-ηc

=1-{[（0.049 7-0.002 5）×32.72]/（0.037 3×14.85×1×138）}-1.59%

=96.4%

7.4.3 运行1 年后单槽电流效率计算

因电解系统只有大系统有阴极液流量检测仪表， 因此运行1 年后的单槽电流效率计算使用电解槽阳极液进出口酸度电流效率分析方法进行计算。

单槽电流14.85 kA； 入口酸度为CH+入（克当量/升）0.045 7；岀口酸度为CH+出（克当量/升）0.002 4；阳极液流量为Q（m3/h）33.12；单元槽数量138（2VO2/Cl2+ηc）1.59%（根据实际情况取值）。

根据计算可得出该国产电解槽改造后的电流效率：

ηcH+=1-（CH+入-CH+出）×Q/（0.037 3×I×N×n）-2VO2/Cl2-ηc

=1-{[（0.045 7-0.002 4）×33.12]/（0.037 3×14.85×1×138）}-1.59%

=96.5%

7.4.4 两种电流效率计算方式的对比

（1）用实际产量与理论产量比值方法计算出来的电流效率与实际的电流效率之间存在一定的误差，误差主要体现在M 槽停车期间，其他电解槽运行参数及电流效率正常下降等因素，会影响M 槽的电流效率分析计算准确度。 因此，实际产量与理论产量计算电流效率的方法比较适用于电解槽安装有现场或远传流量计作为流量监测的装置进行分析计算。

（2）用电解槽阳极液进出酸度计算电解槽电流效率的方法对电解槽的入口加酸要求比较严格，加酸较少则会造成出口盐水中H+含量不精确，导致电流效率的偏差。因此，用电解槽阳极液进出酸度的方法分析电流效率时，需要注意电解槽的进出口酸度。

（3）离子膜电解槽更换离子交换膜的原因是因为离子交换膜运行一定时间后， 离子交换膜会出现泄漏不可避免，阴极室碱液向阳极室迁移，阳极室盐水向阴极室迁移，导致碱中含盐量上升，氯气、氢气纯度下降，氯含氢、氯含氧升高，为了有效控制阳极副反应，需加酸进行调节。 但在运行初期，新的离子交换膜在非人为的情况下，不会出现泄漏，因此在离子膜电解槽更换离子交换膜的初期用进出口酸度法来计算电解槽电流效率的方法是不合适的。

8 结语

通过天辰化工对国产电解槽搭配不同型号的离子交换膜的运行分析可以看出， 国产离子膜电解槽在工艺上已基本达到与进口电解槽的同等性能的水平。 国产东岳DF-2807 离子交换膜在使用生命周期内相对其他品牌的离子交换膜各项性能数据方面要略高，但在成本方面却低于进口离子交换膜的一半，同时也因为国产技术的不断更新， 打破了国外企业对氯碱化工关键设备的垄断地位， 促使氯碱化工设备产品不断进步。 目前东岳高分子科技有限公司已经开发出了更新一代的离子交换膜， 同时安凯特公司也开发出了新一代的离子膜电解槽， 天辰化工将持续推进离子膜电解槽及离子交换膜的全国产化改造进程，促进氯碱工业的国产化发展。