王 宏

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

離子膜電解槽的最佳換膜時機

王 宏

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

介紹了離子膜電解裝置中離子膜的經(jīng)濟使用壽命，分析計算了更換離子膜的最佳時機。合理確定離子膜換膜時間，有利于離子膜制堿能源利用效率的提高，降低生產(chǎn)成本。

離子膜電槽；經(jīng)濟壽命；分析計算

1 離子膜經(jīng)濟壽命

決定離子交換膜的使用壽命主要有2個方面，一是離子膜是否遭到機械損害；二是離子膜的技術(shù)經(jīng)濟性能。離子膜的技術(shù)經(jīng)濟性能主要指電流效率和膜電壓。隨著使用時間的延長，電流效率逐步變低，膜電壓也出現(xiàn)一定的增長，當(dāng)二者變化到一定程度時，離子膜再繼續(xù)使用，噸堿電耗將過高，此時，應(yīng)該更換離子膜。

目前，國內(nèi)一些氯堿企業(yè)以膜的電效低于93%為換膜的標(biāo)準(zhǔn)，有一定的根據(jù)，但從經(jīng)濟角度來講，并不十分準(zhǔn)確。電價高的企業(yè)可能需要在電效為93%(甚至高于93%)時進行更換，但電價較低的企業(yè)在電效為93%時，可能還不需要更換。這就要求對離子膜的經(jīng)濟使用壽命進行較為準(zhǔn)確的測算。

由于新膜和舊膜的工藝控制 (如加酸量和進口酸度等)有差異，同時，為了減少停車次數(shù)，氯堿企業(yè)離子膜的更換一般都是整臺更換。因此，確定離子膜的經(jīng)濟使用壽命需綜合考慮噸堿的離子膜費用、離子膜的技術(shù)進步因素、槽密封墊費用、換膜的人工成本、操作電流密度、電耗、電價等因素，根據(jù)效益最大化原則，測算出最佳的換膜周期。

離子膜費用、密封墊費用、人工成本等計為換膜費用，該費用隨著離子膜使用周期的延長攤?cè)雵崏A費用逐步降低；但電耗費用隨著離子膜使用周期延長攤?cè)雵崏A的平均費用逐步上升。噸堿換膜費用下降、電費上升和最佳換膜周期的關(guān)系見圖1。

2 離子膜經(jīng)濟壽命分析

近年來，離子膜生產(chǎn)技術(shù)的進步較為明顯，國產(chǎn)離子膜已進入工業(yè)化試驗階段，而進口離子膜的價格也大幅下降，特別是日本旭硝子的離子膜價格下降較快，這有利于中國離子膜燒堿的生產(chǎn)以及生產(chǎn)成本的下降，有利于提高離子膜電槽的經(jīng)濟運行水平和降低生產(chǎn)成本，提高能源的綜合利用效率。

河北盛華化工有限公司加大安全投入項目，6萬t/a離子膜燒堿裝置于2009年3月投入運行，電解槽已經(jīng)運行3年，折電流密度為5 kA/m2時，交流電耗由開車初期2 098 kW·h/t上升至目前的2 428 kW·h/t（2012年2月電耗值）（初期3個月為試車期，合計運行3年），現(xiàn)通過測算，確定離子膜電解槽最佳的換膜時機，以確保企業(yè)效益的最大化。

以該離子膜燒堿裝置A槽為例，分析離子膜經(jīng)濟壽命變化情況。該電解槽為伍迪公司生產(chǎn)的高電流密度自然循環(huán)復(fù)極式電解槽，年生產(chǎn)能力為2萬t，單元槽個數(shù)為128個/臺。

2009年3月開車并投入使用，2009年6月生產(chǎn)基本正常，到2012年2月為止膜已使用3年，膜的電流效率為93.03%。

2.1 換膜費用及人工成本

（1）換膜費用。每個單元槽換膜備件及膜成本以10 000元計（考慮大部分備件重復(fù)使用），則128臺單元槽總費用為128萬元。

（2）人工成本。檢修時間18天，其中拆槽8天，平均每天13人，裝槽10天，平均每天22人，共計324人/天，每人每天工資以100元計，合計32400元。（3）其他管理費用5 000元。以上各項合計131.74萬元。

2.2 噸堿電耗和電費

當(dāng)?shù)仉妰r按0.5元/kW·h計。從2009年6月至2010年5月，運行時間1年，初期電解電費 （取2009年 5 月和 6 月平均值）為（1 049.20+1 023.95）/2＝1 086.58（元），增加至1 170.95元，噸堿年增加電費1 170.95-1 086.58=84.37（元），單槽年產(chǎn) 2 萬t離子膜堿，年增加電費為：84.37×2＝168.74（萬元）。

從2010年5月至2011年5月，運行時間1年，電解電費從1 170.95元增加至1 203.30元，噸堿年增加電費 1 203.30-1 170.95＝32.35（元），單槽年產(chǎn)2 萬t離子膜堿，年增加電費為：32.35×2＝64.7（萬元）。

按2009年6月至2011年5月運行2年的平均值計算，年平均單臺電槽增加的用電成本為（168.74+64.7）/2=116.72（萬元）。

2.3 下一輪換膜時間的估算

延長離子膜的使用時間，雖然會使換膜成本降低，但噸堿電耗卻增加。當(dāng)年電費增加總值正好等于當(dāng)年換膜成本下降總值時，就應(yīng)該進行下一輪的離子膜更換。

如前述，離子膜更換的總費用為131.74萬元。

假設(shè)每年電耗上升速度相等，取兩年的平均電耗增加值為電耗年平均上升速度，單臺槽每年燒堿產(chǎn)量2萬t，最佳更換年限為X，則：

第X年噸堿交流電耗費用比X-1年上升，仍然為58.36元/t，單臺電槽（每臺2萬t）電耗上升降總費用為 58.36×2＝116.72（萬元）；

第X年換膜成本比X-1年下降總值為：131.74/（X-1）-131.74／X，當(dāng)電耗上升費用和換膜成本下降相等時，即：131.74/（X-1）-131.74/X=116.72

得出：X=1.67（年）即該公司6萬t/a離子膜裝置A槽于2009年6月正常投入生產(chǎn)，下一輪換膜應(yīng)在2011年3月前后進行。

實際上換膜時間還應(yīng)考慮以下幾個方面。

（1）需要根據(jù)企業(yè)的氯氣平衡情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，考慮在氯氣有余的時候更換。

（2）需要根據(jù)產(chǎn)品的效益情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，考慮在產(chǎn)品效益較差的時候更換。

（3）需要根據(jù)離子膜技術(shù)技術(shù)進步情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如推出了電壓更低的或是更經(jīng)濟的離子膜，則換膜時間應(yīng)適當(dāng)提前。

（4）需要根據(jù)電流密度情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如運行電流密度低時，可適當(dāng)推遲，否則相反。

3 結(jié)論

由于離子膜制造技術(shù)的進步及離子膜售價的大幅降低，使得離子膜電解槽更換離子膜的周期變短，從而降低了離子膜堿的綜合能耗，使得能源成本在離子膜燒中所占的比重將逐步降低，有利于全行業(yè)的技術(shù)進步。

離子膜燒堿生產(chǎn)企業(yè)在離子膜制造技術(shù)進步及離子膜售價的大幅降低的情況下，要不斷提高離子膜電槽的管理水平，加強工藝技術(shù)的控制，延長膜的使用壽命，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。

總之，要綜合考慮，確定最佳的換膜時間。

Best timing for replacement of membrane of ion-exchange membrane electrolyzer

WANG Hong
(Hebei Shenghua Chemical Industry Co.,Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)

Introduced the economic life of the ion-exchange membrane in manufacture of ion-exchange membrane alkaline.Analyzed and calculated the best time to be replaced ion-exchange membrane in our company.The drop in market price of ion-exchange membrane causes changing ion-exchange membrane time ahead of time,improves energy utilization efficiency in manufacture of ion-exchange membrane caustic soda and reduces the production costs.

ion-exchange membrane electrolyzer;economic life；analysis and calculation

TQ114.26

B

1009－1785(2012)10-0005-02

王宏（1968年—），男，高級工程師，1993年畢業(yè)于河北工學(xué)院（現(xiàn)河北工業(yè)大學(xué)）化學(xué)工程系，現(xiàn)于河北盛華化工有限公司從事能源管理工作。

2012-05-17