郭成軍

（新疆天業(yè)天偉化工有限公司，新疆832012）

零極距電解槽在氯堿行業(yè)廣泛應(yīng)用，其性能良好，電耗低，技術(shù)成熟。本文引用2 個(gè)離子膜燒堿項(xiàng)目的開(kāi)車數(shù)據(jù)來(lái)討論零極距電解槽中影響電流效率及電耗的因素。新疆天業(yè)集團(tuán)天偉化工公司（以下簡(jiǎn)稱天偉化工）15 萬(wàn)t/a 離子膜燒堿項(xiàng)目于2014 年4月17 日正式投產(chǎn)，離子膜電解槽使用的是從旭化成引進(jìn)的ACILYZER-ML32NCZ2 型自然循環(huán)零極距離子膜電解槽。旭化成提供最佳電流密度為5.5 kA/m2，槽溫為90 ℃時(shí)，單元槽電壓為2.94 V。

1 初始開(kāi)車后直流電耗及電流效率

由于單一數(shù)據(jù)分析論證力單薄，因此引用新疆天業(yè)集團(tuán)天業(yè)化工公司15 萬(wàn)t/a 離子膜燒堿項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱天業(yè)化工）零極距改造后電解槽數(shù)據(jù)做比較論證。

零極距離子膜電解槽原始開(kāi)車后，由于單元槽墊片為全新墊片，需要一個(gè)蠕壓變形期，因此，這一階段的單元槽電壓及電耗是呈下降趨勢(shì)且不穩(wěn)定的。

從圖1 可以看出天業(yè)化工電流效率與直流電耗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且下降趨勢(shì)緩慢、下降時(shí)間短，引起這一狀況的因素為離子膜電解槽使用的墊片為旭化成提供的成品單元槽墊片，其性能優(yōu)越，蠕壓時(shí)間短；天偉化工數(shù)據(jù)中兩個(gè)低峰為降電流引起的平均電流變化，因此出現(xiàn)兩個(gè)低峰。圖1 數(shù)據(jù)顯示直流電耗與電流效率的關(guān)系為反比關(guān)系，直流電耗越小，電流效率越高。

2 引起電流效率及直流電耗變化的因素分析

2.1 計(jì)算電流效率的方法

氯堿行業(yè)中計(jì)算電流效率的方法分為陰極計(jì)算電流效率法和陽(yáng)極計(jì)算電流效率法。主要是通過(guò)在電解過(guò)程中，隨著陰極OH-的遷移，陽(yáng)極液的酸度將降低，因此其電流效率可以根據(jù)進(jìn)料陽(yáng)極液和返回陽(yáng)極液之間的酸度的不同來(lái)計(jì)算。由于天偉化工原始開(kāi)車后電解槽加酸不足，出口陽(yáng)極液的酸度不足以去中和陰極返遷移的OH-，這時(shí)候電流效率的計(jì)算是不精確的。因此，本文對(duì)其他方法計(jì)算電流效率不作論述。

圖1 天業(yè)化工原始開(kāi)車后電流效率與直流電耗數(shù)據(jù)

電流效率與直流電耗為反比關(guān)系，電流效率越高，直流電耗越低。

2.2 直流電耗計(jì)算

直流電耗的計(jì)算按以下公式進(jìn)行

通過(guò)直流電耗公式可以看出，在影響直流電耗的因素中，平均電壓與其成正比關(guān)系，平均電壓越高，直流電耗越大，因此，在時(shí)間與電流相同的情況下，影響直流電耗的變量即為平均電壓與堿產(chǎn)量。

由于相同時(shí)間內(nèi)天偉化工與天業(yè)化工平均電流不相同，根據(jù)電解單元槽電壓與電流密度之間的關(guān)系式來(lái)推算某一電流值時(shí)離子膜電解槽的平均電壓。

電解單元槽電壓與電流密度之間的關(guān)系如下述公式：

式中，E1—電流密度為λ1（V）時(shí)的槽電壓；

E2—電流密度為λ2（V）時(shí)的槽電壓；

E0—系數(shù)（2.42 V）此值為旭化成提供的標(biāo)準(zhǔn)單元槽電壓值；

圖2 天偉化工原始開(kāi)車后電流效率與直流電耗數(shù)據(jù)

λ—電流密度（kA/m2）。

由上述公式推算天偉化工各個(gè)單元槽電壓，計(jì)算得出天偉化工離子膜電解槽電流在某一值時(shí)，其平均電壓高于根據(jù)旭化成提供的最佳電流密度5.5 kA/m2、槽溫90 ℃、單元槽電壓為2.94 V 這一數(shù)據(jù)推算的平均電壓，從而導(dǎo)致電流效率值低于期望電流效率值。圖3 即為電解槽開(kāi)車后在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中用標(biāo)準(zhǔn)電壓推算的平均電壓。

圖3 某一電流值下天偉化工與天業(yè)化工標(biāo)準(zhǔn)單元槽電壓對(duì)比

由圖3 可以看出，天業(yè)化工單元槽電壓開(kāi)車后下降趨勢(shì)明顯，單元槽電壓降至2.805 V 附近時(shí)趨于平緩，天偉化工單元槽電壓下降趨勢(shì)緩慢，單元槽電壓下降至2.805 V 附近時(shí)趨于平緩，但是天偉化工單元槽電壓下降時(shí)間短于天業(yè)化工5～8 天，而這一數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了天偉化工離子膜電解槽單元槽墊片優(yōu)于天業(yè)化工，蠕壓變形期短。

2.3 影響直流電耗的因素

通過(guò)圖2、圖3 得出影響直流電耗的因素如下。

（1）影響直流電耗的最大因素是單元槽電壓。天偉化工與天業(yè)化工差異不是很明顯。為使這一結(jié)論更有說(shuō)服力，下面通過(guò)實(shí)運(yùn)行中的電解槽單元槽電壓進(jìn)行比較說(shuō)明影響電流效率的因素。

現(xiàn)將天偉化工原始開(kāi)車后4 個(gè)月內(nèi)電流密度為某一值時(shí)實(shí)際測(cè)得單元槽電壓與天偉化工原始開(kāi)車后2 個(gè)月內(nèi)電流密度與天業(yè)化工為同一值時(shí)實(shí)際測(cè)得單元槽電壓隨機(jī)抽取76 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4。

從圖4 可以得出，相同電流下天偉化工與天業(yè)化工單元槽電壓基本相同，對(duì)兩者直流電耗與電流效率的差異性影響較小。

原始開(kāi)車后，膜條件相同，則膜電壓對(duì)槽電壓影響的差別性基本不存在。如果工藝控制指標(biāo)與工藝流程差別不是很大， 則單元槽電壓的區(qū)別性也較小。因此，在電解槽初始開(kāi)車后針對(duì)單元槽電壓影響電流效率的驗(yàn)證通過(guò)上述公式即可完成。

（2）在電流相同，電壓相同的條件下，影響直流電耗的因素只有堿產(chǎn)量，而堿產(chǎn)量也直接影響著電流效率。2 個(gè)工廠電流效率數(shù)據(jù)比較見(jiàn)圖5。

由圖5 可以得出，天業(yè)化工離子膜電流效率高于天偉化工0.136%。

（3）成品堿產(chǎn)量計(jì)算

在單元槽電壓區(qū)別不大的情況下，重點(diǎn)分析成品堿產(chǎn)量。

公司成品堿產(chǎn)量按下式計(jì)算。

圖4 2個(gè)工廠在同一電流密度時(shí)單元槽電壓比較

圖5 天業(yè)化工與天偉化工電流效率數(shù)據(jù)比較

式中，Q2—本次成品堿流量；

Q1—上次成品堿流量。

密度=0.984 5-（濃度）2×0.000 05-（溫度）2×0.000 000 5+濃度×0.013 35-溫度×0.000 595

旭化成提供的最佳電流密度為5.5 kA/m2，槽溫為90 ℃時(shí)期望單元槽電壓為2.94 V。針對(duì)這一最佳數(shù)據(jù)，此時(shí)的堿產(chǎn)量在其他理論條件下應(yīng)該是相同的。通過(guò)圖6 比較天偉化工與天業(yè)化工原始開(kāi)車后電解槽溫度變化。

通過(guò)以上堿產(chǎn)量計(jì)算公式，得出溫度對(duì)成品堿產(chǎn)量影響比較小。

圖6 天偉化工與天業(yè)化工電解槽溫度對(duì)比

（4）通過(guò)陰極循環(huán)量分析成品堿產(chǎn)量

電解液必須保持足夠的循環(huán)量。根據(jù)旭化成提供的經(jīng)過(guò)每臺(tái)單元槽最佳陰極流量為0.3 m3/cell。

天業(yè)化工一期4 臺(tái)離子膜電解槽陰極流量為0.38×126=37.88 （m3/h）， 正常生產(chǎn)中控制流量為38 m3/h。 天偉化工3 臺(tái)離子膜電解槽陰極流量為0.38 m3/h·cell，正常生產(chǎn)中控制流量低于最佳流量0.48 m3/h，相對(duì)于旭化成要求每臺(tái)電解槽陰極循環(huán)量減少了0.48 m3/h，導(dǎo)致陰極循環(huán)量總體1.2 m3/h。而陰極循環(huán)量的減少直接影響著電解槽內(nèi)的氣液比率。陰極循環(huán)量減少后，為保證陰極液濃度滿足工藝要求，從堿液高位槽至電解槽的堿配水會(huì)相應(yīng)減少，因此影響整個(gè)系統(tǒng)的堿液量[1]。

為此，希望將陰極液流量提高至理論最佳流量。通過(guò)以上2 工廠數(shù)據(jù)比對(duì)，得出電流效率低、直流電耗增加的原因?yàn)閍.成品堿流量計(jì)計(jì)量問(wèn)題，希望通過(guò)糾正計(jì)量器來(lái)排除這一可能因素；b.陰極循環(huán)量不足導(dǎo)致堿產(chǎn)量不足。

3 結(jié)語(yǔ)

在零極距離子膜電解槽初始運(yùn)行階段，細(xì)節(jié)管理也非常重要。工藝管理要細(xì)致化，從鹽水質(zhì)量、純水質(zhì)量、高純鹽酸質(zhì)量、反向電流的克服、工藝指標(biāo)的控制等細(xì)微處著手，通過(guò)精細(xì)管理來(lái)提高電流效率，降低直流電耗，延長(zhǎng)電解槽設(shè)備、墊片、離子交換膜、單元槽框等壽命。

［1］隋 燕.淺議影響離子膜電解槽電流效率的因素.廣州化工，2014（2）：140－141.