JHM-3V 型膜极距电槽的特点及运行分析

2023-12-21李晓杰王建红

中国氯碱 2023年11期

李晓杰，王建红

（1.天津乐金渤海化学有限公司，天津 300452；2.宏泽（江苏）科技股份有限公司江苏江阴 214400）

1 离子膜电解槽运行现状

天津乐金渤海化学有限公司（以下简称为LG 渤海）烧碱装置于2007 年4 月投产，生产能力为25 万t/a，共8 个回路16 台槽，其中1#-14# 电解槽为原高电密槽改造的膜极距槽（于2014 年由原厂家进行改造），15#、16# 槽为原装膜极距槽。整个装置至今已运行近16 年，长期高负荷运行（电流密度5.64 kA/m2），并且初始进行膜极距改造时，更换过阳极密封面，电解槽运行状况不太理想。改造后的膜极距槽运行电压过高，现已达3.25 V，吨碱交流电耗为2 450 kW·h 以上（电流密度5.5 kA/m2，槽温90 ℃，烧碱浓度32%），已经超出了离子膜电解槽的标准电耗指标，运行成本大大升高，一些工艺指标达不到要求，特别是电槽泄漏率高，跑冒滴漏严重。因此考虑逐步更换新电槽，LG 渤海经过考察，综合对比，引进宏泽（江苏）科技股份有限公司生产的JHM-3V 型电解槽，进行升级换代，达到节能降耗的目的。

2 JHM-3V 电解槽的规格及主要技术指标

2.1 电解槽规格及技术指标

单元槽规格2 402 mm×1 562 mm×42 mm；

有效面积3.276 m2；

设计运行电流密度5.5 kA/m2（最大电流密度6.0 kA/m2）；

直流电耗：

5.5 kA/m2，槽温90 ℃，烧碱浓度32%，吨碱直流电耗≤1 995 kW·h；

6.0 kA/m2，槽温90 ℃，烧碱浓度32%，吨碱直流电耗≤2 040 kW·h。

单元槽电压：

5.5 kA/m2，槽温90 ℃，烧碱浓度32%，单元槽电压≤2.88 V；

6.0 kA/m2，槽温90 ℃，烧碱浓度32%，单元槽电压≤2.94 V。

电极性能：

阴极析氢电位1.221 V（电流密度4 kA/m2，参比电极Vs.SEC，试验温度（90±1） ℃）；

阳极析氯电位≤1.12 V（电流密度4 kA/m2，参比电极Vs.SEC，饱和盐水温度（90±2） ℃）；

析氢极化率69 mV（参比电极Vs.SEC，试验温度（90±1） ℃）；

电解失重≤13.4 mg （电解液450 g/L NaOH，电流密度4 500 A/m2，试验温度（90±1） ℃）。

2.2 二次精制盐水质量要求（见表1）

表1 二次精制盐水质量要求

2.3 产品指标（见表2）

表2 产品指标

3 电槽更新转换方案

对现有运行电槽进行综合评估，比较每个回路电解槽的电压、效率、电耗；对各回路的单元槽泄漏、单元槽平整度情况进行评估；其中一个回路仍然采用直接更换阳阴极网及弹性网（利用周转槽）；确定置换方案与顺序（见表3）。

表3 置换方案与顺序

4 JHM-3V 电槽的主要创新点

JHM-3V 电槽与旧槽相比，在结构上作了很多改进，更加安全，具有更高的电流密度。基于其低结构电压降、更好的阴阳极内部循环、更高效的气液分离和更大的出液通道，可以达到更高的电流密度，可在6 kA/m2的电流密度下安全运行，在生产过程中操作更加灵活。JHM-3V 电槽的主要特点如下。

4.1 低电耗

JHM-3V 最显著的特点是低能耗，这是因为电槽内部有了更好的电解液分布、均匀的电流分布、较低结构电压降和膜极距、高性能的活性阴极及抗反向电流结构。

（1）膜极距技术。拥有特殊的阴极面网和弹性体，弹性体与阴极网的接触点提高30 倍以上，从而使电流分布更均匀，提高阴极弹性体弹力，使弹性体施加给阴极网的压力更均匀，同时耐阳极侧的逆压能力得到加强；

（2）进一步降低电解槽结构上的电阻。一方面增加阴阳极盘间导电复合条的宽度，增加焊点数量，另一方面增加阴阳极盘内导电筋板，焊接阳极网的焊点数量增加了1.5 倍，使电流分布更加均匀，与上一代槽相比，结构电阻降低了40%；

（3）开发并使用了更优异的、涂层寿命更长的阴极涂层技术。采用贵金属系列活性阴极（铂系复合涂层），提高了活性，涂层表面更加光滑，离子膜摩擦小，更加适合膜极距系统的运行。

4.2 电解液溢流方式

JHM-3V 另外一个明显的特点是溢流方式，提高了离子膜的使用寿命。气体和电解液在单元槽阴阳极盘底通过瓦楞板式出液通道进入气液分离盒，经消泡网充分进行消泡分离，这种出液和分离方式使气液分离时产生很小的压力波动，并且远离离子膜，离子膜得到充分的保护。

4.3 单元槽可与旧槽实现完全互换

由于两种电解槽单元槽面积相同，并且使用同样的垫片、出槽软管、盐水循环，并且JHM-3V 插入管槽内部分亦为PFA，泄漏电流更小。

4.4 离子膜使用范围广

根据用户的需求，能使用各种高性能的离子膜。每吨烧碱所消耗的电能与电解槽的电压成正比，与电流效率成反比。降低电解槽的电压主要依靠电解槽的设计，而高的电流效率依靠离子膜的性能。因此可根据用户的盐水状况和运行模式选择合适的离子膜。

4.5 阳极密封面直接采用钛钯板

JHM-3V 单元槽的阴阳极主体材料选用高性能的镍钛，其中阳极盘采用国内最好的钛板，阴极盘采用日本进口的Ni200，均具有足够的机械加工性和耐碱、酸性盐水+氯的腐蚀性。另外，由于纯钛在间隙（如垫片的接触表面）会发生间隙腐蚀，虽然钯、钌涂层提供了解决的方法，但是涂层法不具有很长的寿命，提高了用户的维修成本。JHM-3V 阳极室在整个阳极密封面采用了抗间隙腐蚀的钛钯合金材料，离子膜换膜时不需要进行额外的防腐蚀处理，只需将密封面处理干净，不用担心密封面的划伤会导致间隙腐蚀，大大降低了腐蚀风险和维修费用，并缩短了换膜周期。

5 JHM-3V 型膜极距离子膜电解槽的运行情况

第7、4、6 三个回路的JHM-3V 电槽于2023 年2 月14 日、5 月14 日、8 月1 日相继投入运行，第2回路更新电极的旧槽于6 月16 日投入运行，运行非常稳定，操作维护简单。

5.1 自开车以来的产品质量比较

经过半年左右的运行，JHM-3V 电槽与更换电极的旧槽产品质量稳定，烧碱浓度为31.0%~32.5%，碱中含盐量维持在25×10-6以内。符合优等品规格。氯气纯度在98.8%以上，氯内含氧平均在0.7%左右，氢气纯度为99%，JHM-3V 电槽与更换电极的旧槽运行比较数据见表4。

表4 改造前后产品质量对比表

5.2 槽电压变化

JHM-3V 电槽运行后总体运行稳定，槽电压数据稳定，波动小，各槽自开车以来电压趋势见图1-图4。

图1 LG渤海R2001－MN槽电压趋势图（F9010A）

图2 LG渤海R2001－GH槽电压趋势图（F9010A）

图3 LG渤海R2001－KL槽电压趋势图（F8080A）

图4 LG渤海R2001－CD槽电压趋势图（F7001）

5.3 其他运行技术指标

由于电槽运行比较稳定，各项技术指标比较理想，电流效率保持在96.5%以上。具体指标见表5。

表5 其他运行技术指标

6 置换过程经验总结

6.1 严把新电槽质量关，保证电槽性能的发挥

（1）公司自计划对电解槽进行置换改造的同时，成立了电解槽国产化应用项目组，其中有电解槽验收小组，在电解槽未交货前就提前介入，进行了相关电解槽理论知识的学习，了解各种电解槽结构、原理及制造过程的相关质量控制点，特别是组织相关验收小组成员到各电解槽供应商进行现场调研，真正做到懂结构、懂原理、懂使用和懂维护。

（2）新电解槽到厂后，专门安排人员进行电槽随车相关文件接收并存档，保证电槽在卸车、吊运过程中无损伤，单元槽转移至专用架子上后，验收小组按预先制定的检查方案逐片单元槽进行验收，对电槽外观、进出液管嘴、密封面、阴阳极网面质量、阴阳极网涂层均匀度等进行逐一检查验收。

6.2 单槽盐水、碱开车循环系统预先清洗，所有单元槽都装假膜进行清洗

（1）为了保证单槽开车管线清洁，避免新电槽贴膜后离子膜受污染，预先对单槽盐水、碱充液循环管线、贮槽进行了清洗，并对清洗水进行分析，直到指标合格。

（2）为了熟悉安装过程，确保万无一失，培训装膜人员。每台槽贴真膜前都进行了假膜安装，对安装了假膜的电槽进行清洗，保证系统清洁，同时进行了假膜电槽试漏，保证了真膜安装的一次成功率。

6.3 人员培训全面、技术交流周密

操作和管理人员的技能和素质对保证装置的稳定运行相当重要。管理人员和操作人员对新投入使用的电解槽、离子膜的了解和熟悉，对开车后的稳定运行起到重要作用。此外由电槽供应商技术服务人员对相关人员进行了电槽组装、维护、开车运行等方面的培训，与供应商优化开车方案，对于技术细节和可能出现的问题提前细化，针对异常情况编制出处理措施，做好应急预案。

7 经济效益分析

本次电解槽升级维修改造后，既使公司烧碱装置性能得到了提升，又保障了下游氯气的供应，公司的生产装置整体在一个高产稳定区域运行。本次改造更换了3 台电槽，1 台电槽阴阳极更新，这4 台槽产能达到了13.8 万t/a，产能提升3.7 万t/a，吨碱降耗436.2 kW·h，电价按0.7 元/（kW·h）计算，直接经济效益每年达4 200 多万元。