海水電解制氯電解槽蓋板裂紋原因分析及防范

魏春芝

摘 要：文章針對(duì)某電廠電解海水制氯加藥系統(tǒng)，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電解槽有機(jī)玻璃蓋板出現(xiàn)輕微裂紋，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)PVC管道裂開(kāi)現(xiàn)象，造成系統(tǒng)不可用的問(wèn)題，分析了引起裂紋的原因，從存在弱電解到產(chǎn)生氫氣、氯氣，氫氣、氯氣在一定條件下混合引發(fā)自發(fā)連鎖反應(yīng)，形成瞬時(shí)高壓力引起設(shè)備損壞的過(guò)程，并針對(duì)此問(wèn)題提出了防范措施，避免設(shè)備損壞。

關(guān)鍵詞：電解；制氯；氫氣；氯氣；爆炸

中圖分類號(hào)：X781.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0135-02

Abstract： Aiming at the chlorine-dosing system of electrolytic seawater in a power plant， a slight crack was found in the plexiglass cover plate of electrolytic cell in the course of using， and the PVC pipe of the system was cracked when it was serious， which resulted in the problem that the system could not be used. The reasons for the crack were analyzed. From the existence of weak electric solution to the production of hydrogen and chlorine gas， the mixture of hydrogen and chlorine gas can initiate spontaneous chain reaction under certain conditions， forming the process of equipment damage caused by instantaneous high pressure， and the preventive measures are put forward to avoid the equipment damage.

Keywords： electrolysis； chlorine production； hydrogen； chlorine； explosion

1 概述

在海濱建設(shè)的發(fā)電廠，多數(shù)采用海水作為循環(huán)冷卻水，為了抑制微生物對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的侵蝕和附著，采用電解海水制取次氯酸鈉溶液，以連續(xù)加藥和沖擊加藥的形式，加入循環(huán)水取水前池。里面的有效氯能抑制或殺死海生物的幼蟲(chóng)或孢子，以解決海生物及菌藻類在循環(huán)冷卻水水工構(gòu)筑物、管道和凝汽器鈦管上附著繁殖，引起通流面積減少，影響輸水能力、降低凝汽器效率，以致迫使機(jī)組降低負(fù)荷運(yùn)行，影響發(fā)電。

2 電解海水制氯原理

海水中含有一定量的NaCl，平均含量在32%左右，在直流電流的作用下，會(huì)在兩極發(fā)生電解反應(yīng)，反應(yīng)式為：

陽(yáng)極反應(yīng)：2Cl--2e→Cl2↑

陰極反應(yīng)：2Na++2e+2H2O→2NaOH+H2↑

電解槽內(nèi)反應(yīng)：Cl2+2NaOH→NaClO+NaCl+H2O

電解總反應(yīng)：NaCl+H2O→NaClO+H2↑

電解制氯系統(tǒng)利用整流后的直流電解，通入電解槽進(jìn)行反應(yīng)，制取次氯酸鈉溶液。電解制氯組件分為A、B、C、D四組，每組分為兩列，每列由11個(gè)電解槽串聯(lián)而成，共88個(gè)電解槽，電解槽最大承受壓力0.38MPa，正常運(yùn)行壓力為0.2MPa左右，每列電解槽入口均有電接點(diǎn)壓力表，壓力超過(guò)0.3MPa時(shí)會(huì)有超壓報(bào)警。

電解槽為板網(wǎng)式透明結(jié)構(gòu)電解槽，槽蓋為透明亞克力材料制成，運(yùn)行人員在運(yùn)行過(guò)程中可以透過(guò)槽蓋直接觀察槽內(nèi)反應(yīng)情況，以及直觀判斷和掌握電解槽結(jié)構(gòu)和酸洗情況，陽(yáng)極板網(wǎng)式結(jié)構(gòu)和板式陽(yáng)極相比，增加了海水的湍流，提高了電流效率。

3 問(wèn)題描述

3.1 蓋板裂紋

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)電解槽透明有機(jī)玻璃蓋板螺栓孔外側(cè)突然出現(xiàn)了裂紋，并對(duì)其它蓋板進(jìn)行檢查，共發(fā)現(xiàn)有裂紋蓋板18處。從裂紋形狀分析出，是蓋板承受了內(nèi)部壓力超過(guò)規(guī)定值受到了損傷出現(xiàn)了裂紋。出現(xiàn)裂紋的電解槽都是在備用狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)的，期間未出現(xiàn)海水側(cè)“系統(tǒng)壓力高”超壓報(bào)警信號(hào)。技術(shù)人員、廠家圍繞裂紋進(jìn)行分析，排除了正常運(yùn)行超壓的因素，但對(duì)引起上述問(wèn)題的疑問(wèn)并沒(méi)有解決，也沒(méi)有確定超壓原因，僅對(duì)有裂紋的蓋板進(jìn)行了更換。

3.2 PVC管道損壞

隨后備用中的一組電解槽又出現(xiàn)了兩處蓋板裂紋，現(xiàn)象同前一階段出現(xiàn)的裂紋相似，另外還出現(xiàn)了此列電解槽所有上部管道彎頭處PVC管裂開(kāi)，并在裂開(kāi)的同時(shí)伴有較大的聲響，同時(shí)電解槽周圍伴有白色煙霧狀現(xiàn)象。管道呈N型陣列連接，每個(gè)電解槽上部會(huì)形成一個(gè)獨(dú)立的氣腔，各氣腔間有海水封堵，此次有8個(gè)電解槽上部的氣腔同時(shí)發(fā)生了超壓破裂現(xiàn)象。

4 分析與解決

從蓋板裂紋到PVC管道損壞兩件事聯(lián)系在一起分析，在出現(xiàn)這些現(xiàn)象前，系統(tǒng)無(wú)任何報(bào)警信號(hào)。只有系統(tǒng)內(nèi)存在瞬間超壓時(shí)，才不會(huì)使壓力表報(bào)警，管道破裂只是瞬間壓力超過(guò)了PVC管道破壞應(yīng)力。瞬間超壓就一種可能，即產(chǎn)生爆炸性氣體混合物，在密閉空間內(nèi)引起爆炸。從海水電解方程式可以看出，電解產(chǎn)物中能形成爆炸的氣體就是氫氣、氯氣的混合物，氯氣中含氫氣達(dá)到爆炸極限范圍（即氫氣含量占氯、氫混合氣總量的5%～86%）在特定條件下會(huì)發(fā)生劇烈化合、發(fā)出高熱，形成較高的爆炸壓力。

4.1 氣體產(chǎn)生

系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，先停運(yùn)整流器，然后用海水對(duì)電解槽內(nèi)殘留的氯（氫）水混合物進(jìn)行了沖洗和置換，置換完成后將電解槽兩側(cè)入、進(jìn)、出水閥關(guān)閉備用，備用時(shí)系統(tǒng)內(nèi)海水里面基本不含氫氣。在停運(yùn)備用期間，故障電解槽出現(xiàn)系統(tǒng)壓力高報(bào)警，檢查出入口閥門在關(guān)嚴(yán)位置，其它未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，開(kāi)啟取樣閥將系統(tǒng)壓力泄放，壓力表歸零，報(bào)警消失。在此后的五六個(gè)小時(shí)內(nèi)，又出現(xiàn)系統(tǒng)壓力高報(bào)警，采取同樣的措施消除壓力高報(bào)警。

上述情況證明了電解槽存在微弱電流，使兩極板間發(fā)生電解，反應(yīng)生成氣體集聚。因反應(yīng)過(guò)程較緩慢，人員不易察覺(jué)，造成系統(tǒng)壓力緩慢升高，并在電解槽上部形成氣腔，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)內(nèi)液體受壓引起壓力表超壓報(bào)警。

4.2 氣體鏈鎖反應(yīng)

從電解方程式可以看出，海水中NaCl分子在直流電解作用下，在陽(yáng)極生成Cl2，Cl2又與水中正極生成的NaOH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成NaClO，沒(méi)有來(lái)得及反應(yīng)的Cl2溢出到水面。在陰極板產(chǎn)生的H2，因不與溶液內(nèi)物質(zhì)反應(yīng)，直接溢出，使電解槽內(nèi)形成氫氣、氯氣的混合性氣體。

氯、氫混合氣中氫含量15%～83%（體積）時(shí)，混合氣體中氯氣分子在有水蒸氣存在或光照的條件下，很容易離解為兩個(gè)氯原子，即Cl2=2Cl進(jìn)而Cl+H2=HCl+H、H+Cl2=HCl+Cl，H、Cl原子交替和氫氣、氯氣分子反應(yīng)，形成了自發(fā)鏈鎖反應(yīng)。電解槽中含有較多水蒸氣，以致不需強(qiáng)光照射條件就可使大量的氯分子分解成氯原子，與氫氣混合時(shí)，大量的氯原子產(chǎn)生有利于鏈鎖反應(yīng)迅速進(jìn)行，反應(yīng)中放出的熱量來(lái)不及擴(kuò)散而引起爆炸。此反應(yīng)極易進(jìn)行，很難控制。爆炸后的產(chǎn)物為HCl，遇到空氣中水蒸汽時(shí)，會(huì)形成酸霧（所謂的白霧）。

氯、氫混合氣體發(fā)生爆炸燃燒，爆炸壓力約9.8MPa/cm2，較電解槽蓋板及管道設(shè)計(jì)壓力大許多倍，能破壞設(shè)備、管道、建筑結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件，因此要重視氫氯混合氣體的危害。

電解系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于海水流動(dòng)的擾動(dòng)，生成的氯氣容易與液體中的氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)生成氯酸鈉，少量溢出氯氣和氫氣的混合體積達(dá)不到燃燒濃度很難發(fā)生鏈鎖反應(yīng)，即便發(fā)生燃燒反應(yīng)，因系統(tǒng)為開(kāi)放式，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成超壓損壞。

對(duì)于系統(tǒng)PVC管道損壞情況看，同時(shí)出現(xiàn)八個(gè)破裂口，主要原因是各個(gè)氣腔內(nèi)產(chǎn)生的氫氯混合氣體濃度大致相同，工況大致相同，混合氣體發(fā)生鏈鎖幾乎在同時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致了多個(gè)破口同時(shí)出現(xiàn)。反過(guò)來(lái)，八個(gè)破口同時(shí)出現(xiàn)，這也反向證明了氣體鏈鎖反應(yīng)是在同時(shí)發(fā)生的。

4.3 弱電來(lái)源

直流電解設(shè)備包括高壓開(kāi)關(guān)、整流變壓器、可控硅整流器、控制板組成，正常備用期間，整流器電流輸出旋鈕在零位，停運(yùn)開(kāi)關(guān)在停止位，雖然沒(méi)有明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，設(shè)備正常情況下不會(huì)有輸出電壓。但另外一種情況除外，在整流控制板出現(xiàn)故障的情況下，會(huì)使可控硅意外觸發(fā)出現(xiàn)輸出電壓漂移。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整流器控制板進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)控制板存在不穩(wěn)定情況，確定為控制板因質(zhì)量原因性能不穩(wěn)定造成輸出不受控，電解槽出現(xiàn)微弱電解，也證明了整流器存在直流輸出。

4.4 解決措施

經(jīng)過(guò)分析工藝過(guò)程和電解原理，為了避免電解槽出現(xiàn)微弱電解現(xiàn)象，引發(fā)設(shè)備損壞，主要有以下幾種方式進(jìn)行避免。

（1）消除電解質(zhì)。將電解槽內(nèi)海水用生活水沖洗干凈后并放空，使電解反應(yīng)降到最低。此方式需要進(jìn)行大量的閥門開(kāi)關(guān)及倒換，操作時(shí)間長(zhǎng)、工作量大，并浪費(fèi)生活水資源。此方式因沒(méi)有電解質(zhì)，也不會(huì)產(chǎn)生混合氣體引起爆炸，但也避免不了電氣故障直流有輸出。

（2）開(kāi)啟取樣閥。將電解槽密閉空間改為敞口條件，此方式只能避免壓力緩慢升高引起的破壞，如果混合氣體體積量夠大，發(fā)生鏈鎖反應(yīng)瞬間壓力升高，取樣管口來(lái)不及泄除壓力，還會(huì)引起管道破壞，此方式也不能避免微弱電解的存在。

（3）將整流器高壓側(cè)電源斷開(kāi)。從電氣系統(tǒng)上看，高壓電源經(jīng)高壓斷路器、整流變壓器、可控硅整流器至直流正負(fù)極，如果斷開(kāi)高壓斷路器，將徹底斷絕整流系統(tǒng)電源，即使整流器可控硅意外損壞或控制板故障，都不會(huì)有直流輸出，徹底消除了能量源，使微弱電解不能再發(fā)生。

通過(guò)分析可以看出，電解槽在非運(yùn)行期間斷開(kāi)整流變壓器高壓斷路器操作最方便，且能徹底消除微弱電解，使系統(tǒng)處于安全備用狀態(tài)。采用此方式后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，裂紋現(xiàn)象消失。

5 結(jié)束語(yǔ)

電解槽在備用狀態(tài)出現(xiàn)微弱電解，由于在監(jiān)視畫面上看不出電流有輸出，是因?yàn)殡娏髁砍梯^大，對(duì)小電流不敏感，就地觀察電解槽透明蓋板內(nèi)部，也無(wú)明顯電解氣泡存在，只能看到直流電壓有二十、三十幾伏的輸出，容易誤判為正?，F(xiàn)象，此時(shí)弱電解在時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生，隨著氫氣、氯氣的集聚，在合適條件下引發(fā)鏈鎖反應(yīng)就可能引起瞬時(shí)超壓，損壞設(shè)備?；旌蠚怏w體積量的多少，發(fā)生鏈鎖反應(yīng)引起的超壓能量也不近相同，輕則使電解槽蓋板出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道爆裂、設(shè)備損壞。

通過(guò)對(duì)電解槽弱電解引起氣體鏈鎖反應(yīng)的分析，控制弱電解的發(fā)生，是避免電解系統(tǒng)發(fā)生氫氯氣體鏈鎖反應(yīng)的主要途徑。

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