氧阴极电极制造工艺与设备研究

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氯碱工业属于化学工业,在我国国民经济的发展中占有十分重要的地位,是化学材料生产的基础工业,其产品烧碱、氯气广泛用于轻工、化工、建材、国防、冶金等各领域。由于其生产工艺主要是通过直流电对食盐进行电解得到产品,因此,决定了整个产业是一个以消耗电能为主要成本的产业。据氯碱协会的年度统计,近几年,我国烧碱的年产量呈逐年增长态势,全行业电消耗按吨碱烧碱耗电达到2300kWh左右。而截止到2012年度,我国烧碱产能已经达到3700万吨,那么全行业按照80%的开工率计算则年耗电达到680亿度以上。国务院“十五”、“十一五”、“十二五”的《节能减排规划》对高耗能、高污染行业进行限制性发展,国务院发改委、工信部不断调高氯碱行业准入门槛,从原来不限制或少限制发展到将准入规模调整到年产30万吨烧碱。如果不采取技术措施以降低其单产能耗,全氯碱行业的健康发展无疑会受到很大影响。世界主要氯碱生产大国均在想办法降低电解消耗,德国的拜耳材料科技、日本的旭化成等一流科技性公司更把研究燃料电池(氧气去极化)电极技术,努力采取措施应用到食盐电解领域,但工业规模化应用还未见正式的报道。自2005年以来,国内氯碱装备企业利用在行业内电解装备设计制造的优势与高校联合研究氧阴极电极(氧气去极化电极)电解技术,也取得了阶段成果。尤其是“低槽电压氧阴极离子膜电解制烧碱技术项目”列入国家“十一五”科技支撑计划以后,该技术成果转化以及开展工业化研究的步伐大大加快。双方的联合研究行动不仅取得10吨烧碱/年的小装置运行经验,也在200吨/年烧碱装置的成功运行方面取得显著成绩。这些成绩的取得为进一步放大实验成果,亦即生产出符合工业化运行大小的氧阴极电极提供了可能性。为了完成这一重要课题,就必须解决好实验室成果放大过程中的生产装备问题以及工艺调整问题。本文就是在此背景下,着重研究了氧阴极电极制造过程中,扩散层、催化层的配制技术、分散技术,造孔剂的选择对柔性电极性能的影响;热烘烤工艺改变对设备适应性的影响,通过实验在工业放大生产氧阴极电极中的工业装备设计、制造、安装、调试过程,以达到工业放大阶段生产用的氧阴极电极,其电化学性能保持与实验室小试生产的电极的一致性,即通过工艺放大研究使得氧阴极电极通过组装依然能够保证在3kA/m2的电流密度时,食盐电解的槽电压低于2.3伏,从而体现良好的节能特性。本文通过对氧阴极电极发展历程分析、原理分析、研究过程工艺分析,以及生产阶段装备对电极生产的适应性分析,以恒温干燥阶段的恒温烘箱的设计、制备、安装调试到使用全过程的分析为例,提出了装备设计、制造对成果成功转化的必要性。
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