(57)【要約】【課題】塩素ガスの発生を伴う電解反応を行い、電解反応室と外部との気密を保持するシール部を有する電解槽において、確実なシールを行う。シール部で電解反応室内の圧力変動を吸収する。シール部の経済性及び耐久性を高め、メンテナンス作業性も高める。【解決手段】電解反応室４を覆う上蓋１０と槽本体１２との隙間、及び上蓋１０を貫通する陽極６と上蓋１０との隙間を各シールするシール部１３，１４を、シート状部材２３，２８により構成する。シート状部材２３，２８は耐熱樹脂シートであり、表面側にラミネートされた耐熱繊維により補強されると共に、内面側に形成された断熱層と組み合わされている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩素ガスの発生を伴う電解反応を行い、電解反応室と外部との気密を保持するシール部を有する電解槽において、前記シール部がシート状部材により構成されることを特徴とする電解槽。
【請求項２】
前記シール部は、電解反応室を覆う上蓋と槽本体との隙間及び／又は前記上蓋を貫通する電極と上蓋との隙間である請求項１に記載の電解槽。
【請求項３】
前記シート状部材は耐熱樹脂シートであり、その内面側に形成された断熱層と組み合わされている請求項１に記載の電解槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属Ｍｇの製造に使用される電解槽のように、塩素ガスの発生を伴う電解反応を行う電解槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属Ｍｇを工業的に製造する場合、ＭｇＣｌ２  を含む溶融塩をＭｇの融点以上の温度で電気分解する電解法が多用されている。この電解法による金属Ｍｇの製造方法を図４により説明する。
【０００３】
電解法による金属Ｍｇの製造には電解槽１が使用される。電解槽１は内部にＭｇＣｌ２  を含む溶融塩２を収容しており、その内部は隔壁３によって電解反応室４とＭｇ回収室５に分離されている。電解反応室４には、炭素からなる平板状の陽極６と陰極７とが交互に配置されている。隔壁３には、電解反応室４とＭｇ回収室５との間で溶融塩２を循環させるために、上下２段の開口部８，９が設けられている。各室は上蓋１０，１１により閉止されている。
【０００４】
操業では、溶融塩２中のＭｇＣｌ２  の電気分解に伴って電解反応室４で塩素ガスが発生する。塩素ガスは電解反応室４から外部へ漏洩すると環境汚染等の原因になる。このため、電解反応室４を上蓋１０により閉止すると共に、電解反応室４の空間部分を負圧に吸引して、塩素ガスの外部への漏洩を防止している。
【０００５】
電解反応室４内を負圧に吸引すると、塩素ガスの外部への漏洩が防止されるが、一方で大気が電解反応室４内に侵入する。そうすると、大気中の酸素や水分が電解反応室４内のＭｇやＭｇＣｌ２  と反応することにより酸化Ｍｇが生成する。生成した酸化Ｍｇは、電気分解したＭｇとＣｌ２  を再結合すると共に、電極材であるカーボン表面を削り、電極間隔を広げて電気抵抗を広げるために、電解反応での電力原単位（ＣＥ）を悪化させる原因になる。このため、電解反応室４に通じる隙間がシールされている。
【０００６】
シールが特に必要な隙間は、電解反応室４を覆う上蓋１０と槽本体との隙間と、上蓋１０を貫通する陽極６と上蓋１０との隙間である。また、シール材としては、例えばプラスチック耐火物と溶融塩とピッチの混合物が使用されている。ピッチ系シール部材以外には、溶融塩等の塩粉末を使用することが特許文献１に記載されている。また、フッ素樹脂パッキンを冷却ジャケットで固定することが特許文献２に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２９５０８８号公報
【０００８】
【特許文献２】
実開昭６３−９４９６６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのシール構造には以下の問題がある。
【００１０】
電解槽１は殆どが耐火物レンガで構築されているため、このレンガの崩壊及び熱膨脹等で電解反応室４を覆う上蓋１０が押し上げられる。このため、上蓋１０の周囲を固形物でシールすると直ちにクラックが入る。また槽本体の外皮である金属セル枠が熱膨脹により外側へ膨らんで隙間が生じる。このようなシール部の変位・変形は３０ｍｍにも及び、これを吸収するために流動性があるピッチ系シール部材が多用されているわけであるが、その寿命は３ヵ月程度と短い。このため頻繁な補修作業が必要であった。
【００１１】
しかも、補修作業ではピッチが流動性であることにより、その除去に手間がかかり、作業時間が長くなる問題があった。そして作業中は、シール状態が非常に悪い状態となり、電力原単位を余計に悪化させることになる。
【００１２】
一方、特許文献１に示されている粉体シールの場合は、粒子間の隙間から空気が侵入するため、シール性そのものに問題がある。他方、特許文献２に示された、フッ素樹脂パッキンを冷却ジャケットで固定するシール構造は、粉体シールの問題を解決するものであるが、前述したようなシール部の大きな変位・変形のためにしばしば固定が緩み、頻繁なメンテナンスを必要とする。
【００１３】
また、電解操業では、電流を増加したときなどに塩素発生速度が急増することがある。前述した何れのシール構造の場合も、可塑性はあるものの、電解反応室内の圧力変動を吸収できるようなフレキシビリティは持ち合わせない。このため、塩素排気系のレスポンスを超えて塩素発生速度が急増したときには、電解反応室内が加圧状態になってしまい、塩素ガスが外部に漏れるおそれがあった。
【００１４】
フレキシビリティをもつシール構造としては金属ベローズがあるが、金属Ｍｇ製造用の電解槽では、塩化水素による腐食と、高価になることが問題になる。また、金属ベローズは材質自体に柔軟性がないため、高い取付け精度を必要とするが、電解槽の築炉精度はそこまで高くなく、取付けが困難になる。
【００１５】
このようなことから、電解反応室４に対しては、シール性に優れるのみならず、築炉精度及び電解反応室内の圧力変動に対応できるようなフレキシビリティを合わせ持ち、しかも耐久性に優れることによりメンテナンス頻度が低く、更には経済性及びメンテナンス作業性にも優れるシール部が求められている。
【００１６】
本発明の目的は、電解反応室の対外シール性に優れると共に、そのシール部で電解反応室内の圧力変動を吸収でき、しかも、シール部の経済性及び耐久性に優れ、メンテナンス作業も容易な電解槽を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電解槽は、塩素ガスの発生を伴う電解反応を行う電解反応室と外部との気密を保持するシール部を、シート状部材により構成したものである。
【００１８】
シート状部材により構成されたシール部の最大の特徴は、そのシート状部材が折曲自在であることにより、高いシール性を確保しつつ、築炉精度及び電解反応室内の圧力変動に対応できるような高いフレキシビリティを確保できる点にある。しかも、同様のフレキシビリティを確保できる金属ベローズに比べて安価であると共に、電気的な短絡などの危険なく安全である。更に、ピッチ系シール部材などと比べて扱いが簡単である点、及びフレキシビリティにより隙間が出来にくい点の両面から、メンテナンス性に優れる。
【００１９】
シール部の場所は、代表的には、電解反応室を覆う上蓋と槽本体との隙間及び／又は前記上蓋を貫通する電極と上蓋との隙間である。これらの隙間をシールすることにより、電解反応室への外気侵入を効果的に防止できる。
【００２０】
シート状部材は、フッ素樹脂などの耐熱樹脂からなる樹脂シートが耐熱性、シール性、耐久性などの点から好ましく、その樹脂シートをガラス繊維などの耐熱繊維の表面、特に内面にライニングした複合材が耐熱性、機械的強度などの点からより好ましい。また、このシート状部材は、当該シート状部材の内面側に形成された断熱層と組み合わせるのが好ましい。断熱層は例えば溶融塩などの塩により形成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す電解槽の平面図、図２は同電解槽における第１のシール部の構造を示す縦断面図、図３は第２のシール部の構造を示す斜視図である。
【００２２】
本実施形態の電解槽は、金属Ｍｇの電解製造に使用される。この電解槽の全体構造を図１及び図４を参照して説明する。
【００２３】
電解槽１は、槽本体１２の内部を隔壁により電解反応室４とＭｇ回収室５とに仕切り、各室を上蓋１０，１１により閉止した構造になっている。電解反応室４内には陽極６と陰極７とが横幅方向に所定間隔で配置されている。陽極６は、電解反応室４を覆う上蓋１０を貫通して室内に挿入されている。陰極７は、槽本体１２の後部壁を貫通して室内に挿入されている。
【００２４】
本実施形態の電解槽における最大の特徴点は、電解反応室４を覆う上蓋１０と槽本体１２との間をコ字形の第１シール部１３でシールした点、及び上蓋１０を貫通する複数の陽極６と上蓋１０との各間を、角枠状の第２シール部１４でそれぞれシールした点にある。両方のシール部は、図１中にハッチングで示されている。
【００２５】
第１シール部１３の構造を図２に基づいて説明する。電解槽１の槽本体１２は、鋼からなる角枠状のセル枠１５の内側に耐火レンガ層３１を配置した構造になっている。垂直なセル枠１５の上端部は耐火レンガ層３１の上面より上方に突出しており、その上縁には、外側へ水平に張り出したフランジ部１６が設けられている。耐火レンガ層３１の上面には、上蓋１０の下端部が挿入される溝１７が設けられている。
【００２６】
上蓋１０は、水平な鋼板からなる鉄皮部１８を角枠状の枠部１９で囲み、鉄皮部１８の裏面にキャスターからなる耐熱層２０をライニングした構造になっている。そして、枠部１９を、耐火レンガ層３１の上面に形成された溝１７に差し込み、キャスターからなる固定材２１を充填することにより、上蓋１０は槽本体１２上に固定されて電解反応室４を閉止している。
【００２７】
槽本体１２と上蓋１０との間をシールために、従来はセル枠１５と枠部１９との間で耐火レンガ層３１の上面にプラスト２２を塗り込め、その上にタール系シール部材を堆積することで、セル枠１５と枠部１９との間をシールしていたが、耐久性やメンテナンス性に問題があった。そこで、本実施形態では、フッ素系の樹脂シートからなるシート状部材２３により、セル枠１５と枠部１９との間をシールしている。
【００２８】
即ち、シート状部材２３は、ここでは耐熱繊維としてのガラス繊維の内面にフッ素系の樹脂シートの裏面をライニングした複合材である。このシート状部材２３は、上蓋１０及び電解反応室４の３辺に対応するコ字形に形成されており、その一方の側縁部がセル枠１５のフランジ部１６に止め具２４により気密に接合固定されている。また、他方の側縁部は枠部１９の上縁部に止め具２５により気密に接合固定されている。これにより、シート状部材２３は、セル枠１５と枠部１９との間に若干弛んだ状態で張設されて、この間をシールしている。そして、プラスト２２の上に、タール系シール部材に代えて塩とフラックスの混合物２６を堆積することにより、シート状部材２３の内面側に断熱層を形成している。
【００２９】
本実施形態では、セル枠１５と枠部１９との間を上蓋１０及び電解反応室４の３辺でシールしているが、４辺でシールしてもよい。本実施形態で残る１辺のシールを省略したのは、電解槽の構造上、特に膨脹が激しい部分のみをシールし、膨脹の少ない部分のシールを省略しても本発明の効果がある程度得られるためであるが、より優れた効果を得るために４辺全てをシールするのが望ましいことは言うまでもない。
【００３０】
次に、上蓋１０を貫通する複数の陽極６と上蓋１０との各間をシールする角枠状の第２シール部１４の構造について図３に基づいて説明する。
【００３１】
上蓋１０を貫通して電解反応室４に挿入された陽極６は、その上端部に接続されたブスバー２７により電源と接続されている。ブスバー２７は陽極６を冷却するクーラーを兼ねている。陽極６と上蓋１０との間は、陽極６を包囲被覆するスカート状のシート状部材２８によりシールされている。シート状部材２８は、耐熱繊維としてのガラス繊維の内面にフッ素系の樹脂シートをライニングした複合材であり、上端部が陽極６の露出部分にバンド状の止め具２９により気密に接合固定されている。シート状部材２８の下端部は、陽極６を包囲するようにして上蓋１０の上面に取付けられた角枠状の止め具３０により、上蓋１０の上面に気密に接合固定されている。これにより、シート状部材２８は、陽極６を取り囲むようにして陽極６と上蓋１０との間に形成された隙間をシールしている。
【００３２】
上蓋１０の上には、シート状部材２８の内側に位置して、塩とフラックスの混合物が堆積されている。これにより、シート状部材２８の内面側にも、シート状部材２３の場合と同様に断熱層が形成されている。
【００３３】
このような第１シール部１３及び第２シール部１４を有する本実施形態の電解槽では、電解反応室４が外部に対して次のようにシールされる。
【００３４】
電解反応室４を覆う上蓋１０と槽本体１２との間が、セル枠１５と枠部１９との間に若干弛んだ状態で張設されたシート状部材２３により、上蓋１０及び電解反応室４の３辺でシールされている。これにより、電解反応室４内が減圧されるにもかかわらず、上蓋１０と槽本体１２との間を通した外気侵入が防止される。操業を続けるうちに上蓋１０が持ち上がったたりセル枠１５が外側へ湾曲変形したりするが、シート状部材２３は折曲自在な上に弛んだ状態で張設されているため、これらの変形・変位に追従できる。このため、変形・変位によるシール性の低下が生じず、この点からのメンテナンスが不要になる。
【００３５】
また、この追従性により、シート状部材２３は築炉誤差に追従でき、取付けが容易であると共に、電解反応室４で塩素発生速度が急増したときにも、バッファとして機能して塩素ガスの漏出を可及的に防止できる。
【００３６】
シート状部材２３を構成するフッ素系樹脂シートは耐熱樹脂とはいえ、耐熱温度が２００℃程度であるため、単独での耐熱性は完全とは言えない。しかるに、本実施形態では、シート状部材２３の内面側には、塩とフラックスの混合物２６により形成された断熱層が設けられている。このため、耐熱性の不足による劣化は生じない。加えて、フッ素系樹脂シートは、それ自体では機械的強度が十分とはいえず、破れなどの危険があるが、本実施形態では表面側が耐熱繊維（ガラス繊維）で補強されている。このため、破れなどの危険はなく、この点からもメンテナンス頻度が低下する。
【００３７】
陽極６と上蓋１０との間についても、同様に十分なフレキシビリティをもつスカート状のシート状部材２８により、確実にシールされている。
【００３８】
かくして、本実施形態の電解槽では、電解反応室４の対外シール性に優れ、外気侵入による電力原単位（ＣＥ）の低下を回避できる。また、そのシール部１３，１４で電解反応室４内の圧力変動を吸収でき、内圧が上昇したときの塩素ガスの漏れについてもこれを防止できる。更に、シール部１３，１４の経済性及び耐久性に優れ、メンテナンス作業も容易である。
【００３９】
上蓋１０と槽本体１２との間、及び陽極６と上蓋１０との間をピッチ系シール部材でシールしていた場合、３ヵ月に一度の補修を余儀なくされていたが、それぞれのシール部にシート状部材２３，２８を使用することにより、電解槽ライフである２年間、シール性の低下は見られず、交換不要となり、メンテナンスさえも不要となった。これにより、電解槽ライフの全期間を通して電解反応室への外気侵入が防止され、電力原単位は、空気中の湿度が低い１０〜３月期の７７．０〜７７．５％に対し、空気中の湿度が増加する４〜９月期は１．５〜２．０％の低下を見ていたものが、通年で差のないもの（７７．０〜７７．５％）になった。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の電解槽は、塩素ガスの発生を伴う電解反応を行う電解反応室と外部との気密を保持するシール部を、シート状部材により構成することにより、電解反応室の対外シール性に優れ、外気侵入による電力原単位の低下を回避できる。また、そのシール部で電解反応室内の圧力変動を吸収でき、塩素ガスの漏出をより確実に防止できる。更に、シール部の経済性及び耐久性に優れ、メンテナンス作業も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す電解槽の平面図である。
【図２】同電解槽における第１のシール部の構造を示す縦断面図である。
【図３】第２のシール部の構造を示す斜視図である。
【図４】Ｍｇ製造用電解槽の構造を示す縦断側面図である。
【符号の説明】
１  電解槽
４  電解反応室
５  Ｍｇ回収室
６  陽極
７  陰極
１０，１１  上蓋
１２  槽本体
１３  第１シール部
１４  第２シール部
１５  セル枠
１６  フランジ部
１７  溝
１８  鉄皮部
１９  枠部
２０  耐熱層
２１  固定材
２３，２８  シート状部材
１４，２５，２９，３０  止め具
２６  塩とフラックスの混合物（断熱層）
２７  ブスバー
３１  耐火レンガ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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