氯化氫合成系統(tǒng)技術(shù)改造

劉偉，李春穎

(唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305)

唐山三友氯堿有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“唐山三友氯堿”)燒堿裝置生產(chǎn)能力50萬(wàn)t/a，與其配套的氯化氫合成工序產(chǎn)能1 600 t/d，均采用江蘇南通某公司生產(chǎn)的氯化氫石墨合成爐，共22臺(tái)。為保證每臺(tái)合成爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，操作人員定期分析氯化氫純度(6次/d)，冬季定期對(duì)合成爐前氫氣管線排水(9次/d)，定時(shí)沖洗合成爐視鏡(3次/周)，日常操作繁瑣，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化水平較低。合成爐長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于各種原因氯氣/氫氣燃燒不充分，出現(xiàn)燈頭頻繁損壞，石墨底座及筒體燒裂等生產(chǎn)事故，合成爐檢修及更換石墨件時(shí)，在氯氣、氫氣、氯化氫危險(xiǎn)氣體的生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，頻繁動(dòng)火，安全風(fēng)險(xiǎn)大。因此，唐山三友氯堿積極優(yōu)化工藝流程，改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，配套完善DCS自控程序，提升合成崗位自動(dòng)化水平，保證合成爐安全穩(wěn)定運(yùn)行與檢修。本文中主要介紹實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精準(zhǔn)分析氯化氫純度、合成爐自動(dòng)沖洗視鏡、降低合成爐檢修時(shí)生產(chǎn)區(qū)域動(dòng)火等各項(xiàng)改造措施及實(shí)施后措施。

1 工藝流程

由氯氣分配臺(tái)送來(lái)的氯氣經(jīng)氯氣緩沖罐后，進(jìn)入合成爐石英燈頭側(cè)面，由氫氣分配臺(tái)送來(lái)的氫氣進(jìn)入合成爐石英燈頭底部和側(cè)面，按照1∶(1.05～1.10)的摩爾比，氯氣與氫氣在合成爐內(nèi)燃燒化合產(chǎn)生氯化氫氣體；反應(yīng)放出的熱量由合成爐夾套內(nèi)的循環(huán)熱水及塊孔換熱器的循環(huán)水移出。合成的氯化氫氣體純度控制在94%～96.5%(體積分?jǐn)?shù))，經(jīng)圓塊孔HCl冷卻器冷卻干燥后，送至氯乙烯車間，或外送至用戶；還有部分氯化氫氣體用于制備高純鹽酸(如圖1所示)。

2 技術(shù)改造

2.1 精準(zhǔn)在線分析氯化氫純度

氯化氫純度關(guān)系到氯乙烯生產(chǎn)的安全，唐山三友氯堿采用激光光譜分析法及人工滴定法測(cè)試氯化氫純度。激光光譜分析測(cè)量法主要依據(jù)不同組分氣體對(duì)紫外線吸收強(qiáng)度差異，對(duì)吸收后光譜采用全光譜分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)連續(xù)光譜的分析得到組分純度[1]。該儀器雖能實(shí)現(xiàn)氯化氫純度的連續(xù)性測(cè)試，但結(jié)果偏差較大，測(cè)量樣品滯后，定期更換光纖和氣室，維護(hù)費(fèi)用高。

圖1 合成工序工藝流程圖

為保證測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)，唐山三友氯堿人工定期(6次/d)采用滴定法分析氯化氫純度。利用氯化氫極易溶于水的性質(zhì)，采用100 mL不均勻集氣瓶收集氯化氫氣體，然后向集氣瓶中加純水，測(cè)試氯化氫純度。每天重復(fù)做樣130次左右，操作繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且長(zhǎng)期接觸氯化氫氣體及鹽酸，有損人身健康。

唐山三友氯堿自主開(kāi)發(fā)了一種新型氯化氫純度自動(dòng)在線檢測(cè)的方法。該檢測(cè)裝置主要由定量容器、計(jì)量泵、壓力傳感器、液位傳感器及若干切換閥等組成(如圖2所示)，氯化氫氣體在定量容器內(nèi)被定量的水吸收，通過(guò)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)壓力變化及計(jì)量泵計(jì)量水量換算氯化氫純度值。該方法可實(shí)現(xiàn)氯化氫氣體純度的自控和遠(yuǎn)程檢測(cè)，操作簡(jiǎn)便，安全系數(shù)高，測(cè)量準(zhǔn)確性高，完全實(shí)現(xiàn)氯化氫純度自動(dòng)化檢測(cè)。

圖2 氯化氫純度測(cè)試工藝流程圖

Fig.2 Process flow diagram of determining hydrogen chloride purity

2.2 合成爐自動(dòng)沖洗視鏡改造

在合成爐石墨筒體上安裝視鏡，便于監(jiān)測(cè)火焰運(yùn)行情況，但合成爐運(yùn)行過(guò)程中，視鏡經(jīng)常出現(xiàn)模糊，表面附著白色粉末(原料氣中雜質(zhì))等。為此，唐山三友氯堿在視鏡和石墨短節(jié)之間增加聚四氟乙烯短節(jié)，利用合成爐夾套熱水接臨時(shí)PFA軟管至聚四氟乙烯短節(jié)處沖洗視鏡，從準(zhǔn)備到完成操作需2 h，過(guò)程繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且沖洗視鏡只能沖到視鏡中心部分，沖洗效果不佳。

為提高設(shè)備自動(dòng)化水平，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，研制了新型視鏡短節(jié)。鋪設(shè)DN15管道將純水引入聚四氟乙烯短節(jié)溝槽內(nèi)，經(jīng)分流器分流至噴嘴，噴嘴呈三角分布，保證純水均勻分布視鏡各個(gè)角度；同時(shí)，該沖洗視鏡過(guò)程由PLC控制柜自動(dòng)控制。改造后，沖洗時(shí)間由2 h縮短至15 min，且沖洗效果較好，視鏡透亮清晰，主控及現(xiàn)場(chǎng)人員能清晰觀察合成爐火焰顏色，及時(shí)發(fā)現(xiàn)合成爐火焰偏黃、偏燒，斷火等異常運(yùn)行狀況，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 降低氫氣管線冷凝液含量

合成爐進(jìn)爐氫氣水含量控制在0.2%左右，管道輸送過(guò)程中易產(chǎn)生氫氣冷凝液；入冬后，這些冷凝液在管道內(nèi)結(jié)冰，造成進(jìn)爐氫氣流量波動(dòng)，影響合成爐配比，致使合成爐聯(lián)鎖滅爐。目前，在氫氣總管及進(jìn)爐氫氣支管均設(shè)置排水導(dǎo)淋，及時(shí)排放管道內(nèi)的氫氣冷凝液。此方法雖然一定程度上降低氫氣管線的冷凝液含量，但人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，氫氣導(dǎo)淋閥反復(fù)開(kāi)關(guān)，安全風(fēng)險(xiǎn)大，特別是氣溫大幅度變化時(shí)，氫氣導(dǎo)淋易出現(xiàn)結(jié)冰，排水困難，合成爐氯氫比值波動(dòng)明顯。

為解決上述問(wèn)題，對(duì)合成爐進(jìn)爐氫氣管線進(jìn)行熱水伴熱保溫，提高氫氣管線溫度。該方法投入使用后，各合成爐進(jìn)爐氫氣支管排水次數(shù)由每天9次減少到1次，且氫氣冷凝液量非常少，有效降低氫氣管線冷凝酸含量的同時(shí)，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。2018年冬季，未發(fā)生因氫氣管線結(jié)冰造成合成爐氯氫比值波動(dòng)的事故。

2.4 合成爐燈頭改造

氯化氫合成爐燈頭為3層式石英燈頭。氯氣由燈頭側(cè)面進(jìn)入燈頭中間層，氫氣有兩個(gè)進(jìn)口，一個(gè)由燈頭底部進(jìn)入燈頭內(nèi)層，另一個(gè)由燈頭側(cè)面進(jìn)入燈頭外層，最終形成“氫包氯包氫”結(jié)構(gòu)。合成爐點(diǎn)爐初期或緊急滅爐時(shí)，由于氫氯混合不均勻，燃燒不充分，火焰偏燒，火焰顏色偏黃、偏紅，造成合成爐燈頭多次破損，甚至發(fā)生石墨人孔底座燒裂等生產(chǎn)異常情況。同時(shí)，氫氣進(jìn)入3層式石英燈頭時(shí)，管道彎頭較多，充氮?dú)鉄o(wú)法將彎頭處空氣置換完全，點(diǎn)爐時(shí)，打開(kāi)氫氣調(diào)節(jié)閥后，氫氣與管道內(nèi)的空氣混合達(dá)到爆炸極限，出現(xiàn)爆鳴聲，管道易發(fā)生回火，造成燈頭破損。

氫氣和氯氣在燈頭內(nèi)充分混合，減少氫氣管道彎頭數(shù)量，能夠有效降低石英燈頭的破損率。為此，采用梅花型兩層式石英燈頭替代三層式燈頭，氯氣由燈頭底部進(jìn)入燈頭內(nèi)層，氫氣由燈頭側(cè)面進(jìn)入燈頭外層，形成“氫包氯”結(jié)構(gòu)。氯氣燈管設(shè)計(jì)為梅花型噴嘴，該結(jié)構(gòu)便于氣流多方向噴射至外層，氫氣燈管仍采用直噴型，氫氣氣流豎直向上噴射，與氯氣氣流相互碰撞，形成“橫噴式”均勻混合[1]。梅花型燈頭只有一個(gè)氫氣側(cè)面進(jìn)口，管道彎頭數(shù)目由5個(gè)減少為3個(gè)，有效減少置換盲區(qū)的數(shù)目。改造完成后，點(diǎn)爐過(guò)程中未出現(xiàn)爆鳴聲，燈頭的更換頻率由15套/a減少到7套/a。

2.5 合成爐不動(dòng)火安全檢修改造

石墨合成爐長(zhǎng)期運(yùn)行后，檢修頻次較高，由于平臺(tái)、管口、底座互換性差，每次檢修均需對(duì)管口、平臺(tái)、不銹鋼底座現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火，動(dòng)火點(diǎn)多、位置高、時(shí)間長(zhǎng)，合成爐單體大修時(shí)，一般檢修時(shí)間20天左右，動(dòng)火約為7天。合成現(xiàn)場(chǎng)氫氣、氯氣、氯化氫氣體管線較多，環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)。合成爐動(dòng)火檢修存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，一旦動(dòng)火時(shí)發(fā)生氫氣管線泄漏，后果非常嚴(yán)重。

為實(shí)現(xiàn)合成爐不動(dòng)火檢修，采取如下措施：首先，將合成爐組合式筒體部分改造為一體式爐體，檢修時(shí)整體吊出，異地組裝；其次，優(yōu)化合成爐平臺(tái)，將每層爐體周邊樓板改型為可拆卸式，不影響吊裝，樓板通過(guò)螺栓與周邊梁固定并在上側(cè)焊接把手，方便檢修；最后，改造合成爐附屬管線，各熱水循環(huán)水管線處增加軟連接，在各管口碰口安裝時(shí)避免動(dòng)火改口。對(duì)合成爐和平臺(tái)進(jìn)行綜合改造后，提高了設(shè)備互換性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備整體吊裝，在固定動(dòng)火區(qū)檢修，提高了檢修效率，實(shí)現(xiàn)了合成爐檢修現(xiàn)場(chǎng)不動(dòng)火，保障了設(shè)備檢修安全。

3 總結(jié)

唐山三友氯堿經(jīng)過(guò)以上技術(shù)改造后，有效降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了裝置自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)氯化氫合成工序安全、可靠、高效運(yùn)行。