燒堿裝置氯氣處理系統比較

修志鴻

（江蘇安邦電化有限公司，江蘇 淮安 223002）

江蘇安邦電化有限公司目前擁有2套燒堿裝置，分別為15萬t/a隔膜燒堿裝置和20萬t/a離子膜燒堿裝置。

從電解出來的濕氯氣溫度約為85℃，含有大量的水蒸氣及鹽霧，從電解槽出來的氯氣采用玻璃鋼管道輸送，以防止氯氣的腐蝕。氯氣輸送至氯氣處理工序后，通過“先冷卻后干燥”的處理工藝，將氯氣中所含的大量水分脫去，使水分含量降至50×10-6以下，以防止其對后續碳鋼設備的腐蝕，避免造成10 000 r/m高速運轉的氯氣透平壓縮機主軸的劇烈腐蝕導致其報廢。

隔膜燒堿裝置和離子膜燒堿裝置工藝不同，氯氣處理系統存在一定的差異。

1 氯氣處理工藝流程比較

1.1 隔膜燒堿氯氣處理工藝

1.1.1 氯氣洗滌冷卻

隔膜電解槽陽極室產生的溫度約為85℃、壓力為-0.5～0 kPa的氯氣通過玻璃鋼管道直接輸送至氯氣處理一級水洗塔填料下層，與從塔頂噴淋的氯水逆流接觸，溫度降至40～45℃。氯氣再次進入二級氯水洗滌塔，與低溫氯水逆流接觸后，溫度控制為12～16℃。

因氯氣含水的飽和蒸氣壓與氯氣溫度有著極為密切的關系，表1為氯氣溫度與氯中水含量的關系，其中，水氣含量（g/kg濕氯氣）指的是每kg純氯氣在此溫度、壓力下可飽和的水蒸氣克數。

表1 氯氣溫度與氯中含水關系表

由表1可知，在相同壓力情況下，氣體溫度每降10℃，濕氯氣中的“含濕量”幾乎降低近一半。在此以隔膜電解槽陽極出口氯氣溫度為85℃計算，每千克濕氯氣中所含的水分為338 g。如果使用溫度為30℃的工業上水將其溫度降至40℃，每千克濕氯氣含水分為19.8 g，可以通過冷卻去除水分近318.2 g，幾乎去除掉94.14%的水分。如果再用5～10℃的冷凍水進一步冷卻，使其溫度降至12℃；則每千克濕氯氣可去除水分16.24 g。由此可見，濕氯氣溫度從85℃下降至12℃，每千克濕氯氣可以去除水分334.44 g，占98.95%。余下的1.05%水份進行干燥脫水，這樣的工藝選擇比較合理。

因氯氣的溫度降至9.6℃時，會形成Cl2·8H2O結晶體，使冷凝下來的氯水結冰，將冷卻器及其管道堵塞，使氣體無法通過。因此濕氯氣的溫度不可無限制降低，該公司選擇氯氣進干燥塔溫度為12～16℃。

經過二級冷卻后的氯氣隨后進入水霧捕集器，將其中的液滴狀水霧及鹽霧去除。過濾后的氯氣經過洗滌和除霧，其中的雜質和鹽分得到去除，較為潔凈，剩余水分需通過干燥塔系統脫除。水霧捕集器前后過濾監控壓差為0～5 kPa，使用壽命一般為10年，若過濾壓差超過5 kPa，則說明浸氟硅油棉濾芯較臟，已堵塞，需要處理或更換。

1.1.2 氯氣干燥

氯氣干燥工序采用4級填料干燥塔串聯干燥氯氣工藝。

經過水霧捕集器的氯氣進入一級填料塔填料底部，填料塔循環硫酸通過硫酸磁力泵從塔底輸送至硫酸板式換熱器，通過7～9℃的冷凍水與硫酸換熱后從塔頂硫酸分布器噴淋而下，與氯氣逆流接觸。一級干燥塔至四級干燥塔的硫酸濃度依次為65%～ 68%、85%～90%、93%～95%、98%，在一級干燥塔的硫酸循環泵出口，設置1個硫酸取樣口、現場密度計及廢酸控制調節閥，用于控制出酸濃度。選擇上述各塔出酸濃度有一定的原因，表2為硫酸溶液的結晶溫度表。

表2 硫酸溶液的結晶溫度表

隔膜燒堿氯氣處理系統經過7～9℃冷凍水換熱后的硫酸溫度約為16～17℃，從表2可知，上述各塔的出酸濃度在此溫度區間（16～17℃）均可有效防止硫酸結晶，避免影響工藝管線及換熱設備的正常運行。

在冬季運行時，氯氣處理工序環境溫度為-6℃，因此，濃硫酸管路需要伴熱。

1.1.3 氯氣壓縮輸送

隔膜燒堿系統氯氣處理采用的氯氣壓縮機型號為4VRZ 151/405/06 G，其性能參數見表3。

表3 隔膜系統氯氣透平壓縮機性能參數

從表3可以看出，上述氯氣壓縮機最大負荷按照年產8 000 h計算，可達16萬t/a，其出口壓力絕壓為0.705 MPa，按照氯氣液化溫度—蒸汽壓對應表見表4，可知，若按照該壓力控制，易導致冬季氯氣輸送過程中的自然液化，故需對氯氣管道進行保溫，控制氯氣最終輸送往下道工序的溫度不宜低于25℃，該公司實際控制氯氣輸送壓力為0.4 MPa左右。

表4 氯氣液化溫度——蒸汽壓對應表

從一級水洗塔至氯氣壓縮機進口之間的設備管線的壓降為5～10 kPa。氯氣透平壓縮機迷宮腔氮氯混合氣通過次鈉崗位的水沖泵負壓帶走。

1.2 離子膜燒堿氯氣處理工藝

1.2.1 氯氣洗滌冷卻

從離子膜電解槽出來的溫度約為八十五攝氏度的高溫氯氣，在電解工序通過鈦列管式換熱器與鹽水進行換熱，冷凝下來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行真空脫氯，氯氣溫度降溫至50～55℃。

降溫后的氯氣通過玻璃鋼管道輸送至氯氣處理洗滌塔進行逆流噴淋，降溫至30℃，再進入鈦列管式換熱器，通過7～9℃冷凍水冷卻至12～16℃。在此過程中的所有氯水通過管道回流至氯氣洗滌塔，通過洗滌塔泵出口的液位調節閥與水洗塔液位自控連鎖將氯水打至電解淡鹽水脫氯工序回收利用。

1.2.2 氯氣干燥

離子膜燒堿氯氣干燥工序與隔膜燒堿相似，均采用四塔串聯干燥流程，區別在于離子膜水霧捕集器及酸霧捕集器的能力加大，干燥塔處理氯氣的能力隨之加大。一級干燥塔出酸濃度控制在75%～ 78%，控制的氯中含水量更低，控制硫酸的溫度為14.0～15.0℃，控制氯氣的溫度在14.0～15.0℃，在一定程度上減輕了氯氣透平壓縮機氯氣中間冷卻器的負擔。

1.2.3 氯氣壓縮

離子膜燒堿氯氣透平壓縮機與隔膜燒堿氯氣透平壓縮機均采購自德國KKK公司，該壓縮機型號為4 VRZ 151/405/08 G，其性能參數見表5。

表5 離子膜氯氣透平壓縮機滿負荷性能參數

從隔膜系統氯氣透平壓縮機出口壓力控制溫度分析可知，離子膜氣體出口管道同樣需采用保溫并伴熱處理。

2 先進性比較

2.1 控制難易程度

因隔膜燒堿系統中電解槽為隔膜電解槽，電解槽槽蓋上有1個U型玻璃壓力計，用水進行液封，水封高度約為五厘米，這就給隔膜系統初開車時電解槽的氯氣壓力控制帶來一定的難度。

隔膜電解槽沒有堿及鹽水循環系統，初期槽溫不易提高，導致氯氣在送電初期因槽溫低電流效率低難以迅速生產，氯氣壓縮機難以保證電解氯氣壓力控制在-5～0 kPa范圍內。為此，在每次開車前均通過鹽水預熱電解槽來實現通電后氯氣的迅速產出，即便如此，在開車過程中，控制電解氯氣壓力始終為負壓仍然不易，導致電解廠房空間可能有一定的氯氣。

離子膜電解系統為密閉系統，正壓生產，與大氣沒有任何水封相連。離子膜電解槽在送電前有個循環升溫過程，循環堿液溫度達到65～70℃時，離子膜電解方可送電，氯氣生產比較迅速，不存在氯氣壓縮機控制不好導致氯氣外溢的情況發生。

2.2 氯水回收利用

離子膜系統因有淡鹽水產出，該系統設置有淡鹽水真空脫氯工序。氯氣處理工序所有氯水均回收至脫氯淡鹽水工序，通過真空脫氯，將氯氣回收。

隔膜系統沒有此氯氣回收裝置。

2.3 能量綜合利用

離子膜電解槽出來的高溫、高濕氯氣在電解工序與鹽水通過鈦列管式換熱器進行換熱，氯氣中的水氣從85℃降至50℃，水蒸氣的相變熱在此得以充分利用，僅有12.5%左右的熱能達到氯氣處理，未能利用。

隔膜燒堿工序高溫、高濕氯氣直接進入氯氣處理洗滌塔，熱能不但無法利用，還額外需要冷量將這部分氯氣所含水蒸氣的相變熱量帶走，必然消耗大量的系統能量。

2.4 自動化程度及安全性

離子膜氯氣處理硫酸、氯氣、冷凍水溫度數據均采集至DCS，關鍵的一級及四級干燥塔冷凍水采用自動控制，與硫酸溫度連鎖，確保氯氣含水合格及進入氯氣透平壓縮機的氯氣溫度方便可控。所有的板換水出口均安裝有取樣口，在冷凍水回水總管上還安裝有在線pH儀及ORP，方便DCS及時監控。

除此之外，離子膜氯氣處理工序安裝有遠程氯氣報警儀，在操作室即可對現場空氣中氯氣含量進行檢測。

隔膜燒堿系統只采集硫酸及氯氣溫度，無自控、無DCS監控，完全依靠現場巡檢檢測。

3 結語

由于20萬t/a離子膜燒堿裝置克服了隔膜燒堿系統的工藝、設備采用上的不足，完善了能源利用及儀表自控，加強了安全監控系統。由于離子膜系統自身的正壓生產的特性，自動化程度高的特點，比隔膜系統更富有操作彈性，更加節能、環保和安全。