膜极距电解槽改造技术工作总结及相关计算

石 敏，王红东

（烟台万华氯碱有限责任公司，山东 烟台 264002）

膜极距电解槽改造技术工作总结及相关计算

石 敏，王红东

（烟台万华氯碱有限责任公司，山东 烟台 264002）

介绍了将低电密离子膜电解槽改造成膜极距的改造内容及节能效果。

低电密；膜极距；弹性网；活性阴极；槽温；氢气余热

随着离子膜烧碱生产技术的快速发展，离子膜电解槽不断更新换代，目前，已经完成低电密-高电密-膜极距的过渡，单台槽的能力逐步提高，单位产品能耗逐步下降。随着国内氯碱行业节能降耗压力的不断增大，作为氯碱行业最先使用的低电密自然循环复极式离子膜电解槽 （以下简称低电密离子膜电解槽）节能改造迫在眉睫。2010年12月，烟台万华氯碱有限责任公司（以下简称烟台万华氯碱）在国内氯碱行业率先完成了成套的低电密离子膜电解槽节能改造。

1 低电密离子膜电解槽的改造情况

烟台万华氯碱2003年引进2台日本旭化成1.5万t/a的低电密离子膜电解槽，已运行近8年。2010年10月运行电流为10.5 kA,电流密度为3.889 kA/m2，槽温为85℃，平均槽电压为3.183 V，直流电耗达到2 231 kW·h，电流效率呈直线下降趋势。为应对节能降耗严峻形势，针对电槽运行现状，经过充分调研、分析，最终在低电密→高电密改造和低电密→膜极距改造之间选择了工期短、投资省的低电密→膜极距改造方案，并确定了国内离子膜电解槽生产企业蓝星北化机作为合作伙伴，使用旭化成F-6801离子膜。

此次改造在不改变低电密电解槽内部结构、阳极也不重涂的情况下，只对低电密离子膜电解槽的阴极进行膜极距改造，即保留原阴极网为阴极底网，阴极底网上铺镍基材弹性网和包覆网，最外侧铺装镍基材活性网，采用镍带焊接，改造后的单元槽阴极侧要求网表面平整，弹性均匀，网面无可触摸到的断丝。增加膜极距电解槽必备的极化整流器。

运行上，阴极液循环量由30m3/h增大至36m3/h，电解液循环时，手动按1∶2的比例往阳极入口补加纯水以保证阳极侧稀盐水循环。其他工艺参数维持原状。

此次改造历时15天，完成253个单元槽的改造。

为了确保膜极距电解槽开车顺利，在装假膜电槽挤压、水洗后，重新对单元槽阴极进行毛刺检查，基本上消除了膜极距电槽扎膜的现象。

2台电槽相继于2010年12月19日和26日一次开车成功。改造后，运行电流为10.8 kA,电流密度为4 kA/m2，槽温为78.9℃，平均槽电压为2.889 V，直流电耗达到2 010 kW·h。

改造前后比较情况分别见表1、表2。

低电密离子膜电解槽改为膜极距后，极距缩短，电阻降低，槽温降低，由表2可以看出槽温由85℃降为78.1℃。

2006年投产的高电密电槽槽温为89℃，因此增加1台89℃氢气与78.1℃循环碱液间接换热器，可以提高槽温5℃，降低氢气含水，、氢气温度和氢气处理工序负荷。改造区域示意图见图1。

表1 二次盐水比较表

表2 运行指标比较表

2 增加的换热器面积计算及节能效果

（1）计算依据

a.假设烧碱温度由78℃升至86℃；氢气温度由89℃降至87℃。

b.78~85℃的30%~32%烧碱的比热为0.87 kJ/（kg·℃）；87 ℃水蒸气焓值为 2 300 kJ/kg

c.87℃水蒸气的分压为0.64 kg/cm2；89℃水蒸气的分压为0.714 kg/cm2。

d.列管式不锈钢换热器的换热系数为500 kJ/（m2·℃）

e.氢气由89℃降至87℃，碱由78℃升至86℃，取平均温差△tm=6℃。

f.进列管式不锈钢换热器两种物料量

I期进槽烧碱流量为72m3/h，烧碱密度为1.3t/m3，

所以，烧碱流量：72×1.3=93.6（t/h）；

II期氢气产量为0.17万t/a，相当于212.5 kg/h。

（2）氢气中水蒸气冷凝产生的热量的计算

87℃水蒸气的分压为0.64 kg/cm2。假设出电解槽的氢气在87℃时含有的水蒸气量为w1，

89℃水蒸气的分压为0.714 kg/cm2。假设出电解槽的氢气在89℃时含有的水蒸气量为w2。

氢气温度由89℃降至87℃产生的水蒸气量为：

w2-w1=4 872-3 469=1 403（kg/h）

87℃水蒸气焓值为2 300 kJ/kg

所以，水蒸气冷凝产生的热量即氢气可提供的热量为：

Q1=1 403×2 300=3 226 900（kJ/h）

（3）烧碱升高6℃吸收的热量计算

烧碱温度由78℃升至86℃

烧碱需吸收的热量为：

Q2=93.6 t/h×1 000×0.87 kJ/kg·℃×6℃

=488 592 kJ/h

折算成蒸汽量488 592 kJ/h÷2 300 kJ/kg

=212 kg/h

（4）由以上计算可知，氢气中水蒸气冷凝产生的热量3 226 900 kJ/h，远远大于烧碱升高6℃所能吸收的热量488 592 kJ/h， 为3 226 900/488 592=6.6倍。所以，按烧碱升高6℃所能吸收的热量计算列管式不锈钢换热器的换热器面积。

（5）列管式不锈钢换热器的换热器面积计算

不锈钢换热器的换热系数取500 kJ/（m2·℃）

△tm=6℃

Q=ks△tm

以烧碱吸收的热量计算

设换热器的面积为S

488 592 kJ/h=500 kJ/m2·℃×S×6 ℃

S=163 m2，取 200 m2

（6）利用II期氢气的热量提升I期入槽烧碱的温度后，槽温提升6℃，可降低槽电压，每吨烧碱降低电耗约30 kW·h，节约蒸汽20 t/d。

3 结语

此次改造达到了预期目标，节能效果相当明显。改造前后吨碱耗电降低213 kW·h与2005年相比下降113 kW·h；产能得到了提升、延长了设备使用寿命。实践证明，低电密离子膜电解槽膜极距改造是工期最短、投资最省的节能改造方案。从表观上看，低电密离子膜电槽膜极距改造后，出口喘动影响装置的生产能力，膜极距电解槽槽温低，影响了装置节电效果，用蒸汽提高槽温的方案不可取，应利用余热。膜极距电解槽运行控制的优化、膜极距电槽的管理等问题应引起氯碱行业和电槽制造单位的重视。

Summary of innovation technology of membrane polar distance and its calculation

SHI Min,WANG Hong-dong
(Yantai Wanhua Chlor-alkali Co.,Ltd.,Yantai 264002,China)

The innovation contents of transforming the low distance ionic membrane electrolyzer into membrane polar distance and energy effects were introduced.

low current density;membrane polar distance;elastic network;activated cathode;bath temperature;waste heat of hydrogen gas

TQ114.26

B

1009－1785(2011)10-0006-02

2011-04-11