电解节能技术的应用

第8期氯碱工业No 82007年8月Chlor- Alkali IndustryAug.,2007电解节能技术的应用高金宣*,许剑平2(1.天津大沽化工股份有服公司,天津300455;2.天津渤天化工有限责任公司,天津300480)[关键词]电解;烧碱;节能;离子膜法;隔膜法[摘要]分析电解生产能耗的主要影响因素介绍天津大沾化工股份有限公司离子膜法烧碱和隔膜法烧碱的节能技术,包括活性阴极技术、改性隔膜技术和扩张阳极技术,着重推荐了零极距单元槽[中图分类号]TQ14.262[文献标识码]B[文章编号]1008-133x(200)08-0019-04The application of energy-saving electrolysis technologyGAO Jin-xuan, XU Jian-ping(1. Tianjin Dagu Chemical Industry Co, Ltd, Tianjin 300455,China2. Tianjin Botian Chemical Industry Co, Ltd., Tianjin 300480 ChinaKey words: electrolysis; caustic soda; energy-saving; ion-exchange membrane process; diaphragmAbstract: The main factors influencing the energy consumption in electrolysis production were intro-duced. The energy-saving technologies for the production of ion-exchange membrane caustic soda anddiaphragm caustic soda adopted by Tianjin Dagu Chemical Industry Co., Ltd. was introduced, which included active cathode technology, modified diaphragm technology and expandable anode technology . Theunitary electrolyzer with zero electrode space was recommended emphaticall1烧碱生产概况2技术改造情况天津大沽化工股份有限公司(以下简称“大沽近几年电解工序主要使用了降低阴极电位的活化工公司”)现有5套烧碱装置:普通阴极盒式阳极性阴极隔膜电解槽;降低膜电压降与电解液电压降12万∽a,活性阴极盒式阳极6万ta,活性阴极扩张的扩张阳极改性隔膜电解槽;降低阴极电位与电解阳极6万υa,即隔膜法烧碱24万Ua;离子膜强制液电压降的零极距离子膜电解槽。循环与普通的自然循环电解槽8万t/a,离子膜高电2.1使用活性阴极技术流密度与零极距电解槽30万∪a(包括2006年9月2000~2001年,隔膜2期工程投产128个电解投产的5个零极距电解槽的生产能力),即离子膜槽,这些电解槽的阴极是北京化工机械厂生产的活法烧碱38万Ua。性阴极。这些活性阴极使用碱腐蚀法制造,即在高降低槽电压、提高电流效率是电解生产的主要浓度、高温度的NaOH溶液中浸入不锈钢基体的阴节能途径。在确定状态下,电压与电解槽的材料极网。其原理主要是溶出阴极网表层的铁和铬等成(阳极和阴极活性涂层)、电解槽结构(极距)、制造分,使其表面形成多孔富镍的活性阴极,增加反应比水平(平整度焊接)、电解槽运行工艺条件(如盐水表面积。在同等电流下,由于反应的比表面积增大浓度、温度、质量、pH值、电流、接触电阻等)密切相相应的电流密度下降,因而阴极电位下降,总的槽电关压下中国煤化工CNMHG[作者简介]高金宣(1966-),男,工程师,1991年毕业于河北工学院。[收稿日期]2006-07-2219电解氯碱工业2007年阳极涂层等条件相同时,2期的活性阴极电解改性隔膜的特点采取与之对应的吸附方法,根据实槽槽电压与普通的铁丝网阴极相比,总的槽电压下验电解槽的运行数据调整改性隔膜的烧结温度。通降0.08~0.12V,运行4年后仍下降0.04~0.06过努力,大沽化工公司在2003年3期110个改性隔V,按平均下降0.08V计算,可节电56kW·h/t,膜扩张金属阳极电解槽开车前制造出适合公司生产128个电解槽毎个单槽的生产能力为500υa,可节现状、能长期稳定运行的改性隔膜,确保3期隔膜电电56×500×128=3584万(kW·h)。解顺利开车,并能充分发挥扩张金属阳极电解槽的2.2普通隔膜改为改性隔膜节能效果。大沽化工公司2002年开始试验改性隔膜时,曾2003年开车时,54kA改性隔膜扩张阳极电解有几台配普通盒式阳极使用过,目前全部与扩张阳槽电压为285~295V,比同等条件下的盒式阳极极同时使用。改性隔膜的特点是强度高,不易溶胀,电压低约0.2Ⅴ。这些电解槽现已开车运行3年膜变薄,孔隙率比普通膜高,而且变化很慢,使用寿仍比同等条件下的盒式金属阳极电压低0.15V左命长,膜电阻较低。右。按平均下降0.175Ⅴ计算,可节电1202.3盒式阳极改为扩张阳极kW·h/t,按电价0.45元/(kW·h)年产6万t碱扩张金属阳极是为了进一步缩短电解槽阴阳极计,节约电费324万元/a。每个扩张金属阳极电解间距,降低电解液电压降,以降低碱产品的直流电槽多投入2万元,1年就可以收回费用。耗。扩张金属阳极是在导电的钛铜复合棒与钛网上2006年隔膜电解2期80个盒式阳极涂层已到焊接钛弹簧片,电解槽阴阳极间采用聚四氟乙烯棒重涂修复期,大沽化工公司把盒式阳极送机制公司隔离,组装时用夹子固定该金属阳极(阳极的宽度分解改造成扩张金属阳极,重涂了涂层又改造了阳变小),将阴极箱套装后,再取出夹子,阳极靠弹力极,有效地降低了隔膜电解液的直流电耗。扩张,进一步缩小电解槽阴阳极间距。阴阳极间一截止2006年6月底,改造完毕的12个电解槽般采用φ3聚四氟乙烯隔离棒隔开,使极间距缩小全部投人运行,节电效果明显。到3mm。12个扩张金属阳极电解槽7天验收数据运行根据理论计算,电流密度为16A/cm2时,盒式工艺指标如表1所示。与这12个扩张金属阳极电金属阳极电解槽普通隔膜电压为0.4V,扩张阳极解槽同期投入运行的普通盒式重涂阳极7天验收数比盒式阳极电压降降低0.25V据工艺指标如表2所示。而在实际生产中,由于极距的减小,溶液的充气从表1和表2数据得出如下结论:电流密度基度增大,再加上其他因素的影响,实际降低的电压要本相同时,扩张阳极电压平均下降了0.24V,氯气比理论计算值低。纯度下降了0.27%,氯中含氢体积分数下降了为了使改性隔膜扩张阳极金属电解槽发挥其节0.022%,氯中含氧体积分数上升了0.148%,阴极电作用,首先精盐水必须满足质量要求,最低条件:效率下降了0.467%。固体悬浮物低于5×106,Ca2与Mg2之和不高于截止2007年6月底,旧盒式阳极改扩张阳极电5mg/L;理想条件:固体悬浮物低于3×10°,Ca2+解槽38个,电压同比下降0.096V。与Mg2之和不高于2mg/L。一般的企业在上改性氯中含氧升高与氯气纯度下降是电流效率下降隔膜扩张金属阳极时,都用膜过滤器生产盐水。大的标志。电耗变化与电压变化和效率变化有关,按沽化工公司则是在原设备基础上,通过工艺改进提槽电压每降低0.1V、节电70kW·h/t计算,电流高了精盐水质量,主要采取以下措施:盐泥循环助沉效率降低1%多耗电25kW·h/t,这样扩张阳极电降;优化助沉剂加入工艺;提高精制剂自动化控制水解槽大约可节电156kW·h/t平,调整砂滤器的内部结构,以及加强内部管理等。改造1个扩张阳极电解槽投入的费用约3万采取这些措施后,精盐水中Ca2与Mg2质量浓度元/个。制作改性隔膜增加费用1500元,使用寿命之和低于1mg/L,固体悬浮物质量分数在(2-5)x9-1010°,达到改性隔膜扩张金属阳极运行所需的较为kA每中国煤化工按电流负荷40极弹簧片使用2理想的条件。个周CNMHG可节约电费2002年,大沽化工公司开始调整石棉绒与改性550×156×0.45-2000-30000x1÷14=剂的配比与用量,进行改性隔膜的制作实验。针对34467(元/a)。第8期高金宣等:电解节能技术的应用电解表112台扩张金属阳极电解檀7天验收数据运行工艺指标列号阳极号开槽时间电流/kA槽电压Y槽温/℃NaOH(gL)氯气纯度/%氯中含氧/%氯中含氢/%阴极效率%7-3000202006-03-16410.7179-50000212006-05-08402.8887l07.0097.240.5000.13298.459-697.215-142006-05-12402.9089.0097.380.56l0.1325-22000222006-05-154010-50000252006-05-264085.800.6500.13298.058-17000262006-05-29402.8897.9610-23000272006-05-29412.8589103,801.27496.2888392.97.0596.7695.8095.91.34895.212006-06-0940114.6097.389-26000312006-06-164088.600.30097.67平均值2.870.7990.13297.37表2与12台扩张金属阳极电解櫝同期投入运行的普通盒式重涂阳极7天验收数据工艺指标列号阳极号开槽时间电流/kA槽电压V槽温/℃NaOH(g/L)氯气纯度/%氯中含氧/%氯中含氢/%阴极效率/%10-2420372006-02-17413.26l11.809-2820392006-04-28403.07101.400.4730.13298.5410-140622006-06-08403.0395106.6097.010.6750.13297.6782006-06-094013210-2240632006-06-12403.1097117.0097.400.4610.13297.083-2240602006-03-03423.102-1420412006-04-29403.17113.0097.300.7010.13297.88432006-04-304098.081-1020442006-05-08403.149989.9098.244-1140612006-06-06402.979597.003-3320472006-06-0840114.6097.780.6180.13297.733-920492006-06106.200.9360.2646-2220382006-023.28990.3286-1620422006-05-01403.1410999.260452006-05-08403.109993.8097.000.5617-620462006-05-24403.2698137.0096.7196.325-320502006-06-12403.04960.6l1平均值3.I0.6512.4应用零极距离子膜电解槽节能技术离室内增加了除沫装置。2005年,大沽化工公司4期离子膜扩产上了1零极距(NCZ)单元槽的阴极(详见图1)和普通个高电流密度零极距离子膜电解槽,其型号为AC高电流密度电解槽(NCH)的阴极(详见图2)区别LYZER-M32NCZ,有效面积为27m2。电解槽阴较大极涂有活性钌层。该电解槽设计开动电流为4.7kA/m2,开动范围为1-6kAm2,单元槽电压2.91v(4.7kA/m2)。设计生产能力为2万Ua(折100%NaOH)(电流密度4.7kAm2时),最大产量阴极255万t(折100%NaOH)(电流密度6kA/m2时)。极零极距(NCZ)单元槽的阳极和普通高电流密度中国煤化工电解槽(NCH)一样,为了保证高电流密度运行时电CNMHG解槽内部的良好循环,NCZ单元槽取消了原有的导弹性镍网交换膜流管结构,在单元槽的底部增加了盐水进口分布管上部增加了一块倾斜的导流板,在上部的气液分图1高电流密度零极距单元槽阴极电解氯碱工业2007年表6考核结果计算电解槽平均单槽电压/V电流效率/%电耗/(kW·h/)系统电耗类型实际理想阳极阴极实际理想kW·h阴极NCZ3.052.8079.89.12128.3206.42212.7H3.232.95497997.12258.92239.92212.7NcH3.22.9419.991221.02288221交换膜从表5、表6可以看出,NCZ电解槽比NCH电解槽的直流电消耗低近100kW·h/t,且电流密度图2普通高电流密度电解槽阴极越高,直流电消耗差距越大,NCZ优势越明显。2006如图1和图2所示,二者的主要区别在于阴极年7月6-7日,7台电解槽开16.0kA时的情况如的结构,NCZ电解槽的阴极由集电板、弹性体和极表7所示。网组成集电板是和NCH(NCS)电解槽阴极网一样表72006年7月6~7日7台电解槽开160kA时情况的镍拉网,但没有活性涂层;弹性体是一种镍材的、电流/kA总电压V单槽平均电压ⅴ槽温A℃I槽(NCH)16.03461.789.0近似清洁球的材料;极网是由带有特殊涂层的、直径槽(NCI98456.2为0.2mm的镍丝编织,且经过特殊加工表面光滑K槽(NCH)15.96457.43.2788.8的网。极网用镍条固定在槽框上,可拆卸。因电解槽(NC9S槽(NCZ)15.94430.03.0783.0槽阴极外凸且具有弹性,所以安装后,阴极、离子交T槽(NCH)15.59458.13.27换膜、阳极处于紧贴状态,实际的电极距离只有离子槽(NCH)15.9459.8交换膜的厚度,从而将电极间的距离降至最小,即零从表7可以看出,运行1年后高电流密度零极极距电解槽。距电解槽平均槽电压仍低于高电流密度电解槽约这台零极距离子膜电解槽于2005年7月15日0.2V,运行1年后零极距电解槽比72h验收电压在大沾化工公司正式开车运行,7月26日与另外2上升了约0.03V高电流密度电解槽电压上升了约台普通高电流密度电解槽一起进行了72h考核。0.06v(折合同等条件下对比)。正常开车情况如运行情况如表3和表4所示。表8所示。表3考核期间各控制点平均值表8正常开车时运行情况电解槽平均电流电压温度阳极液流量加酸量进口酸度出口酸度电解槽电流/kA总电压/V单槽平均电压/ⅴ槽温/℃类型kAV℃m3/ h Lh mol/L moV/LI槽(NCH)13.04437.288.8NCZ12.75409.783.327.17200.0550.0039槽(NCH)13.00434.03.1088.3NCH12.70428986.527.312000.0054K槽(NCH)13.02435.1NCH12.74424486.127.072000.0059L槽(NCH),13.03436486.7表4考核结果计算S檀(NCZ)13415.92,97T槽(NCH)12.95469.185.7电解槽平均单槽电压/V电流效率/%h/)系统电耗439.7实际理想阳极阴理想kW·htU槽(NCH)13NCZ2.9292.8159.996.798262086.8零极距电解槽仍比高电流密度电解槽电压低约NCH30632.940999712120.1205.02086.80.15V,但同时比72h验收时电压上升了约0.03VNCH3.0542712112.72084.8与0.08V(折合同等条件对比)。目前整个系统阴注:“理想”为电解槽温度90℃,碱质量分数为32%时的折算结果;“系统极电流效率为97%。电耗”为3个电解槽的平均电耗。该电解槽氯气平均纯度为98.86%,氢气平均年多来,NCZ电解槽实际运行稳定,各项指标纯度为99.04%。之后进行了满负荷(6kA/m2时)的艮好。高电流密度零极距电解槽在降低离子膜法烧24h考核,如表5、表6所示。碱成本方面,起到了显著的作用。表5考核期间各控制点平均值参考文献电解糟平均电流电压温度阳液量加酸量进口酸度出口酸度1注些础节的坫犬[].氯碱工业,2007中国煤化工类型kAt”m/hLhm/LmL16.23426.883.834.522300.0500.00042CNMHG[编辑:蔡春艳]NCH16.19452788.534.682300.0530.00048NCH162345148034462000.0520.000862方数据