电解海水制氯系统的研究和优化

裴长运,,

（1.国核电力规划设计研究院,北京 100095；2.菏泽赵楼电厂,山东 菏泽 274000）

电解海水制氯系统的研究和优化

裴长运1,李 冬1,常文强2

（1.国核电力规划设计研究院,北京 100095；2.菏泽赵楼电厂,山东 菏泽 274000）

针对常规电解海水制氯系统运行中的问题：系统稳定性差、结垢和酸洗较多，溶液中有气泡，提出了系统优化方法，并从海水过滤器、电解槽和酸洗设备三个方面进行了比较研究。运行结果表明：常规系统中增加次氯酸钠回路、中间排氢和设置底部排污，使系统稳定性增强，能耗和结垢减少，酸洗周期延长。设备比较结果表明：海水过滤器选用自动反冲洗过滤器，过滤效果好；复极式电解槽比单极式电解槽性能更优越、性价比更高

电解海水制氯；系统优化；复极式电解槽 ；电极清洗

1 工作原理

电解海水制氯技术是利用电解海水产生强氧化性的有效氯，来杀死或击晕海生物和海生物的孢子、幼虫等，从而防止冷却水系统附着海生物。目前，这种技术被广泛应用于海水作为冷却水的工业，如滨海电厂、滨海核电站、化工厂、船舶、炼钢厂、炼铝厂等。

有效氯是指HClO、ClO- 和Cl2，它们由以下电化学反应式产生：

除以上主反应外，同时还存在副反应 : Mg2++2OH- → Mg (OH)2；Ca2++2OH- → Ca (OH)2；Mn2++2OH- → Mn (OH)2等。

从反应式1～4可以看出，要想反应不断进行，必须排出氢气，减少溶液中氢气含量，同时抑制副反应，去除盐类沉积物，提高主反应的进行，促进有效氯的生成。

2 系统的问题及优化

目前，在运行的常规电解海水制氯系统如图1所示：

图1 常规电解海水制氯系统图

现场运行中发现，此系统有以下几个问题：

（1）当进水流量变化时，电解槽的进液流量也随之变化，容易引起反应状态变化，电解效率降低。

（2）当进水所含组分发生变化，如有机物增多，钙镁盐类增多时，降低了电解槽的电流效率和有效氯的含量，同时增重了电解槽的污染。

（3）电解槽内结垢较多，容易降低电流效率，损坏电极，酸洗次数增多，酸洗时间缩短。

（4）电解液中的气泡增加了电解液的电阻压，从而使槽电压升高，电解效率下降，电耗增加。

分析发现，电阻和沉积物的增加，降低了电流效率，增加了酸洗次数，缩短了运行时间，要解决这个问题，必须减少结垢和溶液中氢气含量。而对于系统稳定性差的问题，可以改变进水组成，让一部分产水回流来增加系统稳定性。

因此，采取以下3个措施，来减少上述问题：

（1）增加一个循环回路。从加药泵的出口引一部分次氯酸钠溶液回流到自动反冲洗过滤器的出口。

（2）电解槽进口管道上，靠近电解槽入口位置，设置一个低位排污收集点。低位排污点使进水中的固体沉降到低位，通过排污排除高含固量水，减少电解槽中沉淀物含量。

（3）增加中间除氢设备，降低电解液中含氢量，促进电解反应的进行。

增加以上措施后，系统流程改为图2所示：

图2 电解海水制氯优化系统图

图2中，增加次氯酸钠循环回路，一方面使海水中的固体成分（Ca, Mg）在脱气槽内与电解液预先接触形成氢氧化物（碱），从而防止在电解槽内结垢，延长电极清洗周期；另一方面，回流的溶液使电解槽内部反应状态更稳定，受进水影响小。

增加除氢系统后，电解液中的氢气被及时除去，有利于反应不断向右进行。

我们在广东某电厂电解海水制氯设备上进行了试验。2×90kg/h出力的电解海水制氯设备，原采用图1系统，电极结垢问题较重，酸洗次数较多，在增加循环回路后，系统稳定性增强，酸洗次数由每月一次减少到半年一次。同时，没有增加中间除氢设备之前，在电解槽中可以看见气泡，增加中间除氢后，几乎见不着气泡，降低了电解电阻，提高了电流效率。

3 电解设备的选择和比较

电解海水制氯系统优化后，决定电解效率、运行效果的是设备，选择不同的设备，电解效率、能耗、投资和运行效果也有很大差异。

从图2，我们可以看出，系统中设备有：海水过滤器、电解槽、整流器、次氯酸钠储存罐、冷却装置、清洗装置、泵等。核心是电解槽、过滤器和储罐。

3.1 海水过滤器

海水过滤器选用自动反冲洗过滤器。它利用系统压差，在不影响过滤情况下，自动完成冲洗过程，使用方便，人工操作少，安全性高，产水水质好，能满足系统运行要求。

运行时，分为过滤和反冲洗两步：

第一步，过滤。海水从圆筒式滤网内部流入，经过滤网截留0.5mm以上颗粒。当附着于滤网上颗粒杂质增多时，进出口压差增大，增大到阀值时，系统自动进入第二步--反冲洗。

此时，压差传感器启动反冲洗电机，同时打开排污阀，滤网中的中空转臂回转，滤过液反向通过滤网，流入转臂允吸口，经排污阀排出。反冲洗时过滤仍在进行。

另外，需注意海水之前的预处理，如果预处理效果不好，有机物和大颗粒较多，会增加反洗次数，缩短过滤网寿命，造成有机物滋生，影响电解效果。

3.2 电解槽电解槽是由阳极、阴极和海水组成。阳极一般使用钛+涂层，耐腐蚀，使用寿命长（＞5年），阴极使用纯钛，耐腐蚀、不被静止的次氯酸钠腐蚀。

电解槽按电极的连接方式，可分为单极式电解槽和复极式电解槽。

单极式电解槽特点是同极性电极与电源并联连接，电极两面的极性相同，如图3所示。而复极式电解槽两端的电极分别与电流的正负极连接，当电流通过时，一个长电极板分成很多的小电极，一面为正极，一面为负极，组成多个双电极，如图4所示。

图3 单极式电解槽

图4 复极式电解槽

目前，我国两种电极槽都有使用，单极式电解槽出现较早，技术成熟，使用较多，核电中90%使用单极式电解槽，火电也超过60%，而复极式电解槽在我国出现较晚，应用较少。2种电解进行对比，如表1所示：

表1 复极式电解槽与单极式电解槽比较结果

整流器可设置多个电解单元，能减小输出电流，提高电流效率。电流值小，直流电回路导体能做到很细。电解槽数量设置有限，整流器的直流电流输出功率增加电流值大，直流电回路导体粗大。

从表1可看出，单极式电解槽发展较早，技术成熟，但设备简单但占地大，空间利用率低，经济性差，维护麻烦。而复极式电解槽在这方面优势明显：电流小，电压高，结构紧促，占地面积小，投资低，具有良好的维护性。

在广东某滨海电站，我们进行了比较。

使用单极式电解槽运行，运行状况如表2所示，运行4年后，发现部分电解槽铜排泄漏，经过技改，使用复极式电解槽，改进后的运行参数见表2：

表2 单极式电解槽和复极式电解槽运行参数（月均值）

对比结果表明，复极式电解槽的电耗比单极式电解槽体积小，占地面积少，重量轻，电流低，需配置的整流电源容量小，电耗低。如此，降低了运行费用，节约了能源。我们还发现，单极式电解槽由于螺栓和铜排较多，容易损坏，造成电解液渗漏现象，使电解间有刺激性气味，而复极式电解槽泄漏点少，电解间干净，刺激性气味较少。

因此，建议选择使用复极式电解槽，来代替单极式电解槽。

3.3 电极的清洗

当电解槽内附着的污垢达到一定值后，就需要用5%的盐酸溶液清洗。电极的清洗是电解制氯设备运行、维护中的主要问题。

通过清除电极上污垢，来阻止阳极涂层的消耗，保持低电流效率，维持系统的运行。目前，没有循环回路的电解制氯系统一般需要1个月清洗一次，一般设立固定的酸洗系统；而有循环回路的复极式电解槽半年到一年才清洗一次，每次酸洗时间1小时左右，用量少，酸洗周期长，所以可以设计成推车式酸洗装置，方便、实用，还减少了酸泄漏的可能性，有利于保持厂区的干净整洁。

同时，可以设酸洗自动检测装置，来实现全自动运行，达到无人值守的目的。当结垢达到设定值后，酸洗自动检测装置发生声光报警，并锁住发生器，使之不能工作，必须进行酸洗，只有酸洗完成后，才能解锁运行。而且，可以设计为全透明装置，直接观看结垢情况和酸洗效果，防止自动系统的失灵。

4 结论

（1）对于电解海水制氯系统运行中发现的系统稳定性差、结垢和酸洗较多，溶液中有气泡等问题，找到了3个解决措施，包括增加一个次氯酸钠回路、增加中间除氢和设置底部排污。试验结果表明，优化后的系统稳定性更高，电解槽内结垢更少，电流效率更高，能耗更低，可以推广使用。

（2）海水过滤器选用自动反冲洗过滤器，过滤效果好，操作方便，安全性高，自动反冲洗时，还不影响过滤。 此外，过滤效果与海水之前的预处理息息相关，预处理效果越好，过滤效果越好。

（3）复极式电解槽与单极式电解槽的对比结果和工程实践都表明：复极式电解槽更优越，具有很多优点，例如：电解效果更好、电流效率更高、电解槽数量更少、占地面积更小、性价比更高、电极装卸更简便。

（4）使用有循环回路的复极式电解槽后，电极清洗次数由1次/月变为1次/6月～1次/年，因此，无需设固定的酸洗系统，可以使用移动的推车式酸洗装置来进行酸洗，减少了酸泄漏，使厂区更干净、整洁。

[1]李培元.火力发电厂水处理及水质控制[M].北京: 中国电力出版社, 2008（01）.

[2]常爱国.大型电解海水次氯酸钠装置在火力发电厂中的应用[J].东北电力技术, 2002（09）.

裴长运（1986-），本科，山东菏泽人，研究方向：电厂化学。