消除黃磷生產系統開停車置換死角的探討

楊勝軍(云南紅河技師學院，云南 開遠 661600)

1 黃磷生產系統開、停車前進行置換的必要性

黃磷生產原理：以焦炭作為還原劑，將磷礦石中的化合態磷元素還原成單質磷。在這個反應過程中，碳在缺氧的環境中發生不完全氧化反應，生成磷爐氣。磷爐氣(為磷蒸汽、一氧化碳、惰性氣體、粉塵、氟化物等復雜的混合物)從磷爐出發，依次經過靜電除塵器(以下簡稱“除塵器”)除塵，經過收磷系統洗滌、冷凝，再分別經過復雜的磷爐尾氣管道(以下簡稱“氣站”)，剩余的氣體通過火炬放空燃燒，或者送往用戶作為提供熱源的原料。所以，磷爐氣經過的設備管道充滿了攜帶一氧化碳的氣體，恢復生產前及停運清理檢修都需要進行置換[1]。

每臺磷爐配套有并聯的兩組除塵器、兩套收磷系統，進入氣站又合并為一條氣體輸送處理系統。為保證除塵器良好的除塵效率，在電場電壓＜20 kV，或電場電壓不穩定影響粗磷質量時，必須對除塵器停運清理檢修。清理檢修前，需要與運行的生產線進行隔斷，隔斷由除塵器進出口角閥閥板的閉合來實現，但是隔斷的系統中依然充滿了磷爐氣，其中70%以上為一氧化碳，所以必須使用惰性氣體進行置換，合格以后才能進行作業。

原設計系統置換使用的惰性氣體是氮氣，由公司小空分裝置生產提供。公司進行了技術改造后，將合成系統生產過程中的副產物二氧化碳引入黃磷車間，實施了二氧化碳替代氮氣，現在黃磷車間使用的密封、置換氣體改為二氧化碳。

這里的置換分為兩類：第一類是指除塵器停運清理檢修置換。需要用二氧化碳將系統中的一氧化碳置換至低于1%，再開啟除塵器檢修內外門使用環境空氣送風置換，使除塵器氣室氧含量大于20%，除塵器具備入塔進罐的置換作業。第二類置換是除塵器檢修完成后投運前的置換。此時的置換是使用二氧化碳氣體將除塵器及對應的收磷系統中的氧含量置換至低于2%，為系統投運通入磷爐氣提供安全通道的置換作業。

本文探討的基礎是指在磷爐正常運行的情況下，需要對其中一套除塵器及對應收磷系統停運清理檢修時以及檢修完畢后系統投入運行時的置換，在這個置換過程中存在死角，通過改造來消除置換死角。

2 黃磷生產系統三類主要置換操作介紹

2.1 磷爐恢復生產前的系統置換

黃磷生產系統經歷大檢修以后再次啟動生產，需要進行系統置換。置換方法是：從磷爐本體通入二氧化碳，經過除塵器、收磷塔、槽及管線、氣站，氣體從磷爐火炬放空，在火炬前取樣分析，達到系統置換的目的，如圖1所示。

圖1 磷爐恢復生產前系統置換示意圖

2.2 系統全面停產檢修置換

其置換方法和線路與系統投產前的完全一致。

2.3 系統局部檢修、投運的置換

黃磷生產系統的局部檢修和投運，是指磷爐沒有停車，一個系列需要維持正常生產，另一系列通過系統隔離實現檢修的情況，一般指除塵器的清理檢修。按照系統設計及操作說明書要求，操作步驟如下：通過關閉下角閥，截斷與磷爐的聯通，防止磷爐氣從磷爐竄入除塵器；關閉上角閥，與收磷系統實施隔離，防止后續系統的一氧化碳倒灌進入除塵器。置換使用的二氧化碳從除塵器入口的底部通入，自除塵器的第一氣室、第二氣室從除塵器頂部出口的放空管進行放空，進行置換系統[2]，如圖2所示。

圖2 電除塵檢修投運置換示意圖

3 置換工作中遇到的困難分析

前兩類置換作業，由于可以自磷爐通入二氧化碳，經過除塵器、收磷系統以及氣站的所有路線，能夠實施系統性置換，可以做到不留死角，置換是有效和安全的，本文不進行討論。

3.1 系統開停車置換留下死角的原因

在原始設計中，為應對除塵器單獨檢修設計了一條單獨的置換路線。除塵器進出口都設置有角閥進行截斷，停運除塵器時同時關閉進、出口角閥的閥板，讓停運的除塵器與磷爐及收磷系統進行隔斷，通過二氧化碳可以實現獨立置換，從而實現安全控制手段。但是，由于角閥設計上存在嚴重缺陷，傳動機構在初始開車階段已經損壞。后面進行過修復、改造，一直不能正常使用。同時，由于除塵器原有的用于置換的放空管線在使用了一年以后完全堵塞，導致了除塵器原有置換線路處于癱瘓狀態。

3.2 系統開停車置換存在的風險和隱患

在除塵器原有置換線路癱瘓以后，車間采用了新的置換線路。截斷磷爐下角閥以后，從除塵器底部通入二氧化碳，打開除塵器頂部水封進行放空。存在的問題是：一是由于氣站系統依舊在運行，置換氣體不能自除塵器到收磷、尾氣管道進行全系統置換，一旦除塵器打開原有充滿一氧化碳的運行系統與大氣直接接觸，容易產生中毒和爆炸；二是除塵器水封都設計在除塵器頂部中間的位置，在除塵器第二氣室與出口之間必然存在死角，而這個區域是必須進入工作的區域，存在巨大安全隱患。

3.3 解決原有置換線路癱瘓問題存在的困難

恢復原始設計置換線路不僅需要大量的經濟投入，而且沒有找到可行的解決辦法。原有置換線路恢復的難度在于：一是除塵器出口截斷系統沒有找到合適的有效設備來實施；二是如果效仿進口截斷系統，四臺除塵器出口需要加裝巨大的作業平臺，投入很大；三是原有四套放空管線需要全部重新設計、改造，而且還難以解決避免被黃磷堵塞的難題。

通過分析需要解決的問題是：在除塵器原有設計線路無法恢復的情況下，如何在現有設備和工藝的基礎上實施改造，確保除塵器在停運、投運以及清理、檢修時的安全。

3.4 必須解決的兩個置換死角

經過對黃磷生產置換過程中遇到問題的分析，可以看出，現有的置換方法會在如下兩個位置留下死角：一是除塵器第二氣室水封與出口端會形成置換死角；二是與實施檢修的除塵器配套的收磷系統中一氧化碳依舊停留在系統中。

4 消除系統置換死角的辦法

通過上述分析，要徹底消除系統置換死角，在原有設計路線不能恢復使用的情況下，重新設計置換路線。項目的難度在于依托現有工藝線路，不進行較大的改造及投入，解決局部清理檢修的置換線路既要進行全系統置換，又不能干擾另外一套生產系統的正常運行。

4.1 消除置換死角的改造原則

(1)必須確保磷爐氣系統的有效隔離，原有的截斷系統必須保留，確保系統隔離的有效和安全。

(2)重新尋找新的置換氣體放空渠道，避免生產系統前后兩端對清理檢修構成安全威脅，也要防止檢修系統置換的二氧化碳進入尾氣系統降低發熱值，影響用戶對磷爐尾氣的正常使用。

(3)必須實施檢修系統的整體置換，不能留下置換死角。

(4)只能立足現有工藝線路、管道及設備，進行投入少、易操作、維護成本低的改造。

4.2 改造實施方案

4.2.1 置換線路設計

對黃磷尾氣系統安全水封(位號458)進、出口管道之間增設管道進行聯通，并加裝閥門控制，讓除塵器、收磷系統、氣站形成一個臨時的置換回路，包裝清理檢修系統與生產系統完全隔離，如圖3、圖4所示。

圖3 改造工藝簡圖

圖4 458水封改造示意圖

4.2.2 操作介紹

在實施系統置換的時候，打開閥門使置換氣體通過除塵器、收磷系統、尾氣管道、水封入口、水封出口和磷爐尾氣的放空管進行放空，此時安全水封不需要履行水封功能，操作上不違反安全規定。置換結束，關閉閥門恢復水封功能。

當系統中一氧化碳含量低于1%視為系統置換合格，關閉二氧化碳置換氣體，打開需要檢修的除塵器，完成第一次置換。除塵器清理檢修完畢后，封閉系統，再次打開二氧化碳對系統進行置換，二氧化碳經過同樣的路線，取樣分析，當系統中的氧含量低于2%，視為第二次置換合格。關閉安全水封連通管上的閥門，關閉置換氣體。解除與工作端前后的隔離，完成一輪清理檢修與投運工作。

5 項目實施效果

消除黃磷生產系統開停車置換死角項目對四套安全水封進行了改造，總投入2萬元。與兩臺磷爐配套的四組除塵器都進行了置換檢修，使用了新的置換線路以后取得了良好的效果，體現在以下四個方面。

(1)降低了置換難度、簡化了置換操作步驟。通過一次操作上的技術培訓，工藝班組長、崗位操作人員就熟練地掌握了操作辦法，而且只需要開關兩個閥門就可以實現置換操作。

(2)提高了除塵器停運的置換效率。未改造前，除塵器從停運置換合格到交出清理檢修，平均需要6 h，最長達12 h。改造以后，置換合格時間縮短到了3 h。

(3)提高了磷爐平均運行負荷，降低了單位成本。由于單組除塵器運行磷爐負荷只能按照設計負荷的55%運行，會增加消耗、提高成本，通過改造縮短了置換時間，從而縮短了檢修時間，提高磷爐單位運行負荷。

(4)提高了系統檢修的安全性。改造以后由原來的局部置換改為全系統的置換，消除了系統的每一個死角，既保障了停運除塵器清理、檢修能夠將一氧化碳置換到最低水平，也保障了系統在再次投運過程中將氧含量置換到最低水平，提高了系統的安全保障水平。