40萬t/a離子膜燒堿鹽酸合成技術(shù)優(yōu)化

魏占鴻，魏羚宇

（金川集團(tuán)化工新材料有限責(zé)任公司，甘肅 金昌 737100）

金川集團(tuán)化工新材料有限責(zé)任公司（以下簡稱公司）40萬t/a離子膜燒堿12臺(tái)鹽酸合成爐，采用循環(huán)水對(duì)氯化氫冷卻。由于新水中鈣鎂等雜質(zhì)多，造成氯化氫冷卻器經(jīng)常堵塞，吸效率低，還存在合成爐爆炸隱患。鹽酸合成運(yùn)行中火焰監(jiān)控系統(tǒng)不完善，水流泵抽空不易操控，易造成鹽酸儲(chǔ)槽變形、易燃易爆氣體富集和爆炸。正常生產(chǎn)中單臺(tái)合成爐開停車，抽空時(shí)空氣易進(jìn)入爐內(nèi)，影響安全運(yùn)行。

該公司研究應(yīng)用了合成爐火焰監(jiān)控聯(lián)鎖、“兩級(jí)塔串聯(lián)+尾氣塔”吸收工藝、單爐開停車抽空、置換及吹掃、合成爐高效冷卻防堵等技術(shù)，提高了鹽酸合成的冷卻、吸收率和本質(zhì)安全化水平，增加了鹽酸產(chǎn)量，延長了設(shè)備壽命，降低了檢維修費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了合成爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

鹽酸合成采用二合一石墨合成爐，圓塊孔式降膜吸收器由上下封頭、分配頭、吸收石墨塊及冷卻夾套組成。尾氣吸收塔由石墨筒體和石墨填料環(huán)組成。通過分析工藝問題后，從4個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)。鹽酸合成工藝流程圖見圖1。

1.1 火焰監(jiān)控聯(lián)鎖技術(shù)

鹽酸合成是液氯、PVC生產(chǎn)企業(yè)以及液氯用戶的平衡器，起著消化尾氣、平衡液氯庫存的作用，工藝要求設(shè)備安全本質(zhì)化。

1.1.1 現(xiàn)狀及問題

圖1 鹽酸合成工藝流程圖

鹽酸合成爐大多通過觀察火焰，調(diào)節(jié)手動(dòng)閥來控制氯、氫氣流量配比，自動(dòng)化水平較低。如火焰突然熄滅，手動(dòng)緊急關(guān)閉氯氫給料閥并打開氮?dú)獯祾唛y；手動(dòng)調(diào)節(jié)氯氫配比不易控制鹽酸質(zhì)量，停爐后打開氮?dú)獯祾弑容^滯后，存在安全隱患；生產(chǎn)時(shí)氯氫氣配比失調(diào)，均可能會(huì)發(fā)生事故；氫氣過量使尾氣含氫易爆炸；氯氣過量使尾氣過氯，污染環(huán)境，造成人員傷害；特別是火焰熄滅后，如不及時(shí)處理，可能會(huì)造成氯氫氣、氯化氫混合爆炸。

1.1.2 火焰監(jiān)控聯(lián)鎖技術(shù)

根據(jù)鹽酸合成易出現(xiàn)的問題，如氯氣、氫氣安全閥突然關(guān)閉、氮?dú)庵脫Q閥突然打開、吸收水及循環(huán)水流量突然下降等，現(xiàn)場人員若不能及時(shí)處理，將會(huì)造成合成爐滅火爆炸，因此，該公司對(duì)火焰監(jiān)測進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）將原直接觀察火焰改為潛望鏡式。在爐體視鏡上安裝觀測點(diǎn)，通過潛望鏡降低觀測高度，操作室直接觀察，避免給操作人員帶來傷害。在爐體視鏡外加裝了火焰檢測器，當(dāng)系統(tǒng)大幅波動(dòng)或流量檢測失效、火焰異常時(shí)，急停合成爐。還設(shè)置了合成爐火焰熄滅聯(lián)鎖，火焰異常聲光報(bào)警，保證合成爐的安全運(yùn)行。

（2）增加雙向火焰監(jiān)測聯(lián)鎖系統(tǒng)。將原單向火焰監(jiān)測改為雙向火焰監(jiān)測系統(tǒng)，在原火焰監(jiān)測系統(tǒng)增加一個(gè)與之垂直的監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)雙向監(jiān)測，當(dāng)兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的火焰同時(shí)觀測不到火焰時(shí)，合成爐聯(lián)鎖緊急停爐。

（3）增加火焰視頻監(jiān)測系統(tǒng)。將火焰監(jiān)測影像引入DCS監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可隨時(shí)觀察合成爐火焰顏色及變化，結(jié)合雙向火焰監(jiān)測聯(lián)鎖，準(zhǔn)確判斷合成爐的運(yùn)行情況，提升合成爐的安全性能。

合成爐火焰監(jiān)控聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場操作與DCS系統(tǒng)的有效結(jié)合，保證了異常情況下合成爐安全自動(dòng)停爐，提升了自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1.2 “兩級(jí)串聯(lián)吸收+尾氣吸收”工藝

1.2.1 氯化氫吸收現(xiàn)狀

（1）吸收原理

鹽酸合成采用二合一石墨爐與降膜吸收塔相匹配的工藝，氯化氫進(jìn)口濃度10 000 mg/m3，出口濃度15 mg/m3，吸收率99%。由于使用石墨材質(zhì)，受熱不均勻時(shí)易出現(xiàn)設(shè)備脹裂現(xiàn)象。氯化氫吸收系統(tǒng)工藝圖見圖2。

降膜吸收塔固定管板以上為氣體與吸收劑傳質(zhì)的場所，由浸漬石墨封頭、穩(wěn)定環(huán)和吸收劑分配器組成，固定管板以下為吸收、冷卻及氣液分離部分。

降膜吸收是傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)的過程，從反應(yīng)器頂部的下降液膜吸收氯化氫，這是氯化氫從氣液界面進(jìn)入液膜的過程；氯化氫吸收是放熱過程，吸收熱需要被冷卻水帶走。如降膜吸收器內(nèi)液體分布不連續(xù)、不均勻就會(huì)出現(xiàn)干壁現(xiàn)象，降低傳熱傳質(zhì)效率。降膜吸收塔換熱原理圖見圖3。

圖2 氯化氫吸收系統(tǒng)工藝圖

圖3 降膜吸收塔換熱原理圖

（2）吸收存在的問題

鹽酸合成吸收系統(tǒng)存在以下問題：由于純水流量波動(dòng)、壓力不穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致酸濃度不穩(wěn)定；合成反應(yīng)氫氣過量，以調(diào)整氯氣流量為主調(diào)整酸濃度，吸收易出現(xiàn)吸收水量過小，不能充分吸收，氯化氫外溢造成污染等情況；爐壓過高，鹽酸濃度不達(dá)標(biāo)，存在事故隱患。

1.2.2 “兩級(jí)串聯(lián)吸收+尾氣吸收”工藝

“兩級(jí)串聯(lián)吸收+尾氣吸收”工藝見圖4。

鹽酸濃度通過調(diào)節(jié)吸收水量、氯氣和氫氣流量來控制，吸收水量的大小影響爐壓與鹽酸濃度。為了提高鹽酸濃度，保證安全生產(chǎn)，從以下幾方面進(jìn)行改造。

（1）在兩級(jí)降膜吸收塔后，安裝與爐壓聯(lián)鎖控制的吸收水裝置，通過監(jiān)測爐壓調(diào)節(jié)吸收水量。在循環(huán)泵與尾氣塔之間設(shè)計(jì)安裝1臺(tái)自動(dòng)閥，以便控制吸收水流量，并與爐壓信號(hào)聯(lián)鎖，將爐壓信號(hào)反饋給吸收水調(diào)節(jié)閥，適時(shí)控制吸收水量來穩(wěn)定爐壓及鹽酸濃度。

圖4 “兩級(jí)塔串聯(lián)+尾氣塔”吸收工藝圖

（2）配置填料尾氣塔，保證尾氣達(dá)標(biāo)，采用吸收水分段循環(huán)、多塔串聯(lián)提高了傳質(zhì)效果，降低塔高及塔徑。

1.2.3 應(yīng)用效果

實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的長期過程，不可能一蹴而就、一勞永逸。我們要深入貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，努力踐行可持續(xù)發(fā)展治水思路，以高度負(fù)責(zé)的態(tài)度、開拓創(chuàng)新的精神和求真務(wù)實(shí)的作風(fēng)，團(tuán)結(jié)拼搏、積極進(jìn)取，奮發(fā)努力、扎實(shí)工作，全面推進(jìn)水利改革創(chuàng)新，著力加快水利現(xiàn)代化建設(shè)，在新的起點(diǎn)上譜寫江蘇水利事業(yè)發(fā)展新篇章。

“兩級(jí)塔串聯(lián)+尾氣塔”吸收工藝的應(yīng)用，提高了吸收率，穩(wěn)定了爐壓及鹽酸濃度，避免了爐壓異常發(fā)生安全事故，提升了鹽酸吸收工藝自控水平。

1.3 單爐開停車抽空及吹掃技術(shù)

1.3.1 單爐開停車抽空問題

（1）單爐開停車抽空吹掃工藝。氯化氫經(jīng)二級(jí)降膜吸收，一級(jí)尾氣吸收，尾氣經(jīng)水流噴射器吸收微量HCl后，不凝氣經(jīng)循環(huán)液槽頂部阻火器放空。

（2）水流泵問題及原因分析：尾氣吸收塔至水流噴射泵氣相管道振動(dòng)大、溫度高；水流噴射泵抽酸，循環(huán)液含酸高；水流噴射管道容易凍結(jié)、堵塞，吸收系統(tǒng)正壓。

（3）原合成工藝未設(shè)置氮?dú)獯祾撸t后通過水流噴射泵對(duì)爐內(nèi)氯化氫、氫氣、氯氣抽空置換，因氯氣、氫氣均通過手動(dòng)閥門操作，在異常情況下易造成合成爐爆炸。

1.3.2 單爐抽空及吹掃技術(shù)

（2）單爐開停車氮?dú)獯祾呒夹g(shù)。在氯氫入口管道上加裝氮?dú)庾詣?dòng)吹掃裝置，將循環(huán)水壓、爐壓等與氮?dú)獯祾哐b置聯(lián)鎖，當(dāng)工藝指標(biāo)超標(biāo)，需要緊急停爐時(shí)，氮?dú)庾詣?dòng)吹掃，防止合成爐氯含氫超標(biāo)爆炸。

圖5 風(fēng)機(jī)抽空工藝流程圖

1.3.3 應(yīng)用效果

合成爐點(diǎn)爐前抽負(fù)壓30 min，確保爐內(nèi)負(fù)壓，正常生產(chǎn)后即可停風(fēng)機(jī)，提升了合成爐本質(zhì)安全化性能。

1.4 合成爐高效防堵冷卻技術(shù)

1.4.1 循環(huán)水冷卻問題

（1）合成爐爐體設(shè)置冷卻水套，冷卻水下進(jìn)上出，生產(chǎn)時(shí)石墨爐體完全浸泡在水中。

（2）循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：水量應(yīng)根據(jù)最大小時(shí)用量確定，溫度應(yīng)根據(jù)工藝要求并結(jié)合氣象條件確定；冷卻水側(cè)管壁的污垢熱阻值和腐蝕率應(yīng)按工藝確定。循環(huán)冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)表見表1。

表1 循環(huán)冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)表

（3）循環(huán)水水質(zhì)指標(biāo)（見表2）

由表2看出，循環(huán)水中鈣離子及懸浮物超標(biāo)，這些雜質(zhì)在高溫環(huán)境中易結(jié)垢，堵塞爐體水道，降低換熱效率。

1.4.2 高效防堵冷卻技術(shù)

該公司地處西北，風(fēng)沙大，循環(huán)水水質(zhì)不好，含鈣高，大量泥沙沉積在爐體夾套和氯化氫冷卻器中（尤其是底部兩節(jié)），爐壁冷卻水流道孔易堵死，影響水流動(dòng)及換熱，形成干燒，造成爐壁裂紋，石墨塊脫落，爐體漏水等。

（1）高效防腐防堵冷卻技術(shù)

對(duì)3臺(tái)合成爐的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造：

a.增加獨(dú)立冷卻水系統(tǒng)，分別進(jìn)入合成爐燃燒段夾層和氯化氫冷卻器，冷卻水由循環(huán)水改為純水，增加純水管線。設(shè)62.8 m3純水中間槽，2臺(tái)揚(yáng)程41 m，流量302.4 m3/h純水泵，純水經(jīng)換熱器與循環(huán)水進(jìn)行換熱，將純水冷卻至20℃。通過2根DN200管道分別進(jìn)入合成爐燃燒段夾層和氯化氫冷卻器，冷卻后純水回到中間槽循環(huán)利用。純水冷卻系統(tǒng)工藝流程圖見圖6。

圖6 純水冷卻系統(tǒng)工藝流程圖

b.純水經(jīng)換熱器與循環(huán)水換熱，在原設(shè)計(jì)中循環(huán)水主管道加裝換熱器，原設(shè)計(jì)循環(huán)水進(jìn)合成爐管道改為純水管道。

c.改造合成爐夾套和氯化氫冷卻器，按3臺(tái)合成爐滿負(fù)荷計(jì)算，所需純水量為 70×3×1.2=252（m3/h），純水的流速按u=2（m/s）計(jì)算，所需純水管道為D=SQRT（（4×252/3.14/3600/2））×1 000=211，管徑選取DN250，機(jī)泵額定流量 252×1.2=302.4（m3/h）≈300（m3/h），揚(yáng)程41m（h＝D+S+hf1+hf2+h3+Pd－Ps=13.9+0+5+8+10+0-0=36.9（m），36.9×1.1=40.59（m）。

表2 2014年1-12月循環(huán)水平均水質(zhì)表

（2）純水與循環(huán)水自動(dòng)切換工藝

設(shè)計(jì)了純水與循環(huán)水的自動(dòng)切換，通過聯(lián)鎖切換實(shí)現(xiàn)合成爐的穩(wěn)定生產(chǎn)，規(guī)避了合成爐爐體干燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

為保證在合成爐冷卻純水壓力低時(shí)，循環(huán)水能及時(shí)介入，保持冷卻水不斷流，在純水-循環(huán)水換熱器的循環(huán)水入口連通一旁路，并加裝A、B兩道自控閥，在換熱器純水入口處C點(diǎn)設(shè)置水壓檢測點(diǎn)，并與自控閥A、B聯(lián)鎖，當(dāng)C點(diǎn)水壓小于設(shè)定壓力時(shí)，自控閥B打開，自控閥A關(guān)閉（正常狀態(tài)為A開啟，B關(guān)閉），循環(huán)水通過旁路進(jìn)入合成爐冷卻水管道，保證合成爐的冷卻水。當(dāng)純水壓力故障排除后，自控閥A開啟、B關(guān)閉，切回到純水冷卻合成爐。此時(shí)純水中間槽混入了一部分循環(huán)水，須置換后方可正常循環(huán)。純水與循環(huán)水自動(dòng)切換聯(lián)鎖圖見圖7。

圖7 純水與循環(huán)水自動(dòng)切換聯(lián)鎖圖

（3）應(yīng)用效果

高效防堵冷卻技術(shù)解決了石墨合成爐冷卻水因含鈣高、泥沙量大，造成爐壁水側(cè)結(jié)垢、夾套內(nèi)冷卻水流道孔被堵死，換熱效率低損壞爐體的問題，純水在純水罐與合成爐冷卻系統(tǒng)無損失循環(huán)，降低了水消耗，降低了停爐次數(shù)，備件及維修費(fèi)用。

2 主要工藝改進(jìn)點(diǎn)

2.1 合成爐火焰監(jiān)控聯(lián)鎖技術(shù)

針對(duì)單向火焰監(jiān)控，火焰偏移時(shí)易造成錯(cuò)誤觸發(fā)滅爐聯(lián)鎖的狀況，應(yīng)用了雙向火焰監(jiān)控聯(lián)鎖技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)垂直監(jiān)測點(diǎn)的火焰同時(shí)熄滅可執(zhí)行滅爐程序，實(shí)現(xiàn)了火焰準(zhǔn)確監(jiān)測；將火焰由視鏡觀察改為潛望鏡后，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 “兩級(jí)吸收+尾氣吸收”技術(shù)

針對(duì)氯化氫吸收率低的情況，應(yīng)用了兩級(jí)串聯(lián)與爐壓聯(lián)鎖的吸收水控制裝置，提高了吸收率。應(yīng)用了石墨填料尾氣吸收塔，保證尾氣達(dá)標(biāo)排放。

2.3 單爐開停車抽空及置換技術(shù)

針對(duì)開啟單臺(tái)合成爐抽空不理想、爐壓波動(dòng)及停車后氮?dú)獯祾卟患皶r(shí)的問題，應(yīng)用了單爐開停車風(fēng)機(jī)抽空及氮?dú)獯祾吖に嚕苊饬它c(diǎn)爐時(shí)抽空不完全造成爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了異常情況下合成爐的緊急停爐和自動(dòng)吹掃。

2.4 合成爐高效防堵冷卻技術(shù)

針對(duì)循環(huán)水造成爐壁水側(cè)結(jié)垢嚴(yán)重的現(xiàn)象，應(yīng)用了純水冷卻降溫工藝，純水與循環(huán)水聯(lián)鎖自動(dòng)切換，提高了冷卻效率，排除了合成爐干燒爆炸的隱患。

3 結(jié)語

公司針對(duì)40萬t/a離子膜燒堿鹽酸合成運(yùn)行中火焰監(jiān)控不完善、吸收效率不佳、單爐開停車抽空不理想、吹掃不及時(shí)、冷卻系統(tǒng)頻繁堵塞等問題進(jìn)行了2年的研究。成功應(yīng)用了合成爐火焰監(jiān)控聯(lián)鎖技術(shù)，防止了滅爐聯(lián)鎖頻繁執(zhí)行，提高了作業(yè)率；“兩級(jí)塔串聯(lián)+尾氣塔”工藝保證了氯化氫吸收率；單爐開停車風(fēng)機(jī)抽空與氮?dú)獯祾呒夹g(shù)，避免了爆炸性氣體的產(chǎn)生，增強(qiáng)了開停車的安全性。優(yōu)化了鹽酸合成工藝技術(shù)，尾氣達(dá)標(biāo)率100%，爐含氫合格率達(dá)98%以上，延長了設(shè)備壽命，保障了合成爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。