CN112080754B - 一种高电密低电耗电解槽及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高电密低电耗电解槽及其测试方法，该电解槽包括槽体、设置在槽体内的多个电解单元以及设置在槽体一侧的膜预处理系统，所述电解单元包括阳极、折流板、阴极以及离子交换膜，所述离子交换膜经过膜预处理系统之后设置在阳极以及阴极上，所述折流板设置在阳极与阴极之间，所述折流板呈连续的V型状；所述膜预处理系统包括处理槽、水蒸气喷淋装置以及纯水喷淋装置。该测试方法主要通过调整盐水流量、碱流量、电流密度、槽温等运行参数，监控实验电槽各单元电压，电流效率等数据，分析废氢气、废氯气纯度、出槽碱中杂质含量、淡盐水浓度等以积累实验电解槽运行数据。

Description

一种高电密低电耗电解槽及其测试方法

技术领域

本发明属于电解槽领域，具体涉及一种高电密低电耗电解槽及其测试方法，以高电密状态运行，离子膜寿命周期内电解电单耗上升幅度低。

背景技术

我国是世界氯碱生产大国，氯碱工业是以盐和电为原料生产烧碱、氯气、氢气的基础原材料工业，产品种类多，关联度大，其下游产品达到上千个品种，具有较高的经济延伸价值。能源是氯碱企业的主要费用支出，在离子膜烧碱生产中，电占了生产成本的70％，加强能源管理、降低能源费用是企业生存与发展的重要工作之一。如今国家能源政策要求企业不断提升节能降耗水平，而离子膜电槽又是能耗大户，进一步降低电槽的单位能耗已迫在眉睫，国内多家同行在临近单元槽更换周期时，都在寻求在保持电槽原有主体结构、工艺不进行大的变动的前提下，进一步节能降耗的方法。主要有：1.改进电槽结构；2.改进阴极和阳极涂层，进一步降低析氢和析氯电位，降低单元槽电压；3.改进阳极网眼密度，提高电流效率；同时增加导电筋板数量、减少筋板间距，提高电流密度等方向，经过多年的发展，这几个常规方向的改进已经难以进行突破，导致能耗难以进一步下降。而且，改动完成的高电密电解槽，需要通过运行测试之后观察是否符合标准才能投入生产，目前还没有一套合格合理的测试体系对高电密电解槽进行运行测试，导致难以验证改动完成的电解槽是否符合生产标准，影响生产的进行。

发明内容

本发明是为了避免现有技术存在的不足之处，提供一种高电密低电耗电解槽，对离子膜进行有效预处理，提高离子膜的运行强度，降低离子膜损坏，继而降低能耗，并提供了该高电密低电耗电解槽的测试方法，提供一个具有完善系统的测试方案，通过调整变量以及检测数据来折算相应的数值，通过数值来判断是否符合生产标准。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种高电密低电耗电解槽，包括槽体、设置在槽体内的多个电解单元以及设置在槽体一侧的膜预处理系统，所述电解单元包括阳极、折流板、阴极以及离子交换膜，所述离子交换膜经过膜预处理系统之后设置在阳极以及阴极上，所述折流板设置在阳极与阴极之间，所述折流板呈连续的V型状；所述膜预处理系统包括处理槽、蒸气喷淋装置以及纯水喷淋装置，所述蒸气喷淋装置以及纯水喷淋装置均与处理槽相连接，所述蒸气喷淋装置包括输入单元、加热单元、输出单元以及回收单元，所述输入单元与加热单元相连通，所述加热单元与输出单元以及回收单元相连通，所述回收单元以及输出单元与处理槽相连通。

在此，所述输入单元包括管道一、阀路一、阀路二以及压力检测单元，所述阀路一与阀路二并联的设置在两条相连接的管道一上，所述阀路一包括依次设置的球阀一、调压阀、球阀二，所述阀路二包括球阀三，所述压力检测单元包括传感器、单向阀四以及压力显示表，所述传感器设置在管道一尾端用于检测管道内的压力。

在此，加热单元包括加热器以及传热管件，所述加热器用以加热传热管件，所述传热管件设置有两个，两个所述传热管件相连通，一个所述传热管件与输入单元相连通，另一个所述传热管件与回收单元相连通。

在此，输出单元包括管道二、连接软管一以及球阀五，一个所述管道二通过传热管件与输入单元相连通，另一个所述管道二与处理槽相连通，所述连接软管一设置在两个管道二之间，所述球阀五设置在管道二与连接软管一之间。

在此，回收单元包括管道三以及设置在管道三上的连接软管二、泵体、过滤器、球阀六、与疏水器，所述连接软管二设置在处理槽与过滤器之间，所述泵体设置在过滤器与传热管件之间，所述疏水器设置在传热管件尾端，所述球阀六具有多个，所述球阀六分别设置在处理槽与连接软管二、泵体与传热管件、以及传热管件与疏水器之间。

本发明提供的一种高电密低电耗电解槽的测试方法，包括以下步骤：

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行12-24h，并监控电解槽的各项实验数据；

S3：调整变量项目，变量项目包括盐水流量、碱流量、电流密度、电解槽温度；

S4：根据调整完成的变量项目，按照峰谷电时间段进行调整运行时间，并监控电解槽的各项实验数据；

S5：按照以上步骤持续运行3-4年，收集电解槽的各项实验数据，并综合计算折标电压，当电耗以及实验数据均在规定值之内，则测试通过。

其中，电解槽的实验数据包括电解槽单元电压、电流负荷、电解槽单元温度、PH值、盐水浓度、ClO浓度、氯酸钠浓度、氢氧化钠浓度、氯气浓度、氢气浓度、硫酸根离子浓度。

在此，峰谷电时间段包括时间段一、时间段二、时间段三以及时间段四，所述时间段一包括22点至8点，所述时间段二包括8点至11点，所述时间段三包括11点至13点，所述时间段四包括13点至22点，所述电解槽在时间段一内的运行时间大于在时间段四内的运行时间，且在时间段二内的运行时间小于时间段三内的运行时间，并根据电流密度的变化调整电解槽单元温度，并根据电解槽单元温度的变化来调整盐水流量。

本发明的有益效果

1.阴、阳极内部折流板由4个梯形改为连续的V型，改善电解槽内液体浓度分布，降低液体电压降，改进阳极网规格，电槽网眼更细密，电流分布更均匀，增加导电筋板数量、减小筋板间距，使得电流分布更均匀。

2.适配膜预处理装置，将装配前的离子膜沉浸在盛放有预处理溶液的处理槽中，同时持续的对槽体内部喷淋纯水以及溶液喷雾，提高预处理效果，保证离子膜表面湿润且处理完全无死角。

3.长期跟踪测试实验电槽单元槽直流单耗约2069kwh/t(折百碱)，较生产槽降低约74kwh/t(折百碱)，降幅3.4％，4年来电解槽的平均折标单元电压小于3.02V，折标电流电耗低于2140KWh，单元故障更换率不超过3片，通过测试新结构、新涂层的NX型电槽单元框在高电流密度的运行情况，研究不同原料盐水质量、不同运行工艺参数、不同的阴阳极涂层、不同的单元槽构造以及不同型号离子膜对产品能耗、设备寿命及产品质量的影响，为后续电解槽更新改造为更新型的高电密低电耗的复极式单元框提供重要的技术证明及说服力。

附图说明

本文所描述的附图仅用于所选择实施例的阐述目的，而不代表所有可能的实施方式，且不应认为是本发明的范围的限制。

图1是本发明的高电密低电耗电解槽的槽体处的结构示意图；

图2是本发明的高电密低电耗电解槽的电解单元的结构示意图；

图3是本发明的高电密低电耗电解槽的膜预处理系统的平面示意图；

图4是本发明的高电密低电耗电解槽的蒸气喷淋装置的系统图；

图5是本发明的高电密低电耗电解槽的整体结构框图示意图。

具体实施方式

下面，参照附图详细描述根据本发明的实施例，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对结合附图提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文使用的术语旨在解释实施例，并且不旨在限制和/或限定本发明。需要理解的是，在整个说明书中，术语“包括”、“具有”等在本文中用于指定所述特征、元件、部件或其组合的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、元件、部件或其组合。

另外，即使包括诸如“第一”、“第二”、“一”、“二”等序数的术语可用于描述各种部件，但这些部件并不受这些术语的限制，并且这些术语仅用于区分一个元件与其他元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，阀路一可以被称为阀路二，并且类似地，阀路二可以被称为阀路一。

如图1-5所示，本发明中的电解槽，主要包括槽体100、设置在槽体100内的多个电解单元200以及设置在槽体100一侧的膜预处理系统，当然槽体100底部对应的焊接等连接方式连接设置有底座101，槽体100侧面连接设置有扶梯102，槽体100顶面则设置有护栏结构103，方便工人通过扶梯102上到槽体100顶面，对槽体100内部进行电解单元200以及其他结构的组装，同时方便进行检修，扶梯102一侧与处理槽300一侧相对应，方便通过扶梯运送处理完成的离子膜并进行装配。

其中，电解单元200包括阳极210、折流板220、阴极230以及离子交换膜240，所述离子交换膜240经过膜预处理系统之后设置在阳极210以及阴极230上，提高离子膜的使用效果并延长使用寿命，同时将低能耗，所述折流板220设置在阳极210与阴极230之间，所述折流板220呈四片连续的V型状，改善电解槽内液体浓度分布，降低液体电压降。

在此，膜预处理系统包括处理槽300、蒸气喷淋装置400以及纯水喷淋装置500，水喷淋装置500采用常规水喷淋管以及喷淋头即可，所述蒸气喷淋装置400以及纯水喷淋装置500均与处理槽300相连接且位于处理槽300上部位置，方便进行喷淋，所述蒸气喷淋装置400包括输入单元、加热单元、输出单元以及回收单元，所述输入单元与加热单元相连通，所述加热单元与输出单元以及回收单元相连通，所述回收单元以及输出单元与处理槽300相连通。

输入单元包括管道一410、阀路一、阀路二以及压力检测单元，所述阀路一与阀路二并联的设置在两条相连接的管道一410上，所述阀路一包括依次设置的球阀一411、调压阀412、球阀二413，所述阀路二包括球阀三414，所述压力检测单元包括传感器、球阀四415以及压力显示表416，所述传感器设置在管道一410尾端用于检测管道内的压力。即蒸汽可以通过阀路一所在的管道向前输送，也可以通过阀路二所在的管道向前输送，阀路一通过调压阀进行压力调节，配合补芯结构改变管径大小，管径由小变大，通过调压阀保证管道内的压力并提高输送量，当阀路一出现故障时，关闭阀路一，打开阀路二，直接由阀路二承担输送蒸汽的作用，且管径不变，无需调节压力，将蒸汽顺利输送至加热单元进行保温加热。

其中，加热单元包括加热器以及传热管件420，所述加热器用以加热传热管件420，所述传热管件420设置有两个，两个所述传热管件420相连通，一个所述传热管件420与输入单元相连通，另一个所述传热管件420与回收单元相连通，加热器采用电热丝结构即可，将传热管件420包裹，提高导热效果。输出单元包括管道二430、连接软管一431以及球阀五432，一个所述管道二430通过传热管件420与输入单元相连通，另一个所述管道二430与处理槽300相连通，所述连接软管一431设置在两个管道二430之间，所述球阀五432设置在管道二430与连接软管一431之间。输出单元起到将经过加热单元的蒸汽输送至电解槽内上方进喷雾操作。

回收单元包括管道三440以及设置在管道三440上的连接软管二441、泵体442、过滤器443、球阀六444、与疏水器445，泵体442采用电磁泵，连接软管一431与连接软管二441为橡胶管，过滤器443为Y型过滤器443，所述连接软管二441设置在处理槽300与过滤器443之间，所述泵体442设置在过滤器443与传热管件420之间，所述疏水器445设置在传热管件420尾端，所述球阀六444具有多个，所述球阀六444分别设置在处理槽300与连接软管二441、泵体442与传热管件420、以及传热管件420与疏水器445之间，通过回收单元将处理槽300内的预处理液进行小部分吸取回收，经过加热单元以及疏水器445之后，将汽液分离，分离出来的冷凝水排出到外部，分离出来的预处理汽通过输出单元进入处理槽300顶部进行喷淋，提高预处理效果。

本发明中高电密低电耗电解槽的测试方法，主要包括成立项目组→分工→设计确定工艺→审核、论证→装置开车试生产→监控电槽各项数据→调整电槽运行参数→积累电槽运行数据→项目验收，具体步骤为：

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行12-24h，并监控电解槽的各项实验数据；

S3：调整变量项目，变量项目包括盐水流量、碱流量、电流密度、电解槽温度；

S4：根据调整完成的变量项目，按照峰谷电时间段进行调整运行时间，并监控电解槽的各项实验数据；

S5：按照以上步骤持续运行4年，收集电解槽的各项实验数据，并综合计算折标电压，当电耗以及实验数据均在规定值之内，则测试通过。

其中，电解槽的实验数据包括电解槽单元电压、电流负荷、电解槽单元温度、PH值、盐水浓度、ClO浓度、氯酸钠浓度、氢氧化钠浓度、氯气浓度、氢气浓度、硫酸根离子浓度。

峰谷电时间段包括时间段一、时间段二、时间段三以及时间段四，所述时间段一包括22点至8点(谷电)，所述时间段二包括8点至11点(峰电)，所述时间段三包括11点至13点(谷电)，所述时间段四包括13点至22点(峰电)，所述电解槽在时间段一内的运行时间大于在时间段四内的运行时间，且在时间段二内的运行时间小于时间段三内的运行时间，并根据电流密度的变化调整电解槽单元温度，并根据电解槽单元温度的变化来调整盐水流量，合理利用峰谷电，降低电力成本，谷电时满运行，峰电则适当减少运行时间，在保证实现测量结果的原则下尽量缩短峰电使用量。

将一种适合于更高电密运行下电耗更低的新型构造离子膜电解槽(nX-BiTACplus电解槽)，通过实验装置，通过不同电密、不同流量下一定周期的运行，收集电槽运行数据、并计算其折标电压，若预期初始电耗在2140kwh/t折百碱以下，正常运行条件下(无盐水污染，停车正常置换，极化电流投用正常，无频繁开停车，需要峰谷电负荷调节)的单元电压稳定，全分析各参数稳定在控制范围内，可认为该型电槽有明显节能降耗且可稳定生产，可作为下一次部分接近生命周期的生产电槽更新的选择之一。

实施例1

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行24h，并监控电解槽的各项实验数据，进行热机操作；

S3：控制盐水流量在10.0wt％，碱流量在15.0m³/h，电流密度7.1KA/m²，电解槽温度85.02℃；且按照北京时间，22点至8点之间满时间段运行，8点至11点之间运行8点至9点1小时，11点至13点时满运行，13点至22之间运行13点至18点5小时，并检测记录实验数据。

实施例2

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行24h，并监控电解槽的各项实验数据，进行热机操作；

S3：控制盐水流量在10.2wt％，碱流量在15.2m³/h，电流密度7.2KA/m²，电解槽温度83.74℃；且按照北京时间，22点至8点之间满时间段运行，8点至11点之间运行8点至9点1小时，11点至13点时满运行，13点至22之间运行13点至18点5小时，并检测记录实验数据。

实施例3

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行24h，并监控电解槽的各项实验数据，进行热机操作；

S3：控制盐水流量在10.4wt％，碱流量在15.3m³/h，电流密度7.3KA/m²，电解槽温度86.19℃；且按照北京时间，22点至8点之间满时间段运行，8点至11点之间运行8点至9点1小时，11点至13点时满运行，13点至22之间运行13点至18点5小时，并检测记录实验数据。

实施例4

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行24h，并监控电解槽的各项实验数据，进行热机操作；

S3：控制盐水流量在10.5wt％，碱流量在15.45m³/h，电流密度7.4KA/m²，电解槽温度88.45℃；且按照北京时间，22点至8点之间满时间段运行，8点至11点之间运行8点至9点1小时，11点至13点时满运行，13点至22之间运行13点至18点5小时，并检测记录实验数据。

实施例5

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行24h，并监控电解槽的各项实验数据，进行热机操作；

S3：控制盐水流量在10.6wt％，碱流量在15.5m³/h，电流密度7.5KA/m²，电解槽温度84.14℃；且按照北京时间，22点至8点之间满时间段运行，8点至11点之间运行8点至9点1小时，11点至13点时满运行，13点至22之间运行13点至18点5小时，并检测记录实验数据。

实施例6

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行24h，并监控电解槽的各项实验数据，进行热机操作；

S3：控制盐水流量在10.6wt％，碱流量在15.55m³/h，电流密度7.8KA/m²，电解槽温度86.70℃；且按照北京时间，22点至8点之间满时间段运行，8点至11点之间运行8点至9点1小时，11点至13点时满运行，13点至22之间运行13点至18点5小时，并检测记录实验数据。

其中，实施例1-6以24小时为一个实验周期，得到的实验数据如下表：

以上实施例1-6仅是其中6天的实验数据，需要运行测试4年的时间，若试验期间未发生盐水污染或其他异常操作，依据试验电槽全分析数据计算得到电槽的直流电解电耗小于2140DC-kWh/MT-100％NaOH，则可认为试验成功。

当然，本发明不限于刚刚描述的示例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以对那些示例进行许多修改。特别地，本发明的各种特征、形式、变型和实施例可以以各种组合彼此关联，只要它们不是不兼容或相互排斥的即可。特别地，上述所有变型和实施例可以彼此组合。

Claims (2)

1.一种高电密低电耗电解槽，包括槽体、设置在槽体内的多个电解单元以及设置在槽体一侧的膜预处理系统，其特征在于，所述电解单元包括阳极、折流板、阴极以及离子交换膜，所述离子交换膜经过膜预处理系统之后设置在阳极以及阴极上，所述折流板设置在阳极与阴极之间，所述折流板呈连续的V型状；所述膜预处理系统包括处理槽、水蒸气喷淋装置以及纯水喷淋装置，所述水蒸气喷淋装置以及纯水喷淋装置均与处理槽相连接，所述水蒸气喷淋装置包括输入单元、加热单元、输出单元以及回收单元，所述输入单元与加热单元相连通，所述加热单元与输出单元以及回收单元相连通，所述回收单元以及输出单元与处理槽相连通；

所述输入单元包括管道一、阀路一、阀路二以及压力检测单元，所述阀路一与阀路二并联的设置在两条相连接的管道一上，所述阀路一包括依次设置的球阀一、调压阀、球阀二，所述阀路二包括球阀三，所述压力检测单元包括传感器、球阀四以及压力显示表，所述传感器设置在管道一尾端用于检测管道内的压力；

所述加热单元包括加热器以及传热管件，所述加热器用以加热传热管件，所述传热管件设置有两个，两个所述传热管件相连通，一个所述传热管件与输入单元相连通，另一个所述传热管件与回收单元相连通；

所述输出单元包括管道二、连接软管一以及球阀五，一个所述管道二通过传热管件与输入单元相连通，另一个所述管道二与处理槽相连通，所述连接软管一设置在两个管道二之间，所述球阀五设置在管道二与连接软管一之间；

所述回收单元包括管道三以及设置在管道三上的连接软管二、泵体、过滤器、球阀六、与疏水器，所述连接软管二设置在处理槽与过滤器之间，所述泵体设置在过滤器与传热管件之间，所述疏水器设置在传热管件尾端，所述球阀六具有多个，所述球阀六分别设置在处理槽与连接软管二、泵体与传热管件、以及传热管件与疏水器之间。

2.一种高电密低电耗电解槽的测试方法，适用于如权利要求1所述的高电密低电耗电解槽，其特征在于，包括以下步骤：

S1：控制盐水进入电解槽阳极，循环碱进入电解槽阴极，使得阳极氯离子被氧化，产生氯气溢流至废氯气总管，钠离子及水透过离子膜进入实验电槽阴极，产生的氢气溢出至氢气水封后放空，碱液进入废碱总管后去废碱槽；

S2：持续运行12-24h，并监控电解槽的各项实验数据；

S3：调整变量项目，变量项目包括盐水流量、碱流量、电流密度、电解槽温度；

S4：根据调整完成的变量项目，按照峰谷电时间段进行调整运行时间，并监控电解槽的各项实验数据；

S5：按照以上步骤持续运行3-4年，收集电解槽的各项实验数据，并综合计算折标电压，当电耗以及实验数据均在规定值之内，则测试通过；

其中，电解槽的实验数据包括电解槽单元电压、电流负荷、电解槽单元温度、PH值、盐水浓度、ClO浓度、氯酸钠浓度、氢氧化钠浓度、氯气浓度、氢气浓度、硫酸根离子浓度；

所述峰谷电时间段包括时间段一、时间段二、时间段三以及时间段四，所述时间段一包括22点至8点，所述时间段二包括8点至11点，所述时间段三包括11点至13点，所述时间段四包括13点至22点，所述电解槽在时间段一内的运行时间大于在时间段四内的运行时间，且在时间段二内的运行时间小于时间段三内的运行时间，并根据电流密度的变化调整电解槽单元温度，并根据电解槽单元温度的变化来调整盐水流量。

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