緊急事故氯氣凈化系統(tǒng)的工程設計

周文高，周世偉

1.常州大學化工設計研究院，江蘇常州 213016

2.江蘇海鵬防腐設備有限公司，江蘇常州 213175

0 引言

氯是一種化學性質非常活潑的元素，它幾乎能跟一切普通金屬以及許多非金屬直接化合[1]。氯氣是屬于Ⅱ級（高度危害）物質，空氣中含氯超過20PPM就對人身體產(chǎn)生極大危害，對一般金屬材質設備有較大腐蝕性，同時對生態(tài)環(huán)境會造成嚴重的破壞和污染，并產(chǎn)生不良的持續(xù)影響[2]，其影響的大小與氯氣的排放濃度、時間等因素有關，本項目主要需要處理大量的高濃度氯氣，屬于一種危害更大的酸性氣體。

1 事故氯產(chǎn)生的原因

該公司采用電解還原法生產(chǎn)金屬鎂，電解過程中同時生產(chǎn)出氯氣。在穩(wěn)定的運行狀態(tài)下，從電解槽抽出的氣體中約含95%氯氣和5%的空氣，氯氣從電解槽抽出經(jīng)過氯氣過濾機輸送到工廠附近的PVC廠。當PVC工廠出現(xiàn)突然停車無法接收氯氣時，氯氣輸送到緊急事故氯氣凈化系統(tǒng)中處置[3]。緊急事故氯氣凈化系統(tǒng)可滿足凈化電解槽生產(chǎn)能運行1小時產(chǎn)生的氯氣量，且凈化后排放氣體氯氣含量要低于《國家大氣污染物綜合排放標準》所規(guī)定的最高允許排放濃度85mg/m3。

2 處理裝置的工作原理

氯氣通過設置的旁路管道，由風機引入，通過自控壓力控制閥切換進入緊急事故氯氣凈化系統(tǒng)。緊急事故氯氣凈化系統(tǒng)將通過與吸收劑堿液氫氧化鈉（NaOH）發(fā)生化學反應[4]，吸收后廢液主要成分為次氯酸鈉、氯化鈉、少量氫氧化鈉等[5]，吸收后的吸收液儲存在儲罐內。主要是由兩個工藝步驟組成：事故氯氣降溫和氯氣吸收。

2.1 事故氯氣降溫

在事故狀態(tài)下，高濃度高溫氯氣（150℃）需要做充分的降溫處理后，才能滿足酸性廢氣吸收凈化的低溫、微正壓的基本要求。本公司本區(qū)域氯氣降溫裝置包含一臺急冷塔，后并聯(lián)兩套氣—水換熱器連接復擋式旋流板氣液分離器，其中急冷塔配置一臺急冷槽，一套循環(huán)泵。

急冷塔將氯氣溫度由140℃～150℃溫度降至90℃～100℃，將高溫氯氣的顯熱轉變成飽和水蒸氣的汽化潛熱，降低對后面吸收裝備的耐溫要求，對工藝吸收條件提供有利條件。與急冷塔配套的急冷槽接觸的介質為含少量的次氯酸根離子以及氯離子，呈酸性，溫度在85℃以上。

氣-液換熱器使得事故氯氣溫度從90℃～100℃降至40℃左右的罐裝安全溫度[5]，經(jīng)過氣液換熱器降溫的氯氣中含有水蒸氣，需要做氣液分離，以減少后續(xù)消耗氯氣吸收液的有效成分。使用旋流板氣液分離器，將收集的回水溢流至急冷槽內。

鑒于不同工藝步驟中要處理氯氣的溫度不同及含有不同雜質，對相應所用設備材料的耐受溫度和耐腐蝕性的要求也不同，例如旋流板氣液分離器采用玻璃鋼（FRP）襯氯化聚氯乙烯（CPVC）材質，CPVC對氯離子、次氯酸離子有很好的耐腐蝕性，同時耐受溫度也較高。

2.2 氯氣吸收

由于電解鎂工況條件的特殊性，在系統(tǒng)開車階段，非連續(xù)性的電解操作，會使氯氣濃度無法滿足后續(xù)PVC工廠使用要求，對該部分的尾氣需要保持吸收后排放，氯氣吸收裝置需要對該部分尾氣吸收保持匹配性。另外由于事故氯氣的氣量相對于開車階段尾氣量有一定差距，故綜合考慮，氯氣吸收區(qū)分為兩套。

氯氣吸收區(qū)所包含兩套并聯(lián)運行氯氣吸收裝置，每套由三級吸收塔串聯(lián)，依次采用湍沖噴淋塔、湍沖塔、填料塔。湍沖塔吸收高濃度氯氣，但由于次氯酸根在溫度和酸性條件下會重新分解為氯氣，故一級吸收塔在一小時內的總吸收效率設計為70%～80%。填料塔吸收低濃度氯氣，作為最后一級安保塔，去除余下的95%以上的氯氣，確保出口的氣體中氯氣達標，循環(huán)液需要換熱降溫。進入三級吸收塔的事故氯氣濃度、溫度較低，為了達標排放，利用填料散堆結構堿液吸收，確保出口的氯氣濃度≤60mg/m3[6]。同樣三級循環(huán)槽的儲量規(guī)格要滿足吸收條件一小時的吸收量，循環(huán)液無需冷卻降溫。鑒于高濃度的鹽酸和次氯酸根，二、三級吸收塔頂同樣配置粗除霧撲沫裝置，高效除霧器采用纖維除霧器。

三級吸收塔均配置有循環(huán)槽，其中，一級吸收塔對應一個循環(huán)槽，而二三級吸收塔配置兩套并聯(lián)吸收裝置的共用槽。另外每臺吸收塔均對應循環(huán)泵，一二級循環(huán)液管線中均串聯(lián)一臺液-液換熱器，二級吸收循環(huán)槽供應的吸收液為兩套裝置的二級吸收塔使用，在各自循環(huán)液管道中各配置一臺鈦板式換熱器。

自兩套氯氣吸收裝置的尾氣匯集至風管總管后，經(jīng)由基本風壓不低于5000Pa的風機抽送至煙囪排放大氣內。氯氣吸收區(qū)的吸收后液在完成一次事故氯氣處理后，將各級循環(huán)槽內的吸收液送至儲罐內。廢液儲罐設備兩臺玻璃鋼儲罐。

2.3 對次氯酸鈉后處理工藝選擇

如果次氯酸鈉同大氣中的酸性氣體介質接觸的話，會發(fā)生反應（1），生成氯氣對環(huán)境造成二次污染，危害較大。

為防止次氯酸鈉對環(huán)境的污染，同時在綜合利用資源，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構的基礎上。可對于高濃度氯氣使用一定濃度的純堿液吸收，符合工業(yè)上生產(chǎn)次鈉的基礎條件，通過控制反應終點的條件，可以生成達到一定濃度的次鈉產(chǎn)品，通過再補充堿液調節(jié)pH和堿液濃度；如果顆粒物較多，則需要進行沉降過濾后得到最終產(chǎn)品。

2.3.1 生產(chǎn)含合格有效氯的次氯酸鈉產(chǎn)品

該工藝無需添加額外的設備，但需要對溶液體系做詳細的檢測，并控制初始和最終吸收藥劑的濃度來實現(xiàn)目標。該工藝得到最終的產(chǎn)品質量取決于氯氣的濃度和反應條件的控制，從理論上是可達到有效氯含量不低于10%的次鈉產(chǎn)品。

2.3.2 次氯酸鈉廢液催化分解

下述反應式（2），利用金屬氧化物在一定的條件下能催化NaClO分解，分解的過程中不會產(chǎn)生有害氣體Cl2，分解效率高，而且要求的條件比較寬松，工藝簡單，生產(chǎn)成本低，易于滿足工業(yè)化生產(chǎn)。故可選擇催化分解的方法對次氯酸鈉廢液再分解處理。

其中M為銅、鐵等金屬。

建議選擇鎳的氧化物作為催化劑，NaClO的催化分解反應如下：

該反應中Ni2O3，NiO2的氧化電位非常高，是強氧化劑，而且Ni2O3可不斷地恢復再生而重復使用[5]。次氯酸鈉廢液儲存在儲罐內，由排液泵輸送至催化分解塔，通過電磁流量計與泵的變頻器控制其流入速度，NaClO液體與分解塔中的流動床式填料層充分接觸，并發(fā)生分解反應。分解出的氧氣經(jīng)超聲波振動后與液體充分分離，由排氣管送回到氣體吸收塔內，分解后的液體已經(jīng)不含NaClO，可直接由上端排污口直接排入到污水管網(wǎng)。

3 自動化控制部分

本系統(tǒng)為事故氯氣凈化吸收裝置，由于處理介質為高濃度氯氣，對人和環(huán)境危害及其巨大，根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第41號第九條的第三款規(guī)定：涉及危險化工工藝、重點監(jiān)管危險化學品的裝置裝設自動化控制系統(tǒng)，涉及有毒有害其他化學品的場所裝設有毒有害戒指泄露報警的安全設施，且要求部分自動控制電氣設備的反應時間較短。

在往PVC工廠輸送氯氣的管線中安裝壓力變送器，可輸出信號至中控平臺。壓力檢測精度等級在（±0.075%）。壓力在一定范圍內增大超過限制后，報警系統(tǒng)接到信號，并將控制系統(tǒng)轉為自動，關閉輸送至PVC工廠的氣動閥門，同時打開至事故氯氣凈化系統(tǒng)的管路上氣動閥門。在5s～10s的反應時間內，同時啟動風機和各塔的循環(huán)泵。

4 事故氯處理裝置的效果

提出了一套系統(tǒng)方案，用以解決PVC工廠出現(xiàn)突然停車無法接收氯氣的情況，杜絕了氯氣泄漏對環(huán)境造成的污染及人身危險。由于采用較先進自動連鎖控制裝置，在發(fā)生氯氣泄漏時，自動完成噴淋降溫、吸收氯氣的過程。可實現(xiàn)無人操作，確保安全生產(chǎn)。同時，為綜合利用資源，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，使用次氯酸鈉后工藝的處理，生產(chǎn)含合格有效氯的次氯酸鈉產(chǎn)品。事故氯噴淋與吸收裝置符合工藝要求，便于操作管理，解除了事故氯氣泄漏危險，保證了安全生產(chǎn)，達到國家安全生產(chǎn)標準。

[1]呂基旺.化工企業(yè)液氯泄漏事故應急處置方法對策[J].科技風，2011(21)：95.

[2]陳振剛.淺談氯氣泄漏事故的原因、應急處置和預防[J].科學觀察，2009(3)：90-92.

[3]GB 11984-2008，氯氣安全規(guī)程[S].

[4]李毅民，吳曉寧，何姸齡.全自動事故氯處理裝置的應用[J].中國氯堿，2010(2)：34-35.

[5]李玉霞.氯堿生產(chǎn)過程火災爆炸事故預防[J].新疆化工，2010(4)：72-77.

[6]GB16297-1996大氣污染物綜合排放標準[S].

[7]潘峰，吳家瑤.催化氧化法處理印染廢水實驗[J].污染防治技術，1999，12(2)：109-110.