离子膜电解槽的改造运行总结

离子膜电解槽的改造运行总结1电解槽结构碱装置安装了18台ZMBCH-2.7高电流密度自然循环复极式离子膜电解槽，单台能力为2万t/a。该类型单元槽由阴阳极半壳、离子膜和mm×1310mm×41mm,阳极片为百叶窗式，在阳极半网状结构。在阴、阳极半壳内各配1根插入单元槽上部的溢流管作为在阴、阳极网上平均分布68根F4间隔条(尺寸为286mm×8mm图1电解单元槽内部结构示意图ZMBCH-2.7型自然循环复极式离子膜电解槽由若干个独立的单元槽悬挂在电解槽架上构成，通过压紧螺栓将各单元槽压紧在槽架的固定板上。入电解槽的盐水支管、碱液支管在槽架固定板的两侧，碱液总管、淡盐水总管安装在电解槽的下方，每台电解槽配有146个单元电解槽安装示意图见图2。图2电解槽安装示意图2电解槽运行中出现的问题及改造措施2.1电解槽电流效率低2.1.1电流效率计算方法离子膜电解槽电流效率(电流效率定义：电解槽的实际烧碱产量与理论烧碱产量之比)是评价离子膜电化学性能的关键指标，也是判定电解槽经济运行状况的主要依据。离子膜电解槽电解反应的基本原在离子膜电解槽阳极室(图3左侧),盐水在离子膜电解槽中电离成Na和Cl,其中Na在电荷作用下，通过具有选择性的阳离子膜迁移到阴极室(图3右侧),留下的Cl在阳极电解作用下生成氯气。阴极室的H₂O电离成为H和OH,其中OH被具有选择性的阳离子挡在阴极室与阳极室过来的Na结合成为产物NaOH,H在阴极电解作用下生成氢气。图3离子膜电解槽电解反应的基本原理示意图电解槽的电流效率一般采用含氧法和产量法进行计算，两种方法计算差别比较大。含氧法受分析环境、个人误差、仪器误差等影响，误差较大，如：氯含氧值波动1%时，电流效率相差2%;产量法计算时需要统计准确碱产量。(1)含氧法电流效率计算公式：(2)产量法电流效率计算公式：2.1.2针对电流效率低进行的改造电流效率与电解槽阳极液相系统的pH值密切相关。改变当前加酸不均衡的现状，通过研发精确有效的加酸模式既能提高离子膜的电的加入量，降低盐酸单耗。金川化工离子膜烧碱装置单元槽电压靠人工测量，不能及时准确地判断电解槽的运行状况并有效指导生产。开发并应用电解槽的数字化诊断系统和槽电压监测模块，利用计算机远程监控单元槽电压的实施数据，以保证电解槽长期在最佳的低电压状技术人员通过跟踪盐水pH值及其与电流效率的变化趋势，经过不断摸索，研发了一种自动化程度较高、大幅减少阳极液副反应、延长离子膜使用寿命的新型加酸技术。该技术缩短了升降负荷期间盐酸流量的调整时间，加快了操作速度，减轻了劳动强度。电解槽阳极液pH值阶梯式自动调控工艺流程如图4所示。1—盐水高位槽；2—淡盐水循环槽；3—稀盐酸储罐；4—离子膜电解槽；5—管道混合器；6—淡盐水输送泵；7—盐酸输送泵；8—pH计；9—加酸自动阀；10—电解槽出口淡盐水pH计；11—自动阀；12—盐水流量计；13—盐水自动阀。图4电解槽阳极液pH值阶梯式自动调控工艺流程图将质量分数为31%的盐酸用泵输送至稀盐酸储罐3,联锁加纯水配制成质量分数为17%左右的稀盐酸，通过盐酸输送泵7进行电解槽阳极液两级加酸操作。盐水高位槽的饱和精盐水与淡盐水循环槽中的含氯淡盐水按照流量比6:1混合后加入稀盐酸，依靠管道混合器5的充分反应，将pH值为9~11的碱性盐水初步调整为pH值为5~7的弱酸性盐水；一次加酸后的盐水在单台电解槽入口继续加入稀盐酸维持电解槽出口淡盐水pH值在2.5~3。正常生产时，由于精盐水管道为钛管，直接添加31%盐酸会腐蚀钛材，当盐水中含有适量游离氯将大大降低槽1流出的精盐水与淡盐水输送泵6送出的富氯淡盐水混合，通过pH计8与加酸自动阀9的联锁调整及管道混合器5充分反应后，碱性盐水初步调整为弱酸性盐水；然后在离子膜电解槽4入口利用自动阀11加入稀盐酸，通过三道弯头及槽头过滤器的混合作用，达到出槽盐水pH计10稳定控制在2.5~3的目的，从而实现加酸过程的稳定和操作的便利。电解槽阳极出口pH值实测值如表1所示，此时电流效率为表1电解槽阳极出口pH值实测值日期日期日期2.2单元槽电压高2.2.1标准槽电压的计算标准槽电压是指电解槽内相邻阴阳极之间的电压降，此数值可用直流电压表测出。当电解槽在不同负荷下运行时，为便于观察电解槽单槽电压升降趋势变化，取10.8kA时电压作为标准电压进行比较。其具体计算公式如下：式中：E₁为电流I₁时的槽电压，V;E₂为标准电流I₂时的槽电随着电解槽运行时间的延长，直流电耗会逐渐升高。离子膜从投入使用到使用结束，单元槽标准电压从2.85V升至3.28V(见表2),电流效率从97%降至93%左右，直流电耗变化情况计算如下。(1)新膜运行初期，标准槽电压为2.85V,电流效率为97%,电化当量为1.492g/(A·h),直流电单耗为：2.85÷(1.492×97%)×1000≈1969(2)电解槽运行至后期(离子膜使用寿命结束时),标准槽电压上升至3.28V,电流效率降至93%左右，则直流电单耗为：3.28÷(1.492×93%)×1000≈2表22019—2022年离子膜电解槽标准槽电压统计表2月3月4月5月6月8月9月10月11月12月通过以上计算可以看出：离子膜使用期间吨碱直流电耗从1969kW·h上升至2363.9kW·h,上升了394.9kW·h。因此，控制较高的电流效率和较低的槽电压是离子膜电解槽经济运行的主要手段。金川化工离子膜烧碱系统每台电解槽安装146个单元槽，采用人工测量电压方式，槽电压变化趋势无法及时反映在DCS控制系统，给电解槽的安全运行造成极大隐患；同时，离子膜烧碱电解槽采用10组单元槽共用1台电压测定诊断装置，该方式适用于长期高负荷平稳运位差失真，无法及时准确掌握电解槽运行参数并定位发生故障的离子膜或单元槽的具体位置，也不能根据准确的槽电压反映离子膜的性能(电流效率),亦无法使操作人员采取正确的系统调整手段。2.2.2单元槽电压偏高时的联锁保护金川化工依据18台电解槽运行情况和多年的操作经验，经过大量的资料搜索收集及长期的摸索实践，将单元槽精细化控制与电解槽系统联锁保护结合，研发了离子膜电解单元槽数字化诊断系统。利用计算机远程监控技术监控槽电压的实时数据，确保电解槽长期处于最现终端槽电压耗能的科学管理和有效利用。当电解槽处于开车、停车、负荷调整等操作条件时，单元槽电压而该系统的应用可及时判断上述状况并采取相应的联锁保护，保证了电解槽的长期安全、稳定、经济运行(较高的电流效率、较低的槽电压),延长了离子膜的使用寿命，降低电解槽管理及维护费用、人工成金川化工最终选择1台离子膜电解槽建立单元槽电压监控、通信与工艺指标联锁控制结合的自动化试验，以此为其他17台电解槽使用积累经验，提供更完善的槽电压监控技术。(1)经相关技术人员计算，系统研究应用了共模电压可达的低电压测试模块(1~4VDC),提高单元槽电压的准确性。(2)进行单元槽电压变化和离子膜出现针孔的数据变化的研究，选择经济高效的单元槽电压测试设备，对单元槽电压异常变化以及对现有离子膜的影响进行试验。为增强整个生产设备的安全稳定性，在DCS控制回路中设置联锁、警告投用开关，当在线使用的离子膜电解掌握电解槽系统在负荷变化时单元槽框槽电压的变化趋势。(3)精确监测整个电解槽电压。计划停车)时计算的标准电压绘制单元槽电压变化曲线，以此为依据计算电解槽的电流效率。系统控制逻辑图见图5,系统网络图见图6,单元槽电压信号与DCS的连接方式见图7。离子膜电解槽通过上述自动化试验，取得了良好的试验效果，可以推广到所有电解槽。目前金川化工已根据试验结果，对电解槽单元槽电压监控系统中的数据处理和判断控制条件做了一些优化，优化后应用到其他17台电解槽上。通过对槽电压在高电流密度下的变化趋势进行性能研究，应用了槽电压在线监测模块，及时准确地发现离子膜破损、泄漏等异常情况，实现了对离子膜电解槽电压的精确稳定监测，槽电压平均下降了0.05V,离子膜电流效率提高了0.87%,吨碱直流电耗达到氯碱工业清洁生产一级水平。电解工序电解工序化验室数据化验室数据槽图5系统控制逻辑图QP50(ENC)OP51QP52OP53集联检测控制站图6系统网络图工业以太网现场控制站IO柜系统冗余中央图7单元槽电压信号与DCS的连接方式(4)对槽电压检测制作了专用的偏差报警软件功能块。由于电压和电流并非线性关系，在功能块中还考虑了电解槽前后不同区域温度、压力及流量等因素的差别，根据不同的电流及运行状态进行偏差报警。在开车升电流的过程中，偏差报警功能块能及时准确定位发生故障的电解槽，不需要操作人员到电解槽现场通过电压表对每个单元槽进行测量，避免了人工测量造成的误差，缩短了开车时间，大大提高了开车效率。槽电压出现严重异常时可启动联锁保护系地避免了损失。2.3电解槽压差控制不稳定2.3.1原有电解槽压差控制存在的问题离子膜电解槽运行时都是阴极室压力大于阳极室压力，其目的是让离子膜紧贴着阳极。其主要原因如下。电解