进槽盐水质量对离子膜电解槽电压影响分析

王小敏

（中国平煤神马集团开封东大化工有限公司，河南 开封 475003）

在离子膜电解工艺中，电解槽是核心设备，其运行的好坏直接影响烧碱产品的技术经济指标。通过分析电解槽折标电压的运行曲线图，及时查找出生产中影响槽电压的各种因素，并进行针对性的改进，保证电解槽能够平稳、高效地运行。

1 电解装置情况

中国平煤神马集团开封东大化工有限公司自1996年建设2台2万t/a离子膜电解槽（A、B槽），至今已21年。早期的电解槽是北化机的强制循环电解槽，配套美国杜邦公司的离子膜。2003与2009年先后扩建了老电解2万t/a烧碱（C、D槽是不锈钢阴极槽）、新电解10万t/a烧碱的自然循环电解槽。2009年淘汰改造老电解A、B槽（将老C、D槽移至A、B槽位置），新上2万t/a烧碱（C、D槽为镍阴极自然循环电解槽）。2011年11月老电解扩建了2.5万t/a烧碱的膜极距电解槽（E、F），2003年与2017年分别使用了日本旭化成公司的 F-4602、F-4603、F-4403D及F-6801离子膜和杜邦公司的N2030离子膜。2009年 4月 20日对新电解 A、B、C、D、E、F 电解槽进行了连续72 h性能检测，直流电耗2 407.77 kW·h/t，电流效率93.24%。老电解E、F槽开车后72 h考核直流电耗2 103.13 kW·h/t，电流效率95.27%。

2 槽电压影响因素分析

离子膜电解中槽电压是一个重要参数，直接影响电解电耗。离子膜电解槽的槽电压可用下式表示：

式中：V—槽电压，V；V°—理论分解电压，V；Vu—离子膜电压降，V；a—阳极过电压，V；g—阴极过电压，V；IRt—溶液欧姆电压降，V；IRe—金属导体中欧姆电压降。

影响槽电压的主要因素：（1）膜自身结构；（2）电流密度；（3）氢氧化钠浓度；（4）两极间距；（5）阴、阳极液循环量、阳极液NaCl浓度、阳极液pH值；（6）温度；（7）盐水中杂质；（8）槽结构，特别是阴、阳极活性涂层；（9）开停车次数；（10）电解槽压力和压差。现结合生产中遇到的实际案例，从以下几点分析其对槽电压的影响情况。

2.1 阴极管道材质差，管架腐蚀对槽电压的影响

老电解E、F槽为膜极距电解槽，2011年投运后，不到一个月发现槽头阴极进槽碱管弯头处腐蚀，出现直径约 2.0～3.0 mm 的孔洞，同时多次出现阴极液流量低甚至无流量现象，同时槽电压异常升高。经停车检查，发现在阴极面网和进口总管处集聚许多黑色铁粉和镍粉类物质，导致阴极管道堵塞，多张离子膜出现针孔。对阴极系统部分管道、管件材质进行检测，材质不合格，不耐热碱腐蚀。2011.11－2014.5 E 槽电压数据见图 1。

2014年7月该公司再次对E、F槽阴极网及阴极系统部分不合格管架进行更换。更换后运行情况良好，更换前后运行数据对比见表1。

图1 老电解E槽折标电压

表1 更换前后运行数据对比表

2.2 盐水中各种杂质对槽电压的影响

离子膜电解食盐水制取烧碱工艺中，二次精盐水的质量直接影响着离子膜的效率和电解槽的使用寿命。钙离子、锶离子、碘离子和硫酸根离子会影响电流效率，影响槽电压的主要有镁离子、铁离子、镍离子、碘离子，当上述物质存在时，会在槽内生成相应的不溶物沉积在膜的表面，或扩散到阴极室产生影响，因此生产中要严格控制盐水中各种杂质的含量。

（1）钙镁离子超标影响

钙镁离子存在时，在槽内和阴极迁移过来的OH－生成沉淀物，沉积在膜上，影响槽电压和电流效率。

2014年11月10日，膜脱硝工段清洗反渗透膜，清洗废水中含有50 kg柠檬酸和50 kg的EDTANa4，EDTANa4全称乙二胺四乙酸钠盐，对钙镁等金属离子具有强络合性，不能通过凯膜过滤器将其过滤去除，故其与钙镁离子形成的络合物仍存在于一次盐水中。一次盐水进入后续的二次精盐水工段的树脂塔后，其形成的络合物稳定性强于螯合树脂吸附钙镁等金属离子形成的络合物，导致螯合树脂吸附能力下降，二次精盐水中钙镁严重超标，（2014年11月25日旭化成分析有机碳含量是19×10－6）各台电解槽槽电压均有升高现象。通过对树脂塔进行多次再生置换处理，盐水指标才趋于正常，槽电压也慢慢恢复正常增长幅度。具体二次精盐水指标见表2，槽电压值见表3。

表2 二次精制盐水指标

表3 原槽电压值

（2）原盐含氨超标对槽电压的影响

2016年10月26日，当班员工发现原盐有氨水味，经分析发现原盐内总氨含量为31×10－6，超标数倍（正常指标为 2×10－6），新 A 槽下槽折标电压数据见表4。

表4 新槽折标电压值

同时新、老电解槽电压均出现明显上升趋势。具体数据（以新电解A槽为例）见图2。

通过及时采取调整原盐、增加树脂塔再生频次等措施，最终将槽电压恢复正常。

图2 新电解A槽电压

（3）盐水中硫酸根、氯酸根对槽电压的影响

在以往的生产运行中，曾出现过二次精盐水金属离子超标现象。2008年3月，10万t/a离子膜电解槽二期投入运行后，发现盐水中硫酸根、氯酸根浓度迅速升高，硫酸钠最高达39 g/L，氯酸钠最高达22 g/L，具体数据见表5。因硫酸盐和氯酸盐在盐水中易结晶，一次盐水工段加压泵盐水进口管道及阀门多次结晶而被迫停车掏出结晶物，并最终因加压溶气罐到预处理器盐水管道结晶盐堵塞，系统被迫停车十几天。

表5 二次盐水指标

从2011年10月隔膜烧碱停产以后，开始出现二次精盐水中和ClO3－超标现象，由于及时淘汰氯化钡法除，上了膜法脱硝装置，盐水中的浓度在很短时间内恢复正常。由于公司没有除氯酸盐装置，所以盐水中超标现象未能有效缓解，只是随着每次批量更换离子膜后暂时得到改善。目前盐水中氯酸根含量已接近50 g/L，虽然采取增加电解槽和脱氯塔盐酸加入量等措施，氯酸根含量仍呈现上升趋势。该公司2018年有上氯酸盐分解装置技改计划，2010年8月－2017年11月盐水硫酸根含量情况见图3，新电解出槽氯酸根含量见图4。

图3 盐水硫酸根含量图

图4 新电解出槽氯酸根含量图

3 降低槽电压措施

（1）严格控制槽温：槽温 86～88℃，膜极距 84～85℃；

（2）二次精盐水各种杂质离子含量合格见表6；

表6 二次精盐水各种杂质离子含量指标要求

（3）电解槽阳极添加的高纯酸指标合格：HCl 31%；Ca≤0.5 mg/L，Mg≤0.07 mg/L，Fe≤0.5 mg/L；

（4）进出槽盐水氯化钠含量正常：进槽280～300 m/L，出槽 205～215 g/L；

（5）控制出槽氢氧化钠含量32%～32.5%；

（6）根据电解槽类型控制氢气氯气压力和压差正常；

膜极距槽子一般要求氢气24 kPa，氯气20 kPa，氢氯气体压差4 kPa。通过对以上各种工艺指标严格控制来保证电解槽正常高效运行。