【word】 高电流密度离子膜烧碱电解槽性能比较

【word】 高电流密度离子膜烧碱电解槽性能比较 高电流密度离子膜烧碱电解槽性能比较 2009年4月 第4期(总第125期) 广西轻工业 GuANGxIJoURNALoFuGHTDusTRY化工与材料 高电流密度离子膜烧碱电解槽性能比较 陆民廷 (南宁化工股份有限公司技术中心,广西南宁530031) 【摘要】简要比较了目前全球范围内能够生产高电流密度离子交换膜电解槽的5家公司正在推广的最先进的离子交换 膜电解槽,分析了相应离子交换膜电解槽的主要工艺特点,设计参教,技术性能,生产运行以及在中国的用户使用情况. 【关键词】烧碱;离子交换膜电解槽;高电流密度;工艺技术 【中图分类号】TQI14【文献标识码】A【文章编号】1003—2673(2009)04—36—02 1概述 氯碱化工是国民经济的支柱产业,而离子交换膜电解槽 (以下简称电解槽)是氯碱工业关键的核心设备.离子交换膜法 制碱技术具有生产工艺简单,产品质量高,污染少,节约能源等 优点,已被世界公认为技术最先进,最经济的生产方法,是当今 氯碱电解技术的发展方向.从当前世界离子膜电解技术发展来 看,采用自然循环复极式电槽,高电流密度,单元面积大型化, 零(膜)极距是其方向,故新建项目一般采用自然循环高电流密 度复极槽技术. 目前世界上能够生产高电流密度离子膜烧碱电解槽的厂 家有5家,它们是意大利伍德迪诺拉(Uhdenora)公司,英国伊 诺斯Ineos)公司,日本氯工程(CEC)公司,日本的旭化成 (AsahiKasei)公司及中国的北京化工机械厂(BMCW). 2各种电解槽装置的性能分析 2.1伍德迪诺拉公司BM2.74b电解槽装置 j鼓大利伍德BM2.74b电解槽是伍德迪诺拉公司推出的超 窄极距电解槽,极距达到0.4ram,经过预弯处理后部分可达到 0.1mm.单元槽为阳极半壳和阴极半壳以及离子膜组成的”独 立单元”的设计结构,这样设计的好处是易于更换电解槽,维修 时间短,电解槽不容易泄露.电解槽阴极液,阳极液的进出口均 在单元槽的下部,出口管内有一根插入单元槽上部的PTFE管 将气液导出.另外,它采用螺栓压紧装置,保证单元槽之间连 接,导电.电解槽的操作压力为22kPa,氢气操作压力为 24kPa,有利于后工序的处理.伍德电解槽运行的电流密度在 5.0kA/m-’-6.OkA/m之间;单槽电压在3.10V,3.12V之间;直 流电耗在2130kW?h/t一2150kW?h/t之间.目前在行内投入实 际生产运行的装置比较多. 优点:(1)结构简单可靠;(2)设备制作质量好,使用寿命 稳定,有益于高电流密度下运行;(3)电解槽材料使用好,阳极 用钛材制成,阴极由镍材制成,使用寿命长;(4)系统设计报警 连锁多,安全性考虑周到;(5)操作简单;(6)维修方便,经久 耐用. 缺点:(1)价格高;(2)配件交货周期长. 2.2伊诺斯公司的BiOhlor电解槽装置 【作者简介】陆民廷,男,南宁化工股份有限公司技术中心工程师. 英国伊诺斯公司的BiChlor电解槽结构与伍德电解槽结 构类似,也采用独立式单元槽设计.每个单元槽具有512个弹 性十字导电爪,将阴极网,离子膜和阳极网压在一起,阴阳极距 几乎减到最小.单元与单元之间采用128个杯状结构进行连 接,优化了导电设计,最大限度的利用了低电阻的镍来降低单 元槽电压.单元槽面积2.895m:,操作电流密度一般为 5kA/m一6kA/m.每台电解槽都设有独立的压力调节系统,当 电解槽出现过大的压力波动时,可以实现单台电解槽的联锁停 车,不影响其它电解槽的运行. 优点:(1)阴极液和阳极液在电解槽内部流动分布合理; (2)电解槽材料使用好,镍材多,钛材少,其电耗及维修费用 低;(3)电流效率高,离子膜寿命长;(4)电解槽操作简单,停 车时间少;(5)维修方便,对其他单元槽影响小;(6)操作简 单;(7)单元槽采用全浸没式设计,不会出现干膜这种情况. 缺点:(1)价格高;(2)由于弹性十字导电爪与阴极网的接 触面有限,不能保证把全部的阴极网都和离子膜,阳极网紧密的 紧压在一起,也就是不能实现全部阴阳极的最小极距;(3)长时 间运行以后,弹性十字导电爪也有可能出现弹性衰减;(4)操作 要求严格,微小压力波动必然会使整体氯气和氢气系统压力控 制要求更高,系统的波动会造成电解槽的联锁停车. 目前在行内投入实际生产运行的只有江苏张家港苏化集 团的9万吨,年装置.据了解单槽槽电压上升比较快. 2.3氯工程公司New—BiTAC电解槽装置 日本氯工程公司最近推出New—BiTAC零极距电解槽,采 用的是螺栓压紧装置,因此电解槽容易泄露且电解槽的操作压 力比较低,一般氯气操作压力为平压或微负压,氢气操作压力 为3kPa一5kPa,对后工序的处理不利.New—BiTAC电解槽阴 极弹簧采用x型结构,将使阴极网接触点比其旧的BiTAC电 解槽提高17倍以上.在阴极侧用弹簧将阴极网,离子膜和阳极 网压在一起,阴阳极距达到最小,降低了单元槽电压,减少了产 品的电耗.阴极网采用挂扣式与阴极导电部件机械连接,方便 更换.电流密度高,可达7kA/m:,生产能力更大.单元槽面积最 大,达到了3.276m.,可减少单元槽数量和电解槽占地面积. 优点:(1)阴,阳极形状为网状,材质分别为镍,钛,经久耐 用;(2)离子膜膜利用率大;(3)低电耗,BiTAC是通过镍板来 导电的,因而电槽结构电阻低;(4)可变极距,阴极与膜之间的 间隙可在微小与极小之间调节,以满足不同种类离子膜的不同 要求;(5)rg解液和气体靠溢流方式离开单元槽,几乎不产生 压力变动,采用溢流方式消除了对膜有极坏影响的膜振动,从 而延长膜寿命;(6)组装简单,维修方便,可一组一组进行; (7)电极波浪式结构,电解液分布和电流分布较均匀,较低的 电压降,功率消耗低,高电流密度操作;(8)操作压力低,溢流 式,操作较安全.’ 缺点:(1)密封效果差,漏点多,制约电槽的稳定运行; (2)阴极弹簧与阴极网的接触面有限,不能保证把全部的阴极 网都和离子膜,阳极网紧密的紧压在一起,也就是不能实现全 部阴阳极的最小极距;(3)长时间运行以后,阴极弹簧也有可 能出现弹性衰减;(4)操作压力低,不利于后工序处理. 目前在行内投入实际生产运行的也只有青岛海晶的10万 吨,年装置. 2.4旭化成公司的NCZ型电解槽装置 13本旭化成的NCZ电解槽是该公司这几年推出的新一代 零极距离子交换膜电解槽,配备旭化成公司最新研制的F6801 型号的离子膜.NCZ型电解槽单元槽面积2.7m,电流密度高, 可达7kA/m:,生产能力更大.另外,它采有油压机压紧装置,单 元槽不容易泄露,而且电解槽的操作压力也比较高,达到氯气 操作压力40kPa,氢气操作压力44kPa,有利于后工序的处理. 在阴极侧安装镍材质的弹性体将阴极网,离子膜和阳极网压在 一 起,阴阳极距达到最小,降低了单元槽电压,减少了产品的电 耗.镍质弹性体与阴极网接触面大,压力均匀,可以将阴极网和 离子膜,阳极网很好的压紧在一起,可是当电解槽突然停车后, 如果控制不当会导致阴阳极间出现较大的反压差,镍质弹性体 会受到过大的挤压而产生不可回复的变形,为了避免出现这种 情况,需要设置电解槽停车后的氯气,氢气压力调节,保护装 置,防止电解槽反压差出现. 优点:(1)槽框结构稳定,密封性好,不泄漏;(2)结构电 压低,槽内液体和电流分布均匀使离子膜使用寿命延长;(3) 阴阳极电位低,稳定性良好;(4)单元槽保证寿命10年;(5) 优异的阳极涂层及活性阴极;(6)单元槽托架采用优质ABS 工程塑料制造,绝缘性好;(7)阳极密封面采用钛钯合金;(8) 电槽板框为压滤机型(由许多单元槽串联组成)_独立组成供电 线路;(9)电解槽操作压力是各家公司中最高的,有益于后工 序处理. 缺点:(1)旭化成离子膜中所谓”单元槽”是不确切的存 在.一旦”单元槽”一个出现问,采取的措施只有全部停车来 进行处理,费用维修高,影响生产,同时又破坏了其它离子膜 “单元槽”的正常运行;(2)对操作人员要求高,误操作的话对 离子膜的损伤非常严重;(3)对动力电的要求很高,不能频繁 出现恍电的状况. 目前,旭化成公司的NCZ型电解槽装置在行内投入实际 生产运行的还不算多,但是相对于其它厂商多,有浙江巨化的 37 5万吨/年,天津大沽12万吨/年,新疆天业32万吨/年装置. 2.5北化机NBZ一2.7膜极距电解槽装置 中国的北化机电解槽系从日本旭化成公司引进技术,经消 化吸收和改进并在国内生产的,它在核心技术的掌握,设备材 料与加工制造质量,工艺设计等方面与国外进口的离子交换膜 电解槽比较仍存在一定的差距.但是,由于是国产设备,相对来 说价格比较低. 北化机NBZ一2.7电解槽在阴极侧安装了两层镍材质的弹 性网将阴极网,离子膜和阳极网压在一起,阴阳极距达到最小, 单元槽电压降低了140mY,180mV,减少了产品的电耗.镍质 弹性网与阴极网接触面大,压力均匀,可以将阴极网和离子膜, 阳极网很好的压紧在一起,可是当电解槽突然停车后,如果控 制不当会导致阴阳极间出现较大的反压差,镍质弹性网会受到 过大的挤压而产生不可回复的变形,为了避免出现这种情况, 需要设置电解槽停车后的氯气,氢气压力调节,保护装置,防止 电解槽反压差出现.阴极是自行研制的采用RuO高活性涂层. 电流密度5kA/m26A/m.实际在4.5kA/m25.OkA/m之间;单 槽电压在3.15V,3.20V之间;直流电耗在2200kW? h/t2250kW?h/t之间;电解槽采用油压机紧压,电解槽操作压 力高,有益于后工序处理.电解槽生产用的贵重金属板材全部 进口,但是阴阳极网等主要部件已实现国产化. 优点:(1)其结构,外形完全仿制旭化成;(2)价格相对便宜. 缺点:(1)技术还不够成熟,没有大装置运行经验;(2)加 工精度有限,离子膜以及单元槽框损坏比较多;(3)极网涂层 技术虽有旭化成的技术,但并未应用到设备上;(4)其产品性 能,质量,运行稳定性等方面,有很大的提升空间. 3综合对比情况 根据使用企业的经验,伍德BM2.74b电解槽在长时间运 行后的技术性能参数衰减是最小的,但是初期的运行电耗等参 数不如两家日本公司的新型电解槽.伊诺斯的BiChlor电解槽 阴极技术特点与氯工程New—BiTAC电解槽相似,但性能参数 不如两家Et本公司的新型电解槽,且在中国的市场上占有率较 低,技术支持及售后服务欠缺.氯工程New—BiTAC电解槽作 为最新推出的产品,在阴极技术上有一定的先进性,大多数性 能参数好,但操作压力低,不利于后续氯氢工序处理.旭化成 NCZ电解槽作为最新推出的产品,在阴极技术上有一定的先进 性,各项性能参数好,但是装置稍显复杂,操作,维修不如伍德 电解槽方便.北化机通过引进先进设备和积极创新,电解槽制 作水平已有明显进步,电解槽部件除了基本材料和仪表以外都 已实现了国产化,电解槽价格较低,但仍然处于试验阶段,没有 大装置的使用经验. 选用那一个厂家的电解槽还要根据企业的实际情况决定. 性能上进口的要好一些,如果资金比较充裕,建议引进制造精良 的国外电解槽.如果资金有限,国产的电解槽也是不错的选择.