电解槽零极距改造与阴极重涂方案对比

许书明，荆营山，陈全全

（东营华泰化工集团有限公司，山东 东营 257091）

电解槽零极距改造与阴极重涂方案对比

许书明，荆营山，陈全全

（东营华泰化工集团有限公司，山东 东营 257091）

通过对2种电解槽改造方案的投资及效益对比，选择最优方案，并简单介绍了零极距改造工艺。

电解槽改造方案；投资与效益；零极距

东营化工集团有限公司50万t/a离子膜烧碱一期、二期电解装置均采用日本旭化成公司生产的NCH型自然循环高电密电解槽。一期10台装置的电解槽于2013年完成了阴极零极距改造；二期10台装置当时因运行年限不足（电解槽涂层寿命为8年，过早改造浪费电解涂层），未进行改造。到2016年11月，二期装运行满6年，将面临电极重涂或零极距改造。为此，公司根据电解槽阴极涂层活性状况，制定2种方案，并对投资及效益进行择优对比，以达到用最低投资、最合理化施工并取得最高收益的目的。

1　2种方案提出的原因

首先，统计了二期装置10台电解槽的平均运行情况（见表1）。

表1　二期装置电解槽运行情况　电流为5.0 kA/m2负荷

由表1可以看出，二期装置在电流5.0 kA/㎡负荷下槽电压平均值上升到3.13 V，电流效率平均值下降到94%左右，电极涂层活性已严重下降，运行状况还将随着使用时间的延长进一步恶化。作为新技术的电解槽零极距改造，要比电极涂层重涂节约能源、更能降低成本。

因此，对二期装置电解槽提出以下2种方案：（1）更换离子膜（1 725张）、垫片、阳极，阴极涂层重涂；（2）更换离子膜（1 725张）、垫片、阳极，阴极零极距改造。

注：离子膜购进数量按照1 500张，安装用+225张备用计算。

2　零极距的节能优势

一期电解槽的零极距改造验证了该技术的可行性和突出的节电创效情况。一期改造前电解槽运行情况见表2，一期改造后电解槽运行情况见表3。

表2　一期改造前电解槽运行情况　　流电为5.0 kA/m2负荷

表3　一期改造后电解槽运行　电流为5.3 kA/m2负荷

由以上2个表格可以看到，改造前一期装置在5.0 kA/m2负荷下，槽电压平均值为3.133 V，电流效率平均值为94.38%；改造后一期装置在5.3 kA/m2负荷下，槽电压平均值为2.97 V，电流效率平均值为97.55%。改造后一期槽电压平均值下降了163 mV，电流效率平均值提高了3.17%，仅此一项每年可节省电费达2 607万元（不含税价）。

预计二期装置进行阳极更换及阴极零极距改造后，整套装置在5.5 kA/㎡负荷下，槽电压平均值可下降到 2.93 V，电流效率平均值可达到96%。

3　2种方案的投资对比（见表4）

表4　两种方案投资对比表　万元

由表4可以看到，A方案投资共计5 053.3万元，B方案投资共计5 000万元。可见2种方案在总投资上差别不大，B方案略占优势。

计算依据：

（1）购进离子膜1 725张，费用为1 553万元（9 000元/张）；

（2）购进垫片、胶黏剂和防粘剂，费用为141万元；

（3）10台电解槽共计1 480台复极单元槽、20台阳极端板、20台阴极端板；备用31台复极单元槽、2台阳极端板、2台阴极端板；

（4）阳极更换费用按1 763万元计；

（5）阴极零极距改造费用按1 533万元计；

（6）阴极涂层重涂费用按1441万元计（9400元/台）；

（7）零极距改造购进离子膜是免关税的，单独购进离子膜，则收取10%关税。

4　2种方案的效益对比

按照离子膜使用寿命4年为1个周期计算，离子膜第一年的电流效率为96%；第二年电流效率为95%；第三、四年电流效率为94%。则3种方案3年可节省电费（不含税价）见表5。

表5　两种方案效益对比　万元

净现值 （NPV）可以衡量一个项目投资的可行性，为此计算了2个方案的净现值。方案A：所得税前净现值为422.76万元。（折现率为12%）；方案B：所得税前净现值为1 958万元，（折现率为12%）。计算依据。

（1）新离子膜对槽电压的贡献按100 mV计，新离子膜4年电流效率分别按96%、95%、94%、94%计；阴极涂层重涂后对槽电压的贡献按50 mV计；零极距改造后对槽电压的贡献年平均为100 mV计；

（2）按10台电解槽烧碱折百年产量25万t计；

（3）不含税电价按0.573元/kW·h计；

（4）烧碱吨电耗公式：W=V×1 000/1.492/η（η为电流效率，烧碱电化当量为1.492 g/A）；

（5）节省电费计算公式：25×（W1-W2）×0.573。

例如：B方案第一年每台电解槽每吨消耗电量为：

3.13×1 000/1.492/0.94-2.93×1 000/1.492/0.96=186.13（kW·h/t）。

B方案10台电解槽满负荷第一年节省电费（不含税价）为2 666.3万元。

由表5可以看出，B方案效益最好，可使企业在2年内回收投资；从NPV计算值上更加认证了B方案的优越性。因此选择B方案。

5　零极距改造工艺简介

5.1设备改造工作及结构对比

零极距改造技术就是在高电密电解槽的原有阴极网表面安装一层弹性元件，消除电极与离子膜之间的距离，减少溶液间的电阻，从而降低电解槽的槽电压，达到降低直流电耗的目的，高电密电解槽和零极距电解槽结构对比见图1。

图1　高电密电解槽和零极距离电解槽结构对比图

为防止复式电解槽钛制阳极法兰密封面发生缝隙腐蚀，零极距改造时需将阳极的钛基密封面更换为钛钯合金材料。

阴极改造为零极距改造的核心，阴极改造是在集电板上均匀铺设弹性体（弹性体是一种镍材的、近似清洁球一样的材料，具有一定的弹性）。弹性体表面安装阴极网，并用镍条将阴极网固定在槽框上。阴极网是由直径0.2 mm的镍丝编制的带有特殊涂层、且经过特殊加工的表面光滑的网。这样由于弹性体的存在，使电解槽阴极外凸且具有弹性。安装离子膜后阴极、离子膜和阳极处于紧贴状态，实际的电极距只有离子膜的厚度，从而将电极的间距降至最小，即实现了零极距。

5.2工艺改造

（1）对系统循环必须的阳极液循环泵等关键设备配置应急供电，及时向电解槽提供必要的循环动力。

（2）增加氯气水封（已于2013年大修时完成）。由于零极距电解槽的结构特性，大的负压差会对阴极弹性网产生破坏。为此除了精心操作外，需增加氯气水封，可在极端状况下保证电解槽的安全。

6　结语

通过2种方案投资与效益的对比，结合零极距改造周期及生产运行情况，将于2016年11月-2017年7月对二期10台电解槽实施逐台零极距改造。希望本文能够对需要进行电解槽零极距改造的企业提供参考。

Compare with electrolyzer zero polar distance transformation and cathode coating scheme

XU Shu-ming，JING Ying-shan，CHEN Quan-quan
（Dongying Huatai Chemical Co.，Ltd.，Dongying 257091，China）

Through two cell retrofit scheme of investment and benefit comparison，choose the optimal solution，and simple introduced the zero polar distance transformation process.

cell transformation plan；Investment and benefit；zero polar distance

TQ114.26

B

1009-1785（2016）08-0006-03

2016-06-27