鎂電解氯氣凈化系統的優化研究

周云英，石玉英

（攀枝花鋼企欣宇化工有限公司，四川攀枝花 617000）

·環 保·

鎂電解氯氣凈化系統的優化研究

周云英，石玉英

（攀枝花鋼企欣宇化工有限公司，四川攀枝花 617000）

主要針對多極鎂電解槽生產氯氣凈化系統存在的除塵效率低、效果差及氣體夾帶酸霧多等問題進行了分析，并采取布袋除塵前增加重力沉降箱、優化硫酸洗滌塔淋洗用泵及管道結構、優化布袋除塵器用布袋材質，改變除沫器除沫絲網網孔直徑等措施，將多極鎂電解槽生產氯氣中的粉塵由優化前的400μg／g降至目前的10μg／g以內；氯氣夾帶硫酸酸霧由優化前的700μg／g降至目前的100μg／g以內，使氯氣質量達到了氯化工序制備粗TiCl4和液化系統對氯氣質量的要求，大大降低濃硫酸及氯壓機泵備件的消耗、避免了對氯氣液化系統的堵塞和腐蝕嚴重等問題，降低了氯氣凈化系統的運行成本。

鎂電解；氯氣；凈化處理；優化

多級鎂電解槽生產氯氣，從電解槽出來的氯氣溫度為150℃左右，并伴有0.1%～0.3%的電解質升華物及微量水蒸氣、鹽霧和少量有機物等雜質，所以電解氯氣出來后，先經過布袋除塵器對其攜帶的電解質升華物進行過濾除塵，然后進入硫酸洗滌塔進行噴淋洗滌，其主要目的是洗去氯氣中夾帶的電解質升華物和少量的有機雜質，并將氯氣溫度由原來的150℃降至常溫。2011年6月，攀枝花鋼企欣宇化工有限公司建成了6 000 t／a金屬鎂規模的多極鎂電解槽技術產業化生產線，由于前期存在開槽數量、生產組織等問題，不可能一次性達到設計產能，同時，在工藝管道設計及安裝、部分設備如布袋、絲網除沫器的結構選型等方面存在一些問題，導致了氯氣凈化效果不佳，凈化后的氯氣中電解質粉塵含量較高（最高時達到400μg／g）、硫酸含量最高時達到700μg／g，導致濃硫酸消耗量大、氯壓機泵備件更換頻繁、對氯氣液化系統的堵塞和腐蝕嚴重等問題，在氯化工序故障或檢修停產期間，直接影響了鎂電解工序及還蒸工序的正常生產。本文主要針對該公司多極鎂電解槽電解氯氣凈化處理過程中所采取的措施及方法進行分析探討。

1 多極鎂電解槽電解氯氣凈化處理工藝

該公司多極鎂電解槽優化后的氯氣凈化系統工藝流程如圖1所示。

從圖1可以看出，該公司多極鎂電解槽產出氯氣處理工藝比一般的鎂電解氯氣處理工藝增加了一級重力除塵室和硫酸淋洗除塵，從而更好地凈化了鎂電解氯氣，為液環式氯氣壓縮機的穩定運行提供了保證，同時提高了除沫器終端出口氯氣的純度。

2 多極鎂電解槽電解氯氣的凈化處理系統優化措施

由于多極鎂電解槽具有充分的密閉性及可自動調節控制槽溫的功能，使得離槽陽極氯氣的體積濃度一般都大于96%，氯氣中的電解質揮發份粉塵含量相對無隔板電解槽產出的離槽陽極氯氣低很多，一般在0.1%～0.3%，其余含有少量的氯化氫、氬氣及空氣等（見表1），因此，在多極鎂電解氯氣凈化處理整個流程中同樣必須全封閉，以確保除沫器出口氯氣體積濃度仍能保持在96%及以上。

2.1 重力降塵室的應用

離槽陽極氯氣流經總管過程中，僅10%左右的電解質揮發份粉塵隨氯氣溫度的下降緩慢沉積在管道內中，而90%或以上的電解質揮發份粉塵則進入布袋除塵器。為降低布袋除塵器處理負荷，保證氯氣濃度，采取在布袋除塵器前的氯氣總管上各增加了一套重力降塵室進行粉塵預處理，降低進入布袋氯氣夾帶的粉塵濃度［3］。

圖1 優化后氯氣凈化系統工藝流程圖

表1 多極鎂電解槽離槽陽極氯氣成分

由于受生產現場實際空間位置及不停產的影響，增加的重力降塵室進出口管徑及高度只能采用原氯氣總管管徑350 mm及標高2 m，長度和寬度最多只能定格為4 m和1.5 m，從而限制了重力降塵室的結構尺寸，造成該重力降塵室的除塵效率相對偏低，但卻很大程度地降低了布袋的處理負荷。重力降塵室增加前后布袋前除塵效率比較見表2。

表2 重力降塵室增加前后布袋前除塵效率

2.2 布袋除塵器布袋材質的優化選用

由于鎂電解氯氣具有溫度高（約90℃）、酸腐蝕性強（Cl2、HCl等）以及含有微米級電解質細粉塵（MgCl2、CaCl2、NaCl）等特點（見表3），對過濾布袋材質的選擇及布袋除塵器各法蘭連接或盲堵處的密閉性要求均比較高，另外，反吹用的氣體必須干燥且不與氯氣及雜質反應。

表3 多極鎂電解槽電解氯氣中粉塵成分

為此，在布袋材質方面，公司先后選用了如表4所示的滌綸針刺氈、PPS、玻璃纖維針刺氈和PTFE的不同材料布袋進行試用；并嚴格按一級壓力容器制作要求進行制作布袋除塵器設備，且在使用前嚴格打壓試驗合格后方投入運行；反吹氣體該公司初設為壓縮空氣，在運行過程中由于空壓機干燥系統運行不正常，造成出口露點一般在－10～＋10℃，遠遠高于反吹氯氣要求的壓空露點－40℃，導致氯氣中電解質粉塵水解而腐蝕布袋及筒體、骨架等，為消除反吹氣體中水分造成的影響，最后該公司將反吹氣體更改為干燥潔凈的氬氣。表5為幾種型號布袋運行后的除塵效率比較。

表4 不同型號布袋的基本參數

從表4和表5可以看出，滌綸針刺氈、PPS、玻璃纖維針刺氈和PTFE四種型號布袋的運行結果表明：PTFE布袋具有更好的透氣性和耐高溫及除塵效率高等特點。

2.3 硫酸淋洗用循環酸泵及管道的優化

該公司硫酸淋洗塔（循環用硫酸成分見表6）為1級淋洗的填料塔，該塔進酸管中心線距塔底0米線高度為8 886 mm，距進氣管中心線為3 650 mm，填料凈空高度為2 000 mm，噴頭為BCB－703－08標準。由于硫酸淋洗用酸循環泵及管道存在匹配不合理的問題，在實際運行中出現酸循環過程中流量小，噴淋力度不足，噴淋效果差等現象。

表7為優化前后的硫酸循環泵及其管道的參數情況，從表7可以看出，原安裝配備的循環酸管道，硫酸流速過大，遠遠超出一般經驗設計范圍：1～3 m／s［4］，泵出口壓力小于系統的壓力損失，這樣造成硫酸進入噴頭時的壓力過小，噴頭霧化效果差，淋洗效果不好。而優化后管道內的硫酸流速在經驗設計范圍內，選用的循環泵出口壓力遠遠大于系統的壓力損失，可以大大提高硫酸進入噴頭時的壓力，提高噴淋循環酸量和噴淋效果。表8為硫酸淋洗用泵及管道優化前后循環酸流量及噴淋比面積的比較。

表6 淋洗用硫酸成分

表8 硫酸淋洗用泵及管道優化前后對比

2.4 淋洗塔內部結構的優化

原硫酸淋洗塔為填料塔，填料主要作用是增大氯氣和硫酸的接觸面積和時間，提高淋洗效果。但在使用過程中發現：硫酸淋洗氯氣過程中，電解質（MgCl2、CaCl2、NaCl）微細粉塵與硫酸反應生成的硫酸鹽在硫酸循環過程中逐漸富集，易粘附填料表面，經常造成填料堵塞、清理更換頻繁。為此，在提高布袋除塵效率及硫酸噴淋洗滌效果的基礎上，取消了塔內的填料，改為空塔，從而解決了上述問題。

電解質粉塵與硫酸反應式如下：

2.5 氣液分離器內部結構的優化

氣液分離器的主要作用是將氯壓機出口的氯氣－硫酸混合體進行有效分離，氯氣經分離器上出口至氯氣分配器，硫酸則留在分離器內作為氯壓機液環的循環液用。在運行過程中發現：氣液分離器內的酸在循環過程中不斷減少，而氯氣分配器正壓腔及除沫器內的酸量則逐漸增加，為確保生產正常運行，必須定期人工排出氯氣分配器正壓腔及除沫器內積酸，勞動強度和安全隱患大，同時，造成除沫器除沫負荷大，除沫效果差。經分析，主要是由于該氣液分離裝置雖采用的是旋風分離原理，氣體出口管插入腔內深度為筒體內徑的10%，基本滿足旋風分離原理的要求，但由于液環式氯壓機出口基本在0.15～0.20 MPa，出口管插入腔內深度不足，造成混合體中的硫酸來不及分離就隨氯氣進入氯氣分配器。將氣液分離器出口管插入分離器內深度由100 mm延長至300 mm后，經氣液分離裝置后氯氣－硫酸混合體的分離效果由最初的80%提高至95%及以上。

2.6 除沫器除沫絲網結構及材質的優化

適宜的操作氣速是金屬絲網除沫器取得高效率的重要因素。氣速太低時，霧粒成漂浮狀，沒有撞擊網絲，即會隨著氣流通過絲網；氣速太高時，聚集的霧滴不易從絲網上降落，又被氣流重新帶走。設計氣速影響因素很多，有氣體和液體的密度，液體的表面張力、粘度、絲網比表面積，以及氣體中的霧沫量。其中以氣體和液體的密度影響最大。

氯氣除硫酸酸霧的最大允許氣速經驗公式［5］：

式中：ρl為濃硫酸密度／kg·m－3；ρg為氯氣密度／kg·m－3。

穿過金屬絲網的最佳氣速控制為經驗值：0.4～0.6Umax。據此該公司氯氣除硫酸酸霧的理論上最佳氣速應為1.03～1.54 m／s。

在設計安裝除沫器時，該設備的規格型號均按滿負荷生產氯氣產能，即580～720 m3／h，則穿過金屬絲網氣速為：

式中：V為公司滿負荷生產時的氯氣流量／m3·h－1；D為除沫絲網的直徑／m。

由于在實際生產過程中存在很多客觀的問題，往往實際產出的氯氣流量會小于465 m3／h，在不改變絲網直徑時穿過絲網的氣速將小于1.03 m／s，造成氣速偏低，酸霧未撞擊絲網則隨氣流穿過絲網。

為提高氯氣經過絲網除沫器的操作氣速，直接采用在絲網上下面各鋪上一塊環形擋板（耐沖刷、耐腐蝕材質）的簡單、便捷的方式來實現［6］（結構示意圖如圖2所示）。同時，為提高霧滴與絲網之間的碰撞頻次和提高使用壽命，將絲網除沫器型號由S400－100 SP 20／20改為S400－200 DP 316L／316L［7］，即絲網厚度增加100 mm，絲網致密度由普通型改為高效型，材質由普通20鋼改為316L合金。環形擋板的尺寸可根據氯氣流量變化來進行調節。

圖2 除沫絲網加環形擋板的示意圖

優化前后的參數對比見表9，從表9可以看出，通過改進除沫器絲網的結構，使得在同等氣速下夾帶酸霧的氯氣經除沫后的氯氣中硫酸雜質含量明顯降低，除沫效率明顯提高。

3 結 論

1.多極鎂電解槽產出的氯氣，在凈化系統中增

表9 除沫器絲網優化前后氯氣中硫酸含量及除沫效率的對比

加重力沉降室，布袋除塵效率可以上升12%。

2.鎂電解氯氣除塵布袋材質應選用PTFE。

3.硫酸洗滌塔用酸循環泵及管道要根據氯氣流量配套使用。

4.氯氣通過除沫器絲網的最佳氣速要控制在1.03～1.54 m／s。

5.對整個氯氣凈化系統設備及工藝的大量優化研究改造，大大提高了氯氣凈化系統的凈化效果，使凈化后的氯氣中粉塵含量降低到10μg／g以內，硫酸降低到100μg／g以內，達到了氯化工序制備粗TiCl4和液化系統對氯氣質量的要求。

［1］ 張永健.鎂電解生產工藝學［M］.長沙：中南大學出版社，2006.

［2］ 孟奇.電解鎂生產中的氯氣處理［J］.輕金屬，1998，（6）：38－40.

［3］ 李茹雅，祁君田，殷煥榮，等.布袋除塵器過濾效率影響因素研究［J］.熱力發電，2012，（1）：6－7.

［4］ 朱家驊，葉世超.化工原理［M］.北京：科學出版社，2005.

［5］ 史金奇.干燥塔金屬絲網除沫器在低速下的實踐和認識［J］.硫酸工業，1994，（6）：26－27.

［6］ 葛光恩.干燥塔除沫器改進［J］.硫酸工業，1991，（1）：58－59.

［7］ HG／T2168－1998，絲網除沫器標準［S］.

The Optim ization of Chlorine Purification System in M agnesium Electrolytic

ZHOU Yun-ying，SHIYu-ying
（Panzhihua Gangqi Xinyu Chemical Industry，Panzhihua 617000，China）

This article analyzed chlorine purification system｀s problems in magnesium electrolyzer producing process，such as low efficiency of dust removal and gas smuggles acid mist.By adding gravity settling before dust removal，optimizing leaching pumps and pipe structure in sulfuric acid scrubbing tower，changingmaterial quality of the bag filter andmesh diameter of screenmesh in demister，dust capacity in chlorine dropped to less than 10μg／g from 400 μg／g.Sulfuric acid mist capacity in chlorine dropped to less than 100μg／g from 700μg／g，and chlorine qualitymet requirements for both chlorination process producing titanium tetrachloride and liquefaction system，which significantly reduced the consumption of concentrated sulfuric acid and chlorine compressor pump spare parts，avoided problems of blocking and serious corrosion of chlorine liquefaction system，and reduced operating cost of chlorine purification system.

magnesium electrolytic；chlorine；purification system；optimization

X781.1

：A

：1003－5540（2014）06－0064－04

2014－09－16

周云英（1971－），女，工程師，主要從事鎂電解技術工作。