零极距离子膜电解槽换膜时机的选择

侯 伟，尹建平，刘培锋

（天伟化工有限公司，新疆石河子832000）

新疆天业集团天伟化工有限公司离子膜法烧碱生产设计能力为15 万t/a， 电解槽采用旭化成NCZ 自然循环复极式离子膜电解槽，设计运行电流为5.6 kA/m2，共5 台电解槽，离子膜自2014 年4 月开车投入使用。随着离子膜使用时间的延长，离子膜选择透过性下降，膜的通透性也随之下降，膜电阻增加，槽电压升高，电流效率缓慢下降，吨碱电耗缓慢持续增加。当电流效率下降到一定数值时，各项成本也会大幅增加。对于换膜时间节点的确定，天伟化工结合自身内、外部实际情况，充分考虑各种影响因素，通过统筹计划，选择最佳换膜时间以减少对生产和成本的影响。

1 离子膜经济寿命

离子膜经济寿命是指离子膜的购买费用和安装成本费用的月吨碱摊销费和月吨碱使用的电费之和最小时的使用时间。除去盐水等原料质量和人为操作因素对离子膜电流效率的影响，假定离子膜的电流效率的下降呈线性关系，则吨碱电耗的增加也应该呈线性关系，以此为基础，建立月吨碱电耗费用、离子膜月吨碱摊销费用以及月吨碱使用成本的离子膜经济使用寿命关系，见图1。

图1 曲线和离子膜经济寿命分析

由图1 可以看出，当离子膜月吨碱摊销费用和月吨碱电耗费用之和最小时，离子膜月吨碱成本最低。而之后随着离子膜使用时间的延长，离子膜月吨碱摊销费用和月吨碱电费之和逐渐增大。由此理论分析可知，当离子膜使用时间达到经济使用寿命时，就需要更换离子膜。此时，离子膜使用价值已达到最大化，经济效益最高。

2 影响离子膜换膜时机选择的因素

通过前面对离子膜经济寿命的介绍，可以确定吨碱电费是影响离子膜换膜时间的重要因素。一般情况下，离子膜的使用寿命为三四年，使用时间越长电流效率越低，吨碱电耗越高，相应的吨碱电费越高，经济收益越低。目前，国内部分氯碱企业在电流效率低于93%时，开始更换离子膜。当电流效率低于93%时，吨碱电耗较高，此时的经济收益还与当地的电价有关，因此把电流效率低于93%作为换膜的依据还未使离子膜的使用价值最大化。当然，离子膜换膜时机的选择不能仅仅以吨碱电费为标准，还应该充分考虑其他因素。

（1）烧碱和下游产品的经济效益。烧碱价格和PVC 价格随市场的波动较大， 当烧碱和下游产品（主要是PVC）经济效益较好时，可以根据实际情况适当延长离子膜的使用时间， 将换膜时机适当推迟。当烧碱和下游产品的经济效益不好时，也可根据自身的情况适当提前更换离子膜。

（2）电解槽进口酸度。向电解槽加酸的目的是为了中和从阴极室反迁过来的OH-，减少副反应，降低氯中含氧量和淡盐水中的氯酸盐含量。离子膜运行到后期，随着离子膜性能的下降，电解槽加酸量逐渐增加。槽盐水的酸度控制在0.15 mol/L，当酸度超过0.15 mol/L 时，过高的酸度会使离子膜酸化产生水泡，同时还会腐蚀阳极液入口管道及电解槽的牺牲阳极，在此情况下，就需要着手更换离子膜，以免为了一时的经济效益而造成电解槽使用寿命缩短而得不偿失。

（3）碱中氯化钠、氯酸盐含量对产品和下游固碱装置的影响。随着离子膜使用时间的延长，离子膜本身机材受到损伤出现针孔，膜的效率和性能下降，产量减少。因为阴阳极电解液及离子互相扩散，OH-的反迁移量增加，盐水中的氯酸盐含量逐渐增加，盐水中的氯酸盐将腐蚀设备并影响螯合树脂的使用寿命，同时还会影响氯化钠的饱和度，进而引起氯化钠浓度降低和固体悬浮物SS 波动甚至超标。盐水中的氯酸盐含量升高使得碱中氯化钠及氯酸盐含量也升高，产品质量下降到非优等品。而且碱中氯酸盐含量较高又会影响固碱装置重要设备正常生产运行和使用寿命。目前，除去碱中氯酸盐的方法主要是向碱中加入蔗糖，氯酸盐被蔗糖还原产生Cl-，而蔗糖被氯酸盐氧化后产生CO2，这样就使得产品碱中的NaCl 和Na2CO3含量增加，而影响碱产品质量。

（4）换膜费用。换膜费用包括购买离子膜费用、电槽垫片费用、粘接剂、离型剂、人工成本费用。主要的换膜费用就是离子膜的购买费用，这与离子膜单价、关税、增值税等息息相关。

（5）电流密度。电流密度越高，吨碱电耗越高。如果电槽在电流密度较低的情况下长时间运行，亦可以延长换膜时间。但电流密度过低，吨碱电耗也会升高。

（6）年度停车大检修。如果企业制定年度停车大检修计划，为了减少停车换膜对生产及产量的影响，可尽量将换膜时间安排在停车大检修期间，换膜与大检修同时进行。另外，再通过增加作业队伍，最大程度重合两者作业周期，是较为合理和经济的一种统筹安排。

（7）离子膜换膜与电解槽电极改造同时兼顾。离子膜使用接近2 个周期约7 年时，电解槽阴阳极电极接近保证寿命（8 年），在此节点，电解槽电极涂层已不同程度脱落，电极在运行过程中受到压力压差的波动造成机械损伤和形变， 电极网面平整度变差，阴阳极出现极距，电解槽电压升高，电耗升高，产品成本上升。若不更换电极，重新换新膜再继续使用一个周期，则该周期电耗造成成本上升远大于电极更换的分摊费用，所以建议各企业在离子膜使用2 个周期后换膜工作与电极更换同期进行。第三周期的新膜与更换后新电极配套运行，减少后期开停车次数，避免离子膜和电极性能变差后相互影响。

除了上述因素以外，还有其他一些不可预料因素均可影响离子膜换膜时机的选择。尤其在离子膜使用到后期，人为操作对离子膜的破坏以及电解槽垫片的泄漏、上下游工序生产异常等原因造成的系统非计划停车都会影响离子膜换膜时机。所以，在离子膜使用到后期，主要根据各影响因素来确定时间段。

3 电解槽换膜时机的选择

该公司离子膜电解装置于2014 年4 月开车，至2017 年9 月，离子膜使用已到后期。以运行效果较差的C 槽为例，C 槽离子膜（F-6801）已使用41 个月。 7～9 月电流效率、吨碱电耗、酸度、氯酸盐含量的平均值统计见表1。

表1 电流效率、吨碱电耗、酸度、氯酸盐含量的平均值统计表

从 表1 可 以 看 出，7 ～9 月C 槽 电 流 效 率 在92.69%左右，在电流密度为5.0 kA/m2的运行条件下，吨碱电耗由开车时的2080kW·h/t 已涨至2240kW·h/t，吨碱电耗上涨160 kW·h/t。在控制电槽出口酸度不变的情况下，入槽盐水酸度已达0.144 6 mol/L。盐水中的氯酸盐含量控制指标为＜10 g/L，而在9 月，氯酸盐含量已上涨至13.46 g/L，碱中氯酸盐含量也已达到28×10-6。碱中氯酸盐对固碱装置使用寿命的影响逐渐增加，部分固碱装置已开始泄漏，对固碱系统的安全稳定运行和人员的安全操作造成隐患。同时产品碱含盐量上升，品质开始下降。尽管2017 年9 月产品碱的市场价格还处于比较理想的范围，但是C槽的各项运行指标表明，C 槽的离子膜已处于一个较差的运行状态，尤其是盐水和碱中的氯酸盐已严重影响整个系统的安全稳定运行。该公司综合考虑分析以上诸如吨碱电耗、电流效率、入槽盐水酸度、电流密度、碱产品质量、停车大检修等换膜影响因素，决定于2017 年9 月底在全厂秋季停车大检修期间更换C 槽离子膜，其余4 台电解槽也将逐台更换离子膜。

4 结语

以离子膜吨碱电耗分析推导出的离子膜经济寿命对于离子膜换膜时机的选择具有重要的指导意义。然而，离子膜换膜时机的选择不仅取决于吨碱电耗，还要考虑烧碱和下游产品的经济效益、入槽盐水酸度、 碱产品质量及氯酸盐含量、 电流效率、电流密度、停车大检修、电极更换等多方面因素。因此，零极距电解槽换膜时间不应为某一确定时间， 而应该是通过综合考虑各种影响因素来确定的一个时间段。 科学合理的确定零极距电解槽离子膜的换膜时机有利于企业降低生产成本、提高经济效益。