裴長運(yùn),,

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095；2.菏澤趙樓電廠,山東 菏澤 274000）

電解海水制氯系統(tǒng)的研究和優(yōu)化

裴長運(yùn)1,李 冬1,常文強(qiáng)2

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095；2.菏澤趙樓電廠,山東 菏澤 274000）

針對(duì)常規(guī)電解海水制氯系統(tǒng)運(yùn)行中的問題：系統(tǒng)穩(wěn)定性差、結(jié)垢和酸洗較多，溶液中有氣泡，提出了系統(tǒng)優(yōu)化方法，并從海水過濾器、電解槽和酸洗設(shè)備三個(gè)方面進(jìn)行了比較研究。運(yùn)行結(jié)果表明：常規(guī)系統(tǒng)中增加次氯酸鈉回路、中間排氫和設(shè)置底部排污，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，能耗和結(jié)垢減少，酸洗周期延長。設(shè)備比較結(jié)果表明：海水過濾器選用自動(dòng)反沖洗過濾器，過濾效果好；復(fù)極式電解槽比單極式電解槽性能更優(yōu)越、性價(jià)比更高

電解海水制氯；系統(tǒng)優(yōu)化；復(fù)極式電解槽 ；電極清洗

1 工作原理

電解海水制氯技術(shù)是利用電解海水產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的有效氯，來殺死或擊暈海生物和海生物的孢子、幼蟲等，從而防止冷卻水系統(tǒng)附著海生物。目前，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海水作為冷卻水的工業(yè)，如濱海電廠、濱海核電站、化工廠、船舶、煉鋼廠、煉鋁廠等。

有效氯是指HClO、ClO- 和Cl2，它們由以下電化學(xué)反應(yīng)式產(chǎn)生：

除以上主反應(yīng)外，同時(shí)還存在副反應(yīng) : Mg2++2OH- → Mg (OH)2；Ca2++2OH- → Ca (OH)2；Mn2++2OH- → Mn (OH)2等。

從反應(yīng)式1～4可以看出，要想反應(yīng)不斷進(jìn)行，必須排出氫氣，減少溶液中氫氣含量，同時(shí)抑制副反應(yīng)，去除鹽類沉積物，提高主反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)有效氯的生成。

2 系統(tǒng)的問題及優(yōu)化

目前，在運(yùn)行的常規(guī)電解海水制氯系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 常規(guī)電解海水制氯系統(tǒng)圖

現(xiàn)場運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)有以下幾個(gè)問題：

（1）當(dāng)進(jìn)水流量變化時(shí)，電解槽的進(jìn)液流量也隨之變化，容易引起反應(yīng)狀態(tài)變化，電解效率降低。

（2）當(dāng)進(jìn)水所含組分發(fā)生變化，如有機(jī)物增多，鈣鎂鹽類增多時(shí)，降低了電解槽的電流效率和有效氯的含量，同時(shí)增重了電解槽的污染。

（3）電解槽內(nèi)結(jié)垢較多，容易降低電流效率，損壞電極，酸洗次數(shù)增多，酸洗時(shí)間縮短。

（4）電解液中的氣泡增加了電解液的電阻壓，從而使槽電壓升高，電解效率下降，電耗增加。

分析發(fā)現(xiàn)，電阻和沉積物的增加，降低了電流效率，增加了酸洗次數(shù)，縮短了運(yùn)行時(shí)間，要解決這個(gè)問題，必須減少結(jié)垢和溶液中氫氣含量。而對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，可以改變進(jìn)水組成，讓一部分產(chǎn)水回流來增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

因此，采取以下3個(gè)措施，來減少上述問題：

（1）增加一個(gè)循環(huán)回路。從加藥泵的出口引一部分次氯酸鈉溶液回流到自動(dòng)反沖洗過濾器的出口。

（2）電解槽進(jìn)口管道上，靠近電解槽入口位置，設(shè)置一個(gè)低位排污收集點(diǎn)。低位排污點(diǎn)使進(jìn)水中的固體沉降到低位，通過排污排除高含固量水，減少電解槽中沉淀物含量。

（3）增加中間除氫設(shè)備，降低電解液中含氫量，促進(jìn)電解反應(yīng)的進(jìn)行。

增加以上措施后，系統(tǒng)流程改為圖2所示：

圖2 電解海水制氯優(yōu)化系統(tǒng)圖

圖2中，增加次氯酸鈉循環(huán)回路，一方面使海水中的固體成分（Ca, Mg）在脫氣槽內(nèi)與電解液預(yù)先接觸形成氫氧化物（堿），從而防止在電解槽內(nèi)結(jié)垢，延長電極清洗周期；另一方面，回流的溶液使電解槽內(nèi)部反應(yīng)狀態(tài)更穩(wěn)定，受進(jìn)水影響小。

增加除氫系統(tǒng)后，電解液中的氫氣被及時(shí)除去，有利于反應(yīng)不斷向右進(jìn)行。

我們?cè)趶V東某電廠電解海水制氯設(shè)備上進(jìn)行了試驗(yàn)。2×90kg/h出力的電解海水制氯設(shè)備，原采用圖1系統(tǒng)，電極結(jié)垢問題較重，酸洗次數(shù)較多，在增加循環(huán)回路后，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，酸洗次數(shù)由每月一次減少到半年一次。同時(shí)，沒有增加中間除氫設(shè)備之前，在電解槽中可以看見氣泡，增加中間除氫后，幾乎見不著氣泡，降低了電解電阻，提高了電流效率。

3 電解設(shè)備的選擇和比較

電解海水制氯系統(tǒng)優(yōu)化后，決定電解效率、運(yùn)行效果的是設(shè)備，選擇不同的設(shè)備，電解效率、能耗、投資和運(yùn)行效果也有很大差異。

從圖2，我們可以看出，系統(tǒng)中設(shè)備有：海水過濾器、電解槽、整流器、次氯酸鈉儲(chǔ)存罐、冷卻裝置、清洗裝置、泵等。核心是電解槽、過濾器和儲(chǔ)罐。

3.1 海水過濾器

海水過濾器選用自動(dòng)反沖洗過濾器。它利用系統(tǒng)壓差，在不影響過濾情況下，自動(dòng)完成沖洗過程，使用方便，人工操作少，安全性高，產(chǎn)水水質(zhì)好，能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

運(yùn)行時(shí)，分為過濾和反沖洗兩步：

第一步，過濾。海水從圓筒式濾網(wǎng)內(nèi)部流入，經(jīng)過濾網(wǎng)截留0.5mm以上顆粒。當(dāng)附著于濾網(wǎng)上顆粒雜質(zhì)增多時(shí)，進(jìn)出口壓差增大，增大到閥值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入第二步--反沖洗。

此時(shí)，壓差傳感器啟動(dòng)反沖洗電機(jī)，同時(shí)打開排污閥，濾網(wǎng)中的中空轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)，濾過液反向通過濾網(wǎng)，流入轉(zhuǎn)臂允吸口，經(jīng)排污閥排出。反沖洗時(shí)過濾仍在進(jìn)行。

另外，需注意海水之前的預(yù)處理，如果預(yù)處理效果不好，有機(jī)物和大顆粒較多，會(huì)增加反洗次數(shù)，縮短過濾網(wǎng)壽命，造成有機(jī)物滋生，影響電解效果。

3.2 電解槽電解槽是由陽極、陰極和海水組成。陽極一般使用鈦+涂層，耐腐蝕，使用壽命長（＞5年），陰極使用純鈦，耐腐蝕、不被靜止的次氯酸鈉腐蝕。

電解槽按電極的連接方式，可分為單極式電解槽和復(fù)極式電解槽。

單極式電解槽特點(diǎn)是同極性電極與電源并聯(lián)連接，電極兩面的極性相同，如圖3所示。而復(fù)極式電解槽兩端的電極分別與電流的正負(fù)極連接，當(dāng)電流通過時(shí)，一個(gè)長電極板分成很多的小電極，一面為正極，一面為負(fù)極，組成多個(gè)雙電極，如圖4所示。

圖3 單極式電解槽

圖4 復(fù)極式電解槽

目前，我國兩種電極槽都有使用，單極式電解槽出現(xiàn)較早，技術(shù)成熟，使用較多，核電中90%使用單極式電解槽，火電也超過60%，而復(fù)極式電解槽在我國出現(xiàn)較晚，應(yīng)用較少。2種電解進(jìn)行對(duì)比，如表1所示：

表1 復(fù)極式電解槽與單極式電解槽比較結(jié)果

整流器可設(shè)置多個(gè)電解單元，能減小輸出電流，提高電流效率。電流值小，直流電回路導(dǎo)體能做到很細(xì)。電解槽數(shù)量設(shè)置有限，整流器的直流電流輸出功率增加電流值大，直流電回路導(dǎo)體粗大。

從表1可看出，單極式電解槽發(fā)展較早，技術(shù)成熟，但設(shè)備簡單但占地大，空間利用率低，經(jīng)濟(jì)性差，維護(hù)麻煩。而復(fù)極式電解槽在這方面優(yōu)勢(shì)明顯：電流小，電壓高，結(jié)構(gòu)緊促，占地面積小，投資低，具有良好的維護(hù)性。

在廣東某濱海電站，我們進(jìn)行了比較。

使用單極式電解槽運(yùn)行，運(yùn)行狀況如表2所示，運(yùn)行4年后，發(fā)現(xiàn)部分電解槽銅排泄漏，經(jīng)過技改，使用復(fù)極式電解槽，改進(jìn)后的運(yùn)行參數(shù)見表2：

表2 單極式電解槽和復(fù)極式電解槽運(yùn)行參數(shù)（月均值）

對(duì)比結(jié)果表明，復(fù)極式電解槽的電耗比單極式電解槽體積小，占地面積少，重量輕，電流低，需配置的整流電源容量小，電耗低。如此，降低了運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)約了能源。我們還發(fā)現(xiàn)，單極式電解槽由于螺栓和銅排較多，容易損壞，造成電解液滲漏現(xiàn)象，使電解間有刺激性氣味，而復(fù)極式電解槽泄漏點(diǎn)少，電解間干凈，刺激性氣味較少。

因此，建議選擇使用復(fù)極式電解槽，來代替單極式電解槽。

3.3 電極的清洗

當(dāng)電解槽內(nèi)附著的污垢達(dá)到一定值后，就需要用5%的鹽酸溶液清洗。電極的清洗是電解制氯設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)中的主要問題。

通過清除電極上污垢，來阻止陽極涂層的消耗，保持低電流效率，維持系統(tǒng)的運(yùn)行。目前，沒有循環(huán)回路的電解制氯系統(tǒng)一般需要1個(gè)月清洗一次，一般設(shè)立固定的酸洗系統(tǒng)；而有循環(huán)回路的復(fù)極式電解槽半年到一年才清洗一次，每次酸洗時(shí)間1小時(shí)左右，用量少，酸洗周期長，所以可以設(shè)計(jì)成推車式酸洗裝置，方便、實(shí)用，還減少了酸泄漏的可能性，有利于保持廠區(qū)的干凈整潔。

同時(shí)，可以設(shè)酸洗自動(dòng)檢測裝置，來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到無人值守的目的。當(dāng)結(jié)垢達(dá)到設(shè)定值后，酸洗自動(dòng)檢測裝置發(fā)生聲光報(bào)警，并鎖住發(fā)生器，使之不能工作，必須進(jìn)行酸洗，只有酸洗完成后，才能解鎖運(yùn)行。而且，可以設(shè)計(jì)為全透明裝置，直接觀看結(jié)垢情況和酸洗效果，防止自動(dòng)系統(tǒng)的失靈。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于電解海水制氯系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)穩(wěn)定性差、結(jié)垢和酸洗較多，溶液中有氣泡等問題，找到了3個(gè)解決措施，包括增加一個(gè)次氯酸鈉回路、增加中間除氫和設(shè)置底部排污。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，電解槽內(nèi)結(jié)垢更少，電流效率更高，能耗更低，可以推廣使用。

（2）海水過濾器選用自動(dòng)反沖洗過濾器，過濾效果好，操作方便，安全性高，自動(dòng)反沖洗時(shí)，還不影響過濾。 此外，過濾效果與海水之前的預(yù)處理息息相關(guān)，預(yù)處理效果越好，過濾效果越好。

（3）復(fù)極式電解槽與單極式電解槽的對(duì)比結(jié)果和工程實(shí)踐都表明：復(fù)極式電解槽更優(yōu)越，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：電解效果更好、電流效率更高、電解槽數(shù)量更少、占地面積更小、性價(jià)比更高、電極裝卸更簡便。

（4）使用有循環(huán)回路的復(fù)極式電解槽后，電極清洗次數(shù)由1次/月變?yōu)?次/6月～1次/年，因此，無需設(shè)固定的酸洗系統(tǒng)，可以使用移動(dòng)的推車式酸洗裝置來進(jìn)行酸洗，減少了酸泄漏，使廠區(qū)更干凈、整潔。

[1]李培元.火力發(fā)電廠水處理及水質(zhì)控制[M].北京: 中國電力出版社, 2008（01）.

[2]常愛國.大型電解海水次氯酸鈉裝置在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].東北電力技術(shù), 2002（09）.

裴長運(yùn)（1986-），本科，山東菏澤人，研究方向：電廠化學(xué)。