氯化氫石墨合成爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

宋旭東，羅莎，任素萍

(內(nèi)蒙古鄂爾多斯電力冶金集團(tuán)股份有限公司氯堿化工分公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016064)

內(nèi)蒙古鄂爾多斯集團(tuán)電力冶金股份有限公司氯堿化工分公司(以下簡(jiǎn)稱“氯堿化工公司”)2012年建成投產(chǎn)，燒堿生產(chǎn)能力為30萬(wàn)t/a，PVC生產(chǎn)能力40萬(wàn)t/a。配套的氯化氫合成裝置采用了南通某公司二合一石墨合成爐及配套吸收制酸裝置。該工藝采用的合成爐為分體式石墨爐，共7臺(tái)，開6備1。燃燒段采用純水作為冷卻介質(zhì)，副產(chǎn)0.4 MPa蒸汽。冷卻段采用列管換熱器串聯(lián)分體式冷卻器，以循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，由冷卻器底部進(jìn)入，從冷卻水槽頂部溢流無(wú)壓回水。該分體式石墨合成爐主要特點(diǎn)是：檢修方便，可分別針對(duì)爐體、冷卻列管和冷卻器進(jìn)行檢修維護(hù)；但占地面積較大，須增加土建投資。另外因?yàn)槔鋮s水槽為無(wú)壓回水，因此須增加一套循環(huán)回水收集系統(tǒng)，對(duì)循環(huán)回水加壓后并入管網(wǎng)。

1 氯化氫合成裝置工藝流程

1.1 氯化氫合成工藝流程

來(lái)自氯氫處理工序的原料氫氣、氯氣(及液化尾氣)分別進(jìn)入氫氣、氯氣緩沖罐，經(jīng)過(guò)氫氣、氯氣總管分配后分別進(jìn)入7臺(tái)二合一石墨合成爐。氯氣、氫氣在合成爐燈頭按1∶(1.05～1.10)的比例混合燃燒，生成的氯化氫由合成爐上部送出，經(jīng)浸沒(méi)在氯化氫冷卻水槽中的石墨列管進(jìn)入石墨冷卻器冷卻后，純度達(dá)到94%～96%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，溫度降低到≤35 ℃。一部分進(jìn)入氯化氫總管1，經(jīng)成品氯化氫冷卻器后，按需求量送往VCM工序。一部分進(jìn)入氯化氫總管2，分別進(jìn)入2套吸收裝置制備自用高純鹽酸。總管1和總管2之間設(shè)有連通調(diào)節(jié)閥，正常送氣條件下通過(guò)此閥分流少量氯化氫氣體制高純鹽酸。若后系統(tǒng)生產(chǎn)異常需要大量切回制酸時(shí)，送往總管1的氯化氫通過(guò)單臺(tái)爐出口調(diào)節(jié)閥進(jìn)入氯化氫總管3分別導(dǎo)流進(jìn)入2套事故吸收裝置制酸。

1.2 高純鹽酸工藝流程

用于制酸的氯化氫氣體經(jīng)由氯化氫總管1上的調(diào)節(jié)閥進(jìn)入氯化氫總管2，或由單臺(tái)爐直接進(jìn)入總管2，再由總管2進(jìn)入高純鹽酸吸收系統(tǒng)一級(jí)降膜吸收器的上部，與來(lái)自二級(jí)降膜吸收器的稀酸從管內(nèi)自上而下進(jìn)行并流吸收生成成品鹽酸；成品鹽酸從一級(jí)降膜吸收器的底部流入鹽酸液封罐，然后流入鹽酸中間槽。未被吸收的氯化氫氣體經(jīng)返氣管由二級(jí)降膜吸收器的上部進(jìn)入，與來(lái)自尾氣吸收塔的稀酸從管內(nèi)自上而下進(jìn)行并流吸收生成稀鹽酸，稀鹽酸從二級(jí)降膜吸收器的底部流出經(jīng)U形彎液封后進(jìn)入一級(jí)降膜吸收器上部。未被吸收的氯化氫氣體經(jīng)返氣管由尾氣吸收塔的底部進(jìn)入，與循環(huán)液槽(吸收水罐)來(lái)的酸性水在塔內(nèi)自下而上進(jìn)行逆流吸收，廢氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)排入大氣。生成的稀鹽酸從尾氣吸收塔的底部流出，經(jīng)U形彎液封后進(jìn)入二級(jí)降膜吸收器上部。鹽酸生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1鹽酸生產(chǎn)工藝流程示意圖

Fig.1Processflowdiagramofhydrochloricacidproduction

2 生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決措施

2.1 燈頭優(yōu)化

合成爐投入使用后，系統(tǒng)基本滿足生產(chǎn)要求，但是時(shí)常出現(xiàn)游離氯超標(biāo)的問(wèn)題。分析認(rèn)為主要是由燈頭的質(zhì)量狀況及結(jié)構(gòu)影響的。

合成爐燈頭是氯氣、氫氣在合成爐內(nèi)燃燒過(guò)程中重要的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)決定了進(jìn)入爐內(nèi)的氣體是否能夠混合均勻完全參與合成反應(yīng)。燈頭破損、堵塞，或是燈頭結(jié)構(gòu)不合理，都會(huì)導(dǎo)致合成爐火焰不穩(wěn)定、頻繁抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成游離氯超標(biāo)引發(fā)事故。目前行業(yè)上采用的燈頭結(jié)構(gòu)主要分為兩種：一種是2層燈管的橫噴式結(jié)構(gòu)，一種是3層燈管的直噴式結(jié)構(gòu)。

氯堿化工公司原采用的燈頭是石英玻璃材質(zhì)的3層燈管，燈頭中心燈管為氫氣，中間層燈管為氯氣，最外層燈管為氫氣(如圖2所示)。

圖23層燈頭照片

Fig.2Photoofathree-layerburner

這種燈頭在安裝過(guò)程中必須保證燈管與燈座之間密封可靠，由于燈座材質(zhì)為鋼襯聚四氟乙烯，燈頭材質(zhì)為石英玻璃，安裝過(guò)程中極易受外力而損壞燈管。氯堿化工公司在廠家的指導(dǎo)下使用軟的膨化聚四氟乙烯帶作為密封填料。將膨化聚四氟乙烯帶撕成細(xì)條，塞入燈管與燈頭底座之間的縫隙，用扁平的竹篾搗實(shí)。在搗實(shí)的過(guò)程中，不斷地測(cè)量燈管與燈管(3層燈管)的間距，保持4個(gè)方向的間距一致，確保燈管垂直安裝。這種形式的燈頭利用3層套管的長(zhǎng)度不同，進(jìn)行錯(cuò)落安裝，內(nèi)層套管最低，中間層套管比內(nèi)層高3 cm，最外層比中間層高10 cm。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：混合區(qū)較長(zhǎng)，可以較充分地混合進(jìn)爐的原料氣體。缺點(diǎn)是：采用直噴式進(jìn)料方式，當(dāng)運(yùn)行負(fù)荷低時(shí)，進(jìn)料量較小、氣體流速低，氫氣、氯氣不能充分混合，易出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)生游離氯。

鑒于此，氯堿化工公司對(duì)燈頭進(jìn)行了改造，將3層燈管的直噴式進(jìn)料方式改為2層燈管的橫噴式進(jìn)料。2層燈頭中間層為氯氣，外層為氫氣。中間層采用直筒式燈管，頂部設(shè)計(jì)為球形頂蓋，頂蓋均勻分布有64個(gè)Φ20的圓孔(如圖3所示)。優(yōu)點(diǎn)在于：不論合成爐負(fù)荷大或是小，氫氣流向上直噴，氯氣流多方向橫噴射入氫氣流中，氫氣與氯氣相互交錯(cuò)碰撞，能夠充分混合，完全參與燃燒反應(yīng)。

圖3 2層燈頭照片

2017年9月檢修期間，氯堿化工公司對(duì)1臺(tái)合成爐進(jìn)行改造試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)半年的試驗(yàn)運(yùn)行(試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示)，改造后的燈頭能夠完全滿足各種負(fù)荷下的生產(chǎn)需要，進(jìn)爐氣量大小及氯化氫純度均不受影響。2018年4月，對(duì)其余6臺(tái)爐進(jìn)行全面改造。

2.2 事故吸收系統(tǒng)優(yōu)化

氯堿化工公司7臺(tái)合成爐的HCl生產(chǎn)能力為130 t/d,配置7套高純鹽酸吸收裝置。其中2臺(tái)小吸收裝置作為正常生產(chǎn)時(shí)制備自用高純鹽酸，每套吸收HCl能力為1 500 m3/h。5臺(tái)大吸收裝置作為異常情況時(shí)備用,每套吸收HCl能力為3 500 m3/h。

表1 更換燈頭后合成爐不同負(fù)荷下的運(yùn)行數(shù)據(jù)

原設(shè)計(jì)中單臺(tái)爐氯化氫氣體進(jìn)入事故吸收總管3用手動(dòng)蝶閥控制操作，總管3分別進(jìn)入5套吸收系統(tǒng)也是用手動(dòng)蝶閥控制操作。當(dāng)后系統(tǒng)VCM工序或乙炔工序生產(chǎn)發(fā)生異常時(shí)，對(duì)氯化氫系統(tǒng)的沖擊一般具有突然、量大、量不確定等特點(diǎn)，這就需要吸收系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)快速、大量吸收氯化氫。倘若不能快速、大量、平穩(wěn)、可靠地將氯化氫氣體切回制酸，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)必將產(chǎn)生大幅波動(dòng)，往往由于波動(dòng)過(guò)大無(wú)法迅速回穩(wěn)，造成系統(tǒng)被動(dòng)。系統(tǒng)優(yōu)化前出現(xiàn)類似生產(chǎn)波動(dòng)時(shí)，操作人員往往無(wú)法及時(shí)打開多臺(tái)手動(dòng)閥門，導(dǎo)致系統(tǒng)大幅波動(dòng)，或者即使打開了閥門，由于量的不可控性，系統(tǒng)仍然大幅波動(dòng)，發(fā)生停車事故概率極高。鑒于此，氯堿化工公司在2017年大修時(shí)對(duì)事故吸收系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，在原有的手動(dòng)蝶閥3、4后面增加了自動(dòng)調(diào)節(jié)閥③、④(如圖4所示)，正常時(shí)保持手動(dòng)蝶閥全開、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài)。 一旦發(fā)生緊急情況，DCS主控人員觀察爐壓及總管1的壓力變化，逐臺(tái)打開閥③、關(guān)閉閥1，根據(jù)切回制酸氯化氫流量確定打開一套或多套事故吸收系統(tǒng)的閥④，并對(duì)應(yīng)加入吸收水即可完成操作。改造后，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生緊急切酸的狀況時(shí)，操作人員的應(yīng)急處理操作時(shí)間大大縮短，可操作性、可控性顯著提高，在處理過(guò)程中主控人員可以隨時(shí)觀察各種數(shù)據(jù)變化，及時(shí)作出調(diào)整，系統(tǒng)平穩(wěn)性得到大幅提高，再未因此發(fā)生停車事故。

2.3 石墨塊重新浸漬

合成爐石墨塊正常情況下一般能使用五六年。由于爐體長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，合成爐石墨塊內(nèi)浸漬的樹脂會(huì)逐漸損失，樹脂的損失會(huì)降低浸漬石墨的密度和耐熱性，并降低抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，進(jìn)而影響石墨塊使用壽命。2018年4月，氯堿化工公司開始對(duì)合成爐逐臺(tái)進(jìn)行全面解體，清洗維護(hù)并對(duì)石墨塊重新浸漬樹脂。拆下的石墨塊運(yùn)回原廠進(jìn)行浸漬樹脂，其過(guò)程主要包括：①對(duì)舊石墨塊進(jìn)行打壓檢測(cè)，確認(rèn)塊孔間無(wú)穿孔泄漏；②采用高壓水槍對(duì)石墨表面及換熱孔內(nèi)的雜質(zhì)及水垢進(jìn)行沖洗；③使用化學(xué)清洗劑浸泡洗滌石墨塊內(nèi)、外壁的酸性、堿性結(jié)垢物；④對(duì)石墨塊有破損或裂痕的地方進(jìn)行修補(bǔ)；⑤石墨塊逐個(gè)放入浸漬釜內(nèi)，加入樹脂后抽真空進(jìn)行浸漬，浸漬過(guò)程中使用導(dǎo)熱油對(duì)釜體加熱，高溫浸漬48 h；⑥對(duì)出釜的石墨塊進(jìn)行表面樹脂瘤處理，檢查樹脂浸透后放入烘干釜加熱到正常使用工況溫度，進(jìn)行烘烤；⑦組裝打壓合格后送回現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 氯化氫氣體工藝流程示意圖

2.4 合成爐備用方式優(yōu)化

氯堿化工公司共有7臺(tái)合成爐，正常情況下開6備1。由于氯堿化工公司地處內(nèi)蒙古西部地區(qū)，冬季極端氣溫可降到-26 ℃，備用合成爐的管線及夾套水極易結(jié)凍。一旦生產(chǎn)中某臺(tái)合成爐出現(xiàn)問(wèn)題，備用爐無(wú)法及時(shí)投入使用，往往造成電解降量運(yùn)行，給安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。氯堿化工公司根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況對(duì)合成爐備用方式進(jìn)行了優(yōu)化，將備用合成爐點(diǎn)火，7臺(tái)合成爐同時(shí)運(yùn)行。這樣做的優(yōu)點(diǎn)：①可以均攤生產(chǎn)運(yùn)行負(fù)荷，7臺(tái)爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)負(fù)荷可降低到6臺(tái)爐滿負(fù)荷時(shí)的85%左右，低負(fù)荷運(yùn)行有利于延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；②一旦某臺(tái)爐出現(xiàn)問(wèn)題，則可及時(shí)停車進(jìn)行維護(hù)，其他6臺(tái)爐提量運(yùn)行，避免降量帶來(lái)產(chǎn)量損失和安全風(fēng)險(xiǎn)；③解決冬季備用爐的夾套水防凍問(wèn)題。

2.5 觀察火焰視鏡沖洗裝置

觀察合成爐運(yùn)行過(guò)程中火焰顏色，是一種有效、快捷地判斷氯化氫純度的方式。但是合成爐運(yùn)行一段時(shí)間后，火焰觀察視鏡上的附著物增多，火焰觀察不清，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。氯堿化工公司利用停爐檢修的機(jī)會(huì)，分析了視鏡上的固體附著物，附著物的主要成分為氯化鈉、氫氧化鈉等。分析認(rèn)為，這是由原料氣中帶入的微量堿霧和鹽霧形成的。如果從源頭解決此問(wèn)題，須增加一套氣體除霧凈化裝置，但投資費(fèi)用過(guò)高。調(diào)研了解，陜西某公司在視鏡內(nèi)加裝了一套水沖洗裝置，定期對(duì)視鏡內(nèi)壁進(jìn)行沖洗，使用效果良好。氯堿化工公司隨即組織人員進(jìn)行實(shí)地走訪，參照尺寸制作了一個(gè)聚四氟乙烯的套環(huán)，安裝在合成爐石墨口與視鏡之間，在套環(huán)上加裝進(jìn)水閥，使用時(shí)連接水管對(duì)內(nèi)壁視鏡進(jìn)行沖洗[1]。安裝視鏡沖洗裝置后，改善了火焰觀察條件，極大地提高了合成爐運(yùn)行安全系數(shù)，并且避免了頻繁停爐進(jìn)行視鏡清洗帶來(lái)的操作風(fēng)險(xiǎn)和產(chǎn)量損失。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)與同行交流，并進(jìn)行學(xué)習(xí)，氯堿化工公司對(duì)合成爐及配套的鹽酸裝置進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化。優(yōu)化后，整套裝置運(yùn)行良好，安全系數(shù)得到了提高。