氯氣處理裝置運(yùn)行技術(shù)改進(jìn)

施慶新，陳松，丁海秋

(安道麥安邦(江蘇)有限公司，江蘇 淮安 223002)

安道麥安邦(江蘇)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“安道麥安邦”)離子膜法制堿裝置產(chǎn)能為20萬(wàn)t/a。氯氣冷卻采用一級(jí)洗滌加二級(jí)鈦冷間接冷卻相結(jié)合[1]，硫酸干燥采用四塔串聯(lián)干燥工藝，水霧和酸霧除霧器濾芯采用美國(guó)布林克除霧器濾芯，氯氣壓縮機(jī)采用西門子KKK公司生產(chǎn)的透平離心式氯氣壓縮機(jī)。該套氯氣處理裝置無(wú)論在電解初開(kāi)車還是調(diào)峰生產(chǎn)變動(dòng)負(fù)荷情況下，總體運(yùn)行正常平穩(wěn)，干燥氯氣含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直穩(wěn)定在1×10-5以下，硫酸單耗穩(wěn)定在12～14 kg/t。

1 氯氣處理工藝流程簡(jiǎn)介

由離子膜電解槽出來(lái)的溫度約為85 ℃的高溫氯氣，在電解工序通過(guò)鈦列管式換熱器與鹽水進(jìn)行換熱，冷凝下來(lái)的氯水流至離子膜電解氯水罐，用氯水泵打入脫氯淡鹽水塔進(jìn)行真空脫氯，氯氣溫度降溫至50～55 ℃。

降溫后的氯氣通過(guò)玻璃鋼管道輸送至氯氣處理一級(jí)洗滌塔，塔內(nèi)氯水由氯水泵加壓經(jīng)氯水冷卻器冷卻后，從洗滌塔塔頂噴淋頭噴淋而下，與從下至上的高溫氯氣進(jìn)行逆流接觸，氯氣降溫至30 ℃進(jìn)入鈦列管式換熱器，被7～9 ℃冷凍水間接冷卻至12～16 ℃。在此過(guò)程中的所有氯水通過(guò)管道回流至氯氣洗滌塔，通過(guò)洗滌塔泵出口的液位調(diào)節(jié)閥與洗滌塔液位自控聯(lián)鎖將氯水打至電解淡鹽水脫氯工序回收利用。

從鈦冷卻器出來(lái)的氯氣進(jìn)入水霧捕集器除去水霧后，含水量約降低為原來(lái)的1.6%[2]，除霧后的氯氣進(jìn)入一級(jí)填料塔填料底部，填料塔循環(huán)硫酸通過(guò)硫酸磁力泵從塔底輸送至硫酸板式換熱器，通過(guò)7～9 ℃的冷凍水與硫酸換熱后從塔頂硫酸分布器噴淋而下，在填料干燥塔中與氯氣逆流接觸，除去氯氣中的水分。一級(jí)干燥塔至四級(jí)干燥塔的硫酸濃度依次為75%～78%、85%～90%、93%～95%、98%，硫酸控制的溫度為14～15 ℃，氯氣溫度控制在14～15 ℃。其中在一級(jí)干燥塔的硫酸循環(huán)泵出口，設(shè)置一硫酸取樣口、現(xiàn)場(chǎng)密度計(jì)及廢酸控制調(diào)節(jié)閥，用于控制出酸，選擇上述各塔出酸濃度有一定的原因，一般情況下，濃硫酸溫度不應(yīng)低于10 ℃，以防結(jié)晶。硫酸溶液的結(jié)晶溫度[3]如表1所示。

表1 硫酸溶液的結(jié)晶溫度表

干燥后的氯氣經(jīng)過(guò)酸霧除霧器，除去硫酸霧和其他雜質(zhì)后，進(jìn)入氯氣壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)過(guò)四級(jí)壓縮及四級(jí)氯氣冷卻器冷卻，最終氯氣被壓縮至0.6～0.7 MPa，溫度為30～35 ℃，送至液化工序的原氯分配臺(tái)。圖1為安道麥安邦氯氣處理工序流程方框簡(jiǎn)圖。

圖1 氯氣處理工序流程方框簡(jiǎn)圖

2 氯氣處理裝置運(yùn)行情況

安道麥安邦氯氣處理裝置運(yùn)行12年來(lái)，總體運(yùn)行平穩(wěn)，干燥氯氣中含水完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在線水分分析儀顯示一般保持在1×10-5以下，冬季水分可保持在0.5×10-5以下。由于電解調(diào)峰生產(chǎn)，調(diào)節(jié)較為頻繁，2010年開(kāi)機(jī)以來(lái)，硫酸消耗基本維持在12～14 kg/t左右水平，近5年來(lái)年平均硫酸單耗在12.7、13.6、12.9、13.2、13.2 kg/t。

氯氣處理裝置運(yùn)行中各項(xiàng)工藝指標(biāo)保持穩(wěn)定，2022年5月16日各項(xiàng)工藝指標(biāo)執(zhí)行情況如表2所示。

表2 各項(xiàng)工藝指標(biāo)

3 氯氣處理裝置存在問(wèn)題及技術(shù)改進(jìn)

3.1 廢硫酸貯槽內(nèi)析出氯氣問(wèn)題

原始設(shè)計(jì)中，廢硫酸貯槽采用的是PVC外纏繞玻璃鋼貯槽，為防止該貯槽憋壓無(wú)法進(jìn)酸及廢硫酸泵的抽吸作用導(dǎo)致貯槽內(nèi)癟損壞，貯槽頂部設(shè)置一個(gè)放空平衡口。從干燥塔出來(lái)的廢硫酸進(jìn)入該貯槽后，根據(jù)亨利定律，由于氣相中氯氣濃度低，廢硫酸中的氯氣會(huì)逐步析出最終達(dá)到平衡狀態(tài)，而由于其對(duì)空，則會(huì)導(dǎo)致氯氣不斷析出，污染環(huán)境。將廢硫酸貯槽頂部的氣相引至廢氯氣處理工序，利用廢氯氣處理工序的微負(fù)壓對(duì)廢硫酸中析出的氯氣持續(xù)進(jìn)行抽吸，并維持在一個(gè)穩(wěn)定的平衡壓力，避免向大氣中釋放。

為防止廢氯氣處理工序負(fù)壓過(guò)大，該貯槽設(shè)計(jì)一水封，維持氣相壓力穩(wěn)定在-3 kPa。

3.2 鈦冷卻器氯氣溫度調(diào)節(jié)頻繁

原始設(shè)計(jì)中，氯氣出洗滌塔后進(jìn)入鈦冷卻器進(jìn)一步冷卻至12～16 ℃，其設(shè)置的冷凍水閥門口徑為DN80。由于安道麥安邦采用峰谷電調(diào)峰生產(chǎn)的方式進(jìn)行生產(chǎn)，負(fù)荷變動(dòng)范圍在65%～100%，導(dǎo)致DN80冷凍水調(diào)節(jié)閥無(wú)法穩(wěn)定調(diào)節(jié)，造成鈦冷出口氯氣溫度波動(dòng)較大。

出現(xiàn)該問(wèn)題的主要原因是作為冷媒的冷凍水閥門相對(duì)于低負(fù)荷而言設(shè)計(jì)過(guò)大，平衡點(diǎn)難以控制，微量變化即可造成氯氣溫度偏移，濕氯氣在低于9.6 ℃會(huì)形成Cl2·8H2O結(jié)晶物堵塞鈦冷卻器列管，需要人為干預(yù)調(diào)節(jié)。

增加一路旁路為DN50的調(diào)節(jié)閥，利用DCS實(shí)現(xiàn)自控，效果非常好。

3.3 氯氣填料干燥塔出塔水分增加

氯氣填料干燥塔，經(jīng)過(guò)近4年的運(yùn)行，原PVC填料逐步老化，發(fā)生脆化變形，導(dǎo)致比表面積嚴(yán)重降低，氯氣含水逐步上升，從原來(lái)穩(wěn)定的5×10-6左右，在約1個(gè)月時(shí)間內(nèi)上升至6×10-5，且仍有繼續(xù)上升趨勢(shì)，干燥塔塔阻升高約2 kPa，開(kāi)始影響到氯壓機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

氯氣填料干燥塔水分開(kāi)始逐步升高時(shí)，安道麥安邦在排除水分檢測(cè)儀誤差及故障、水霧捕集器故障原因后，初步懷疑PVC填料出現(xiàn)問(wèn)題。安道麥安邦氯氣處理1級(jí)到4級(jí)干燥塔用的是PVC花環(huán)，73×27.5型，填料堆積密度是硫酸密度的4.3%，填料質(zhì)量相對(duì)于硫酸質(zhì)量可不計(jì)。

從當(dāng)時(shí)硫酸用量、硫酸控制溫度、氯氣水分來(lái)判斷，若水分檢測(cè)儀結(jié)果為真，則出現(xiàn)該情況的原因最大的可能性為塔內(nèi)填料發(fā)生軟化降低，而且高度降低較多。硫酸用量增加及降低溫度已起不到?jīng)Q定性作用。在氯氣產(chǎn)量增加的情況下，氯氣流速流量增加，硫酸用量雖然增加，但是接觸面積不夠?qū)е滤譄o(wú)法及時(shí)吸附。

經(jīng)過(guò)論證，安道麥安邦決定徹底更換四臺(tái)塔內(nèi)的PVC花環(huán)填料。每只塔更換填料體積為3.14×1.3×1.3×6=31.839 6 (m3)，比表面積127 m2/m3，接觸面積為4 044 m2。

安道麥安邦電解工序采用峰谷電調(diào)峰生產(chǎn)的方式，在電解A-D槽電流5 kA，E-J槽電流6 kA時(shí)，為低負(fù)荷；電解A-D槽電流11 kA，E-J槽電流12.5 kA時(shí)，為高負(fù)荷。PT0509為一級(jí)水洗塔前壓力，PT0550為四級(jí)干燥塔出口壓力，PT2450為酸霧捕集器出口壓力，PT2451為氯壓機(jī)進(jìn)口壓力，氯氣處理阻力指水洗塔至酸霧捕集器出口之間的阻力，總阻力指水洗塔至氯壓機(jī)進(jìn)口包含氯壓機(jī)進(jìn)口過(guò)濾器的阻力。

更換前、后干燥系統(tǒng)各壓力、阻力及水分如表3所示。

由表3可知：更換填料后，在同樣高負(fù)荷情況下，電解PT218壓力從7.5 kPa降至3.9 kPa，降低3.6 kPa；氯氣處理總阻力降低1.3 kPa，電解至氯壓機(jī)進(jìn)口管道總阻力降低4.9 kPa。水分從(6～9)×10-5降低至13×10-5并仍然有下降趨勢(shì)。

表3 更換前、后干燥系統(tǒng)各壓力、阻力及水分

更換填料后電解系統(tǒng)至氯壓機(jī)進(jìn)口間的阻力降低效果明顯，降低的4.9 kPa壓力可以提升電解槽A-D的電流約4 kA，每小時(shí)多產(chǎn)3.3 t堿(折100%)，每年多產(chǎn)2.67 萬(wàn)t(折100%)。同時(shí)干燥系統(tǒng)水分降低明顯，保證氯壓機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 氯氣壓縮機(jī)用氮?dú)忾_(kāi)車時(shí)調(diào)節(jié)頻繁

氯氣壓縮機(jī)開(kāi)車時(shí)，使用高壓氮?dú)庾鳛槌蹰_(kāi)車的氣源，為節(jié)約氮?dú)猓苊饫速M(fèi)，只需保證其流量越過(guò)防喘控制安全線即可。當(dāng)然，氯氣壓縮機(jī)各級(jí)氣相壓力需大于中間冷卻器冷卻水的壓力。

由于初開(kāi)車時(shí)，氯壓機(jī)自身回流防喘控制閥全開(kāi)，氮?dú)鈳缀醪蝗U氣處理，在氯壓機(jī)內(nèi)逐步累積，壓力有一定的波動(dòng)，需要較為頻繁地調(diào)節(jié)氮?dú)膺M(jìn)氣閥門直至平衡。

根據(jù)計(jì)算，氮?dú)庠诔蹰_(kāi)車時(shí)，當(dāng)進(jìn)氣表壓維持在0.75 MPa時(shí)，用于微量調(diào)節(jié)的氮?dú)饬考s為2.2 m3/h。該氣量較小，在氯壓機(jī)平衡點(diǎn)附近，出口廢氣閥不釋放的情況下，該氣量近似為氯壓機(jī)氯氣迷宮腔微微釋放至廢氣處理的氮?dú)饬俊?/p>

安道麥安邦選擇DN20的氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥，用于此處的氮?dú)鈮毫ζ胶庹{(diào)節(jié)，以提高氯壓機(jī)開(kāi)車的自動(dòng)化水平，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

在氯氣壓縮機(jī)出口至三級(jí)干燥塔之間增加1臺(tái)DN150回流閥、1臺(tái)DN25微調(diào)回流閥，用于增加回流量，降低氮?dú)馐褂昧浚苊饴葰鈮嚎s機(jī)防喘控制在使用氮?dú)忾_(kāi)機(jī)時(shí)前期不受控?zé)o法調(diào)節(jié)的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)改造，不但保證了氯氣壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)的順利，而且滿足了安道麥安邦電解調(diào)峰生產(chǎn)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)的需要。

3.5 氯氣壓縮機(jī)中間冷卻器出口氯氣溫度高

德國(guó)KKK提供的氯氣中間冷卻器，采用八管程列管換熱器，管道為Φ19×2碳鋼管道。經(jīng)過(guò)一年多的使用，發(fā)現(xiàn)該換熱器存在冷卻水折流管線過(guò)長(zhǎng)，阻力大，導(dǎo)致水流速過(guò)緩，管道內(nèi)部易堵塞、換熱效果差，出口氯氣溫度逐步由原來(lái)的30 ℃升高至51 ℃。

針對(duì)德國(guó)KKK提供的氯氣中間冷卻器，冷卻水折流管線過(guò)長(zhǎng)，阻力大，導(dǎo)致水流速過(guò)緩，管道內(nèi)部易堵塞、換熱效果差的問(wèn)題，安道麥安邦進(jìn)行了專門的分析和研究，制定了改進(jìn)方案。

將氯氣冷卻器重新設(shè)計(jì)，將原八管程改為六管程，內(nèi)部列管改為Φ 25×3管道，排列方式為正三角排列，換熱器循環(huán)水進(jìn)出口管道由原來(lái)DN125改為DN150，因高位槽位置未變，進(jìn)水壓力保持不變，出口依然保持無(wú)壓回水方式。

管道內(nèi)水流方式為喘流，根據(jù)壓差阻力與管徑的關(guān)系，壓差阻力反比于管徑之比的5次方。改造后氯氣中間冷卻器的管程阻力降為改造前阻力的0.3倍，管內(nèi)水流速增加，總傳熱系數(shù)大大增加。氯氣溫度由原來(lái)?yè)Q熱后51 ℃降低至25～30 ℃。改造后換熱效果非常明顯。

改造前電解槽總電流119 kA，改造后電解總電流提高至122 kA，增加了2.52%的負(fù)荷，溫度的降低提高了氯壓機(jī)的壓縮能力，電解崗位年多產(chǎn)燒堿4 918 t(折100%)，取得一定經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

安道麥安邦通過(guò)對(duì)氯氣處理系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中問(wèn)題的理論分析和實(shí)踐研究，制定出可行的方案，并付諸實(shí)施。

從效果來(lái)看，大大超過(guò)了初期設(shè)定的目標(biāo)。對(duì)系統(tǒng)問(wèn)題的分析，方向是比較準(zhǔn)確的。從實(shí)施效果來(lái)看，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，提高了裝置的生產(chǎn)能力，并提高了裝置的自動(dòng)化水平，保證了氯氣處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。