张波，刘丁丁，赵鹏，杨茂勤

(陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林 719319)

1 项目概述

陕西北元化工集团股份有限公司(以下简称“北元化工”)80万t/a烧碱装置分为4条生产线，第1期A、B线采用意大利伍德迪诺拉四代离子膜电解槽，第2期C、D线采用意大利伍德迪诺拉五代离子膜电解槽。离子膜电解槽为烧碱装置核心设备，在氯碱生产中占有极其重要的地位，且离子膜电解槽电耗占整个氯碱生产电耗的70%，直接决定着烧碱生产成本的高低。运行9年后，第1期四代离子膜电解槽烧碱装置单位电耗约2 470 kW·h/t(5.45 kA/m2)，第2期五代离子膜电解槽烧碱装置单位电耗约2 350 kW·h/t(5.45 kA/m2)，远高于四代和五代离子膜电解槽设计吨碱电耗2 130 kW·h/t和2 070 kW·h/t。虽然北元化工按计划已开展电解槽换膜和重涂工作，但是电耗与先进离子膜六代电解槽相差较大。在科研技术支持下，实施离子膜电解槽节能改造的科研项目，项目于2019年9月27日通过验收试车，投入生产，测试项数据正常。由于膜极距的降低及电解有效面积增大，使得同等电流密度下膜极距电解槽电压与四代、五代电解槽明显降低。

2 六代电解槽设备与工艺改造

2.1 四、五、六代电解槽工艺流程

四、五代电解槽工艺流程如图1所示。六代电解槽工艺流程如图2所示。

图1 四、五代电解槽工艺流程Fig.1 Process flow of the fourth and fifth generation of cells

图2 六代电解槽工艺流程Fig.2 Process flow of the sixth generation of cells

六代电解槽工艺流程中，电解槽阳极侧进料共分为两路：一路为电解槽正常运行供给盐水，合格的二次精制盐水由树脂塔底部流出，通过DN200盐水管线进入换热器(061E003)经蒸汽调节阀(TV-0642)或循环水调节温度后，通过阳极进料调节阀(FIC1220B)供电解槽(112A001B)使用；另一路过滤盐水泵停运时供电解槽紧急循环使用，即合格的二次精制盐水由高位槽底部出口管线流出，由开关阀(XV-0645A)控制后，通过阳极进料调节阀(FIC1220B)供至电解槽(112A001B)。

四五六代电解槽阴极进料、阴阳极侧出料与原设计电解槽运行工艺流程相同。

2.2 电解槽操作规范及指标要求

四、五、六代电解槽操作规范及指标要求如表1所示。

表1 四、五、六代电解槽操作规范及指标要求Table 1 Operation specifications and indexes requirements of the fourth and the fifth generation of cells

2.3 四、五、六代电解槽结构区别

电解槽阳极半壳结构不同：四代阳极半壳为百叶窗结构，五代半壳为C形网状结构，六代半壳为平面菱形结构。

阴极半壳：四、五代阴极结构相同，可以互用，六代槽阴极半壳底层为电流分配网、中层为弹性网、上层为极网编织网。

电解槽法兰:四代和五代电解槽法兰颜色不同，其余均一致可以共用；六代电解槽阴极长法兰带有滑动轮。

电解槽极距间隙：四代槽阴阳极间隙约为0.4 mm，五代槽阴阳极间隙约为0.1 mm，六代槽阴阳极为膜间距。四代电解槽与五代电解槽间隔条的区别是：五代电解槽间隔条中间有空隙，增加了五代电解槽有效接触反应面积，降低电耗；六代槽没有间隔条，膜极距，降低了电耗。

3 六代电解槽项目实施

3.1 电解槽设备安装方面

六代电解槽为膜极距电解槽。六代电解槽组装开车上线200个单元槽，电解槽阴阳极内部结构均有变化，使用杜邦N2050离子膜，更换电解槽槽框顶端绝缘板，单元槽顶部改造为移动滑轮悬挂。

换热器设备安装方面，因为六代电解槽电阻小，按照最大效益工艺设计要求，六代槽阳极进料盐水系统增加1台换热器(061E003)，满足槽温控制实现效益最大化。

3.2 工艺管线改造

阳极系统精盐水管线配管从树脂塔出口经盐水换热器(061E003)至电解槽，低压蒸汽配管至盐水换热器(061E003)，循环水上回水配管至盐水换热器(061E003)，纯水管线配管至精盐水管线，供电解槽开停车稀释盐水使用。

3.3 电仪设施安装改造

增加2台自控阀、1台蒸汽调节阀(TV-0642)、1台应急开关阀(XV-0645A)，控制二次精制盐水由高位槽底部出口管线进入电解槽，盐水管线增加热电偶检测盐水温度。

4 电解槽数据对比

电解槽数据对比包括运行数据对比、能耗对比、电流效率、槽电压对比。

4.1 电解槽运行数据对比

14.85 kA下测试，六代槽电压平均为2.944 V，对标行业槽电压趋势一致。与北元化工四代、五代槽电压相比，六代电解槽槽电压分别下降219 mV和110 mV，整体槽电压稳定性高。16.3 kA下测试，六代槽电压平均为2.967 V，对标行业槽电压趋势一致，比北元化工四代、五代、槽电压分别下降274 mV和211 mV。应用质量1-MR大数据库分析工具分析。

四、五、六代电解槽性能对比(开车测试值)如表2所示。

表2 四、五、六代电解槽性能对比(开车测试值)Table 2 Performance comparison between the fourth,the fifth and the sixth generation of cells on the basis of startup test data

满负荷运行时，四、五、六代电解槽性能对比如表3所示。

表3 满负荷条件下，四、五、六代电解槽性能对比Table 3 Performance comparison between the fourth,the fifth and the sixth generation of cells at full operation load

与四代槽相比，六代槽月节约电63.92万kW·h；与五代槽相比，月节约电49.53万kW·h。

B槽更换前后电耗对比如表4所示。

表4 B槽更换前后电耗对比Table 4 Comparison of power consumption in cell B before and after cell replacement

4.2 六代电解槽考核技术参数

六代电解槽技术协议考核指标主要为电耗和电流效率。电流效率按照技术要求1～3个月大于96%。第1种核算按照电解槽全分析指标阳极平衡法核算电流效率偏低95.51%，目前排查原因分析是出槽氯酸盐偏高，需要进一步对标排查出槽盐水氯酸盐含量分析准确性；第2种核算按照开车前后B线烧碱产量核算，开车运行72 h根据电磁流量计核算，折算电流效率96.35%。

六代电解槽的协议电流效率分别为：

开车—3个月 96%； 4—12个月 95%；

13—24个月 94%； 25—36个月 93%；

37—48个月 93%。

实际运行3个月的分析指标核算为95.51%。

开车前后产量对比核算电流效率为96.35%。

首次开车六代电解槽电耗协议值为2 025 kW·h/t，实际运行3个月来的电耗值为2 035.9 kW·h/t。

六代电解槽其余指标考核结果为：氯气纯度，98.5%，合格；氯气含氧(质量分数，下同)，0.9%，超标(控制指标要求小于0.6%)；其余指标正常。用2种分析方法分析氯气。硫代硫酸钠吸收法：氯气纯度 98.5%，氢 0.019%，氧 0.94%；硫代硫酸钠+碘化钾吸收法：氯气纯度 98.5%，氢 0.025%，氧 0.80%。目前氯气纯度合格，含氧超标。根据技术协议资料查阅，两种分析方法与同行业对标，氯气指标处于中上等水平。

图3 电解槽的槽电压数据控制图Fig.3 Diagram of cell voltage data control

5 六代电解槽项目实施中的问题

5.1 出料总管安装问题

阴极出料总管槽头处DN25管口不正，导致测温点远传设施不能有效检测工艺指标，槽温控制异常，造成设备损坏。

阴阳极出料总管测量温度管口底部无液体遮挡板，导致温度检测失真，不能有效检测电解槽槽温这一重要指标，电解槽性能不能有效释放。须要增加测量温度计內伸管长度，或者总管底部焊接遮圆弧形挡板。

电解槽涉及金属管线改造，金属材质直接连接，会出现电解槽电流泄漏和人员触电风险。按照氯碱行业电解槽绝缘要求，须要金属出料总管涂刷环氧绝缘漆F等级(特别是活套法兰及管口连接处)，原有的管线需要环氧绝缘漆F等级(耐高温、腐蚀银色环氧绝缘油漆)，增加对应管口螺丝螺帽绝缘瓷套。

5.2 电解槽框架及绝缘问题整改措施

电解槽槽框改造，绝缘板安装；测试槽框平整度，发现后区一处平整度超指标，补安装1块钢板，槽框水平、垂直调整正常。

金属总管电解槽进出料金属管线与阀门螺栓绝缘异常，螺丝和法兰绝缘异常，建议采用环氧绝缘油漆。

6 总结及规划

6.1 能耗效益

从电耗的角度考虑，按照单条线B槽更换前后数据对比：电耗节约55 kW·h/t，月节约99万 kW·h，月合计节约：29.7万元。16.3 kA下测试调整工艺参数测试后，B线吨碱耗电由2 313 kW·h/t下降2 297 kW·h/t，降低16 kW·h/t。比近期新开四代槽月节电63.92万 kW·h，比五代槽月节电49.53万 kW·h。

6.2 下一步改进计划

高负荷运行条件下指标改进，对标行业分析误差，下一步逐步调整优化工艺参数，提高电解槽控制水平。六代电解槽新规程增加离子膜水洗操作规程，运行后期根据离子膜通道堵塞情况进行水洗离子膜工艺操作。电解槽节能技术改造以降低电解槽电耗为宗旨。六代电解槽一次性顺利开车为北元化工创造出更大的盈利空间，同时也根据六代电解槽工艺参数调整思路对公司目前四代和五代离子膜电解槽进行技术升级革新，提升北元化工在同行业中的竞争力和影响。