燒堿系統自動化控制優化

馬學華

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 063305）

唐山三友氯堿有限責任公司在企業的生產作業中，涉及濃硫酸、燒堿、鹽酸、氯氣、氫氣、次氯酸鈉等多種危險化學品，且崗位操作涉及高溫、高壓的場所多、危險系數大，因此，從生產工藝流程入手，依托現有設備、設施，進行深度挖潛，并結合DCS自動控制技術、遠傳儀器儀表在線分析檢測技術，逐步提升自動化控制水平，降低操作工頻繁的重復性操作，控制人為因素造成的誤操作幾率，從本質上消除安全、環保隱患。

1 廢氯氣處理系統自動化控制優化

1.1 生產現狀

為了確保離子膜燒堿生產系統生產過程的安全穩定，配套設置了廢氯氣處理系統，即次氯酸鈉生產系統，用于處理離子膜燒堿生產系統開、停車階段電解工序、氯氫處理工序、氯化氫合成工序、液氯工序等處產生的廢氯氣、氯氣透平機中間腔處廢氯氣以及事故氯氣等。廢氯氣處理的原理為含氯廢氣在串聯的一級廢氯氣吸收塔和二級廢氯氣吸收塔中與堿液逆流接觸發生化學反應，生成次氯酸鈉，尾氣排放至大氣中，反應方程式如下。

2NaOH+Cl2?NaClO+NaCl+H2O

廢氯氣處理系統的工藝流程為廢氯氣從一級廢氯氣吸收塔底部進入，在填料層與一級廢氯氣吸收塔上部下來的稀釋堿液充分接觸，尾氣由一級廢氯氣吸收塔頂部進入二級廢氯氣吸收塔底部，并在填料層與二級廢氯氣吸收塔上部下來的稀釋堿液充分接觸，由頂部引風機抽出排入大氣，廢氯氣系統真空維持-2 kPa，由引風機通過變頻自動調節。一級廢氯氣吸收塔吸收堿液、二級廢氯氣吸收塔吸收堿液分別由對應的堿液循環泵送至吸收塔頂部，反應所釋放出的熱量分別由一級堿液冷卻器、二級堿液冷卻器帶走，當游離堿濃度達到0.5%～0.9%，有效氯達到13.0%～14.0%時，通過次氯酸鈉泵輸送至成品罐區待售。廢氯氣處理系統工藝流程圖見圖1。

圖1 廢氯氣處理系統工藝流程圖

廢氯氣處理系統的生產模式，最初是由操作工現場手動進行操作，后發展到中控室DCS遠程手動操作氣動控制閥。在生產操作過程中存在缺陷，一是氣動控制閥門，由中控室DCS操作人員發出閥門打開、關閉的操作指令，有因操作不當引發生產事故的風險；二是廢氯氣處理系統吸收堿液的游離堿濃度，通過現場人員間斷性的做樣進行監測，存在滯后性，尤其是在次氯酸鈉生產的后期，因做樣分析不及時或不準確，廢氯氣處理系統存在跑氯的風險。

1.2 廢氯氣處理系統自動化控制優化方案

通過對廢氯氣處理系統操作過程進行全面分析，結合DCS自動控制技術、遠傳儀器儀表在線分析檢測技術，實現了次氯酸鈉生產的自動化控制。在原有設備、設施的基礎之上，增加切斷閥、游離堿在線分析儀、電導率檢測儀及其附屬管線，實現稀釋堿液配置、游離堿濃度檢測的生產過程控制優化。

（1）稀釋堿液配置優化

設置稀釋堿液配置自動程序啟動投入/解除按鈕。當自動程序投入使用時，稀釋堿液配置時選擇對應按鈕，當堿液循環罐液位低于設定值SV1，且循環堿液進口切斷閥、出口切斷閥均關閉，則堿液配置切斷閥、燒堿流量調節閥、純水流量調節閥打開，燒堿流量、純水流量通過串級控制關系進行調節，稀釋堿液自動配置。當堿液循環罐液位高于設定值SV2，則堿液配置切斷閥、燒堿流量調節閥、純水流量調節閥關閉，稀釋堿液配置結束。

（2）次氯酸鈉外排操作優化

設置次氯酸鈉外排自動程序啟動投入/解除按鈕，當自動程序投入使用時，堿液循環罐排次氯酸鈉時選擇對應按鈕，當液位高于設定值SV3，且循環堿液進口切斷閥、出口切斷閥均關閉，則次氯酸鈉外排切斷閥打開；當堿液循環罐液位低于設定值SV4時，次氯酸鈉泵停泵，同時次氯酸鈉外排切斷閥關閉，次氯酸鈉外排操作結束。

（3）廢氯氣系統游離堿濃度檢測優化

在一級堿液循環罐堿液循環管線上增加附屬管線，連接至游離堿濃度在線分析儀，實現吸收堿液游離堿濃度的在線監控。依據廢氯氣系統吸收堿液游離堿濃度的變化規律，實施梯度檢測方案。前期吸收堿液游離堿濃度高時，檢測頻度低，取樣量小；后期吸收堿液游離堿濃度低時，檢測頻度高，取樣量適當增加，以便實現吸收堿液游離堿濃度的及時、準確測量。游離堿濃度梯度檢測方案的實施，既節省了檢測試劑的使用量，又確保了廢氯氣系統在生產后期不跑氯，實現了廢氯氣生產系統的安全穩定運行。

（4）注意事項

此次廢氯氣處理系統優化方案中，自動化程序的執行依賴于自動閥、分析計量儀表等的及時、準確反饋，因此在實際生產過程中，需要定期對液位計、自動閥、游離堿在線分析儀等進行校對，確保數據的準確性，實現自動化程序的穩定運行。

2 樹脂塔再生酸水回用自動控制優化方案

2.1 生產現狀

現階段國家對水資源的管控日益嚴格，廢水的排放處理、中水回用對企業的發展至關重要。鹽水中的鈣離子、鎂離子等多價金屬離子會對離子膜造成嚴重傷害。在一次鹽水精制過程中鈣離子、鎂離子等多價金屬離子通過化學沉淀，預處理器、凱膜過濾器處理能降低到10-6水平，但殘余濃度仍不能滿足離子膜電解工藝對鹽水中多價金屬離子的濃度要求。需要通過螯合樹脂進行二次鹽水精制，使鹽水中鈣離子、鎂離子等多價金屬離子的濃度降低至10-9水平，為電解槽提供滿足生產需求的二次精制鹽水，實現零極距自然循環離子膜電解槽的安全穩定運行。

公司離子膜燒堿生產系統配置了3臺螯合樹脂塔，兩塔串聯運行，后塔起保護作用，一塔再生。為了保證螯合樹脂的離子交換吸附能力處于最佳的工作狀態，需要定期進行酸堿再生。螯合樹脂塔的再生過程包括水洗1、反洗、酸再生、水洗2、堿再生、水洗3、待機1、鹽水填充、待機2。在再生過程中累計產生酸性廢水約160 m3/d，嘗試將其回收至陽極液排放槽中，通過陽極液排放泵輸送至淡鹽水生產系統，經脫氯塔脫氯后輸送至一次鹽水工序用于化鹽，實現循環再利用。既緩解了企業發展所面臨的環保壓力，又節省了水資源、降低了生產成本。

螯合樹脂塔再生酸性廢水進入淡鹽水生產系統后，使得系統中的淡鹽水流量增加、溫度降低，引起了淡鹽水生產系統pH值、真空度、游離氯含量的波動，嚴重影響脫氯塔的脫氯效果。脫氯塔通過物理脫氯方法和化學脫氯方法除去淡鹽水中的游離氯。物理脫氯就是破壞有效氯體系的平衡，使有效氯盡可能的轉化為氯氣，并從體系中分離。化學脫氯需要用氫氧化鈉來調節淡鹽水的pH值，使有效氯從氯氣形式全部轉化為次氯酸鈉的形式，再用亞硫酸鈉還原。通過對脫氯塔的生產工藝流程進行分析，發現真空度的穩定調節和淡鹽水流量的穩定控制，對脫氯塔的脫氯效果至關重要。

公司脫氯塔真空度的現行調節方式為：調節閥與脫氯塔真空度形成控制回路，自動調節；設置了DN25的手動閥作為旁路，進行輔助調節。在螯合樹脂塔再生酸性廢水回收至陽極液排放槽，進入淡鹽水生產系統后，此配置的調節能力已經不能滿足脫氯塔的生產需求。同時，陽極液排放槽液位由操作工通過陽極液排放泵的啟停手動控制，操作頻繁，且調節上存在著個體差異，不利于脫氯系統指標的穩定控制。

2.2 脫氯塔真空度自動化控制優化

在原有脫氯塔工藝流程的基礎之上，增加DN50的自動調節閥，和原有的自動調節閥并聯，同時與脫氯塔真空度形成控制回路，控制脫氯塔的真空度，保留了原有DN25的手動閥作為旁路，進行輔助調節。根據脫氯塔真空度的變化趨勢，結合DCS自動控制技術，適當調整自動調節閥的PID參數。兩個自動調節閥投入脫氯塔生產系統使用后，調節及時、準確，脫氯塔真空度穩定，脫氯效果良好。

2.3 陽極液排放槽液位自動化控制優化

在原有脫氯塔工藝流程的基礎之上，陽極液排放泵增加變頻控制器，與陽極液排放槽液位形成控制回路，通過變頻自動控制液位，避免因淡鹽水流量的大幅度波動，影響脫氯塔的脫氯效果。陽極液排放槽液位自動控制，設置程序投入/解除按鈕，程序投入狀態下陽極液排放泵的變頻自動控制液位，程序解除狀態下陽極液排放泵的變頻手動調節控制液位。陽極液排放槽液位自動化控制程序具體說明如下。

（1）陽極液排放槽液位設定值為SV5，與陽極液排放泵變頻形成自動控制回路，當陽極液排放槽液位高于SV5值時，變頻自動上調，當陽極液排放槽液位低于SV5值時，變頻自動下調，維持液位穩定，確保脫氯塔的脫氯效果。

（2）當樹脂塔再生酸性廢水進入陽極液排放槽時，發出操作指令使陽極液排放泵變頻強制手動并上調4%（實際上調量可根據生產情況適當調整）；持續至樹脂塔再生酸性廢水回收結束，此時發出操作指令使陽極液排放泵變頻下調4%（實際下調量可根據生產情況適當調整），當陽極液排放槽液位低于SV5后，程序控制變頻調節由手動控制變為自動控制，維持液位穩定。

3 電解工序純水泵啟動自動化控制優化方案

3.1 生產現狀

目前，公司離子膜燒堿生產系統電解工序配套使用的動力泵共計25臺，動力泵運行時均需要使用機封冷卻水。機封冷卻水通過外接冷卻水或換熱器的方式，與介質換熱后，由冷卻水來帶走機械密封因摩擦所產生的熱量，使機械密封的工作溫度控制在安全允許范圍之內，以延長機械密封的使用壽命；同時機封冷卻水在機械密封的動環與靜環之間，起到潤滑的作用，減少機械密封在高速旋轉時受到的摩擦損傷，降低設備異常損壞的幾率，實現泵的安全穩定運行。

動力泵的機封冷卻水統一由純水泵提供，一旦純水泵因動力電問題、泵自身故障等原因跳停時，可能造成機封冷卻水供應不足，引起工序內其他運行泵的故障、跳停，導致所輸送介質的流量、溫度、壓力波動，以及儲罐液位波動等異常狀況的發生，如果操作工發現、處理不及時，甚至會觸發聯鎖條件，造成生產系統停車，不利于生產系統的安全穩定運行。

3.2 純水泵啟動自動化控制優化

現階段純水泵共計有2臺泵，實際生產過程中1臺泵運行、1臺泵備用。在此基礎之上，純水泵增加DCS遠程啟動、停止功能；設置純水泵自動啟動程序，避免因純水泵異常跳停后，機封冷卻水供應不足，引發其他運行泵的故障，甚至生產系統聯鎖停車。純水泵自動啟動程序具體說明如下。

（1）純水泵設置自動啟動程序投入/解除按鈕。自動啟動程序投入狀態下，純水泵執行自動啟動；自動啟動程序解除狀態下，純水泵通過操作工手動操作，實現泵的啟動。

（2）純水泵A運行時，當其因故障跳停后，純水泵B自動啟動；純水泵B運行時，當其因故障跳停后，純水泵A自動啟動。

（3）若運行泵因故障跳停后，備用泵未能實現自動啟動，DCS解除自動啟動程序，操作工手動開啟備用泵。

4 電解工序燒堿循環自動化控制優化方案

4.1 生產現狀

電解槽是離子膜燒堿生產系統的關鍵設備，公司使用的是旭化成公司的零極距自然循環離子膜電解槽。在電解槽的陽極電極和陰極電極之間安裝著具有離子選擇性滲透功能的離子交換膜，進行電解反應時，二次精制鹽水和稀釋堿液穩定的流過離子膜的兩側，而電流則穿過離子膜。根據下面的反應方程式：

可知，氯離子在陽極電極上放電生成氯原子，并最終結合生成氯氣；水在陰極電極上電離生成氫氣和氫氧根，鈉離子則在電場作用下發生電遷移，并通過離子膜內部孔洞構造到達陰極室，與氫氧根結合生成燒堿。

在離子膜燒堿生產系統的開停車階段，電解槽的開、停操作步驟多且雜。主要涉及了電解槽的充液、極化整流器的運行、陰陽極液相系統的大流量循環、陰陽極液相系統的最小量循環、燒堿的槽外循環、槽內循環等多項操作。期間隨著各個操作步驟的有序進行，燒堿的需求量也隨之發生變動，致使燒堿罐、燒堿高位槽、燒堿中間罐的液位產生波動，需要現場操作工頻繁的調節手動閥門的開度，以便維持各燒堿儲罐的液位穩定，實現燒堿循環系統的安全、穩定運行。燒堿循環系統工藝流程圖見圖2。

圖2 燒堿循環系統工藝流程圖

操作工頻繁的手動操作閥門，調節循環系統中高溫燒堿的流量，發生誤操作的幾率增大，對于生產系統來說是潛在的安全風險；同時操作工先是接收到操作指令、再去執行操作指令，在時間上存在滯后性，且閥門開度通過操作工手動進行調節、個體差異性大，易造成燒堿罐、燒堿高位槽、燒堿中間罐的液位過高或過低，不利于生產系統的穩定運行。因此實現燒堿循環過程各環節的穩定控制，是離子膜燒堿生產系統亟待解決的問題。

4.2 燒堿循環自動化控制優化

在原有生產工藝流程的基礎之上，在燒堿管線增加兩個自動調節閥分別與相對應的燒堿罐液位、燒堿中間罐液位形成控制回路，實現燒堿罐液位的自動控制；依據實際的工藝操作條件，結合DCS自動控制技術，自動調節閥設置相對應的PID參數。自動調節閥投入離子膜燒堿生產系統使用后，調節及時、準確，燒堿罐、燒堿高位槽、燒堿中間罐液位穩定，且循環系統中燒堿流量穩定，使用效果良好。優化后的燒堿循環系統工藝流程圖見圖3。

圖3 優化后的燒堿循環系統工藝流程圖

5 結語

氯堿行業離子膜燒堿生產系統的從業人員從生產工藝流程入手，一方面不斷地進行精準化操作分析，尋找生產控制過程中存在的薄弱環節并進行優化；一方面持續關注最新檢測儀器、儀表的發展動態，積極引進并用于生產過程中工藝指標的檢測、控制。兩方面積極配合，逐步提升生產工藝控制的自動化水平，消除生產過程中存在的安全、環保隱患。