氯化氫石墨合成爐運行經驗

宋旭東，羅莎，任素萍

(內蒙古鄂爾多斯電力冶金集團股份有限公司氯堿化工分公司,內蒙古 鄂爾多斯 016064)

內蒙古鄂爾多斯集團電力冶金股份有限公司氯堿化工分公司(以下簡稱“氯堿化工公司”)2012年建成投產，燒堿生產能力為30萬t/a，PVC生產能力40萬t/a。配套的氯化氫合成裝置采用了南通某公司二合一石墨合成爐及配套吸收制酸裝置。該工藝采用的合成爐為分體式石墨爐，共7臺，開6備1。燃燒段采用純水作為冷卻介質，副產0.4 MPa蒸汽。冷卻段采用列管換熱器串聯分體式冷卻器，以循環水作為冷卻介質，由冷卻器底部進入，從冷卻水槽頂部溢流無壓回水。該分體式石墨合成爐主要特點是：檢修方便，可分別針對爐體、冷卻列管和冷卻器進行檢修維護；但占地面積較大，須增加土建投資。另外因為冷卻水槽為無壓回水，因此須增加一套循環回水收集系統，對循環回水加壓后并入管網。

1 氯化氫合成裝置工藝流程

1.1 氯化氫合成工藝流程

來自氯氫處理工序的原料氫氣、氯氣(及液化尾氣)分別進入氫氣、氯氣緩沖罐，經過氫氣、氯氣總管分配后分別進入7臺二合一石墨合成爐。氯氣、氫氣在合成爐燈頭按1∶(1.05～1.10)的比例混合燃燒，生成的氯化氫由合成爐上部送出，經浸沒在氯化氫冷卻水槽中的石墨列管進入石墨冷卻器冷卻后，純度達到94%～96%(質量分數)，溫度降低到≤35 ℃。一部分進入氯化氫總管1，經成品氯化氫冷卻器后，按需求量送往VCM工序。一部分進入氯化氫總管2，分別進入2套吸收裝置制備自用高純鹽酸。總管1和總管2之間設有連通調節閥，正常送氣條件下通過此閥分流少量氯化氫氣體制高純鹽酸。若后系統生產異常需要大量切回制酸時，送往總管1的氯化氫通過單臺爐出口調節閥進入氯化氫總管3分別導流進入2套事故吸收裝置制酸。

1.2 高純鹽酸工藝流程

用于制酸的氯化氫氣體經由氯化氫總管1上的調節閥進入氯化氫總管2，或由單臺爐直接進入總管2，再由總管2進入高純鹽酸吸收系統一級降膜吸收器的上部，與來自二級降膜吸收器的稀酸從管內自上而下進行并流吸收生成成品鹽酸；成品鹽酸從一級降膜吸收器的底部流入鹽酸液封罐，然后流入鹽酸中間槽。未被吸收的氯化氫氣體經返氣管由二級降膜吸收器的上部進入，與來自尾氣吸收塔的稀酸從管內自上而下進行并流吸收生成稀鹽酸，稀鹽酸從二級降膜吸收器的底部流出經U形彎液封后進入一級降膜吸收器上部。未被吸收的氯化氫氣體經返氣管由尾氣吸收塔的底部進入，與循環液槽(吸收水罐)來的酸性水在塔內自下而上進行逆流吸收，廢氣經過風機排入大氣。生成的稀鹽酸從尾氣吸收塔的底部流出，經U形彎液封后進入二級降膜吸收器上部。鹽酸生產工藝流程如圖1所示。

圖1鹽酸生產工藝流程示意圖

Fig.1Processflowdiagramofhydrochloricacidproduction

2 生產過程中遇到的問題及解決措施

2.1 燈頭優化

合成爐投入使用后，系統基本滿足生產要求，但是時常出現游離氯超標的問題。分析認為主要是由燈頭的質量狀況及結構影響的。

合成爐燈頭是氯氣、氫氣在合成爐內燃燒過程中重要的設備，其結構決定了進入爐內的氣體是否能夠混合均勻完全參與合成反應。燈頭破損、堵塞，或是燈頭結構不合理，都會導致合成爐火焰不穩定、頻繁抖動，嚴重時會造成游離氯超標引發事故。目前行業上采用的燈頭結構主要分為兩種：一種是2層燈管的橫噴式結構，一種是3層燈管的直噴式結構。

氯堿化工公司原采用的燈頭是石英玻璃材質的3層燈管，燈頭中心燈管為氫氣，中間層燈管為氯氣，最外層燈管為氫氣(如圖2所示)。

圖23層燈頭照片

Fig.2Photoofathree-layerburner

這種燈頭在安裝過程中必須保證燈管與燈座之間密封可靠，由于燈座材質為鋼襯聚四氟乙烯，燈頭材質為石英玻璃，安裝過程中極易受外力而損壞燈管。氯堿化工公司在廠家的指導下使用軟的膨化聚四氟乙烯帶作為密封填料。將膨化聚四氟乙烯帶撕成細條，塞入燈管與燈頭底座之間的縫隙，用扁平的竹篾搗實。在搗實的過程中，不斷地測量燈管與燈管(3層燈管)的間距，保持4個方向的間距一致，確保燈管垂直安裝。這種形式的燈頭利用3層套管的長度不同，進行錯落安裝，內層套管最低，中間層套管比內層高3 cm，最外層比中間層高10 cm。這種結構的優點是：混合區較長，可以較充分地混合進爐的原料氣體。缺點是：采用直噴式進料方式，當運行負荷低時，進料量較小、氣體流速低，氫氣、氯氣不能充分混合，易出現不完全燃燒現象，產生游離氯。

鑒于此，氯堿化工公司對燈頭進行了改造，將3層燈管的直噴式進料方式改為2層燈管的橫噴式進料。2層燈頭中間層為氯氣，外層為氫氣。中間層采用直筒式燈管，頂部設計為球形頂蓋，頂蓋均勻分布有64個Φ20的圓孔(如圖3所示)。優點在于：不論合成爐負荷大或是小，氫氣流向上直噴，氯氣流多方向橫噴射入氫氣流中，氫氣與氯氣相互交錯碰撞，能夠充分混合，完全參與燃燒反應。

圖3 2層燈頭照片

2017年9月檢修期間，氯堿化工公司對1臺合成爐進行改造試驗，經過半年的試驗運行(試驗數據如表1所示)，改造后的燈頭能夠完全滿足各種負荷下的生產需要，進爐氣量大小及氯化氫純度均不受影響。2018年4月，對其余6臺爐進行全面改造。

2.2 事故吸收系統優化

氯堿化工公司7臺合成爐的HCl生產能力為130 t/d,配置7套高純鹽酸吸收裝置。其中2臺小吸收裝置作為正常生產時制備自用高純鹽酸，每套吸收HCl能力為1 500 m3/h。5臺大吸收裝置作為異常情況時備用,每套吸收HCl能力為3 500 m3/h。

表1 更換燈頭后合成爐不同負荷下的運行數據

原設計中單臺爐氯化氫氣體進入事故吸收總管3用手動蝶閥控制操作，總管3分別進入5套吸收系統也是用手動蝶閥控制操作。當后系統VCM工序或乙炔工序生產發生異常時，對氯化氫系統的沖擊一般具有突然、量大、量不確定等特點，這就需要吸收系統短時間內快速、大量吸收氯化氫。倘若不能快速、大量、平穩、可靠地將氯化氫氣體切回制酸，整個生產系統必將產生大幅波動，往往由于波動過大無法迅速回穩，造成系統被動。系統優化前出現類似生產波動時，操作人員往往無法及時打開多臺手動閥門，導致系統大幅波動，或者即使打開了閥門，由于量的不可控性，系統仍然大幅波動，發生停車事故概率極高。鑒于此，氯堿化工公司在2017年大修時對事故吸收系統進行了技術改造，在原有的手動蝶閥3、4后面增加了自動調節閥③、④(如圖4所示)，正常時保持手動蝶閥全開、自動調節閥關閉狀態。 一旦發生緊急情況，DCS主控人員觀察爐壓及總管1的壓力變化，逐臺打開閥③、關閉閥1，根據切回制酸氯化氫流量確定打開一套或多套事故吸收系統的閥④，并對應加入吸收水即可完成操作。改造后，當系統發生緊急切酸的狀況時，操作人員的應急處理操作時間大大縮短，可操作性、可控性顯著提高，在處理過程中主控人員可以隨時觀察各種數據變化，及時作出調整，系統平穩性得到大幅提高，再未因此發生停車事故。

2.3 石墨塊重新浸漬

合成爐石墨塊正常情況下一般能使用五六年。由于爐體長期高溫運行，合成爐石墨塊內浸漬的樹脂會逐漸損失，樹脂的損失會降低浸漬石墨的密度和耐熱性，并降低抗壓強度、拉伸強度和抗彎強度，進而影響石墨塊使用壽命。2018年4月，氯堿化工公司開始對合成爐逐臺進行全面解體，清洗維護并對石墨塊重新浸漬樹脂。拆下的石墨塊運回原廠進行浸漬樹脂，其過程主要包括：①對舊石墨塊進行打壓檢測，確認塊孔間無穿孔泄漏；②采用高壓水槍對石墨表面及換熱孔內的雜質及水垢進行沖洗；③使用化學清洗劑浸泡洗滌石墨塊內、外壁的酸性、堿性結垢物；④對石墨塊有破損或裂痕的地方進行修補；⑤石墨塊逐個放入浸漬釜內，加入樹脂后抽真空進行浸漬，浸漬過程中使用導熱油對釜體加熱，高溫浸漬48 h；⑥對出釜的石墨塊進行表面樹脂瘤處理，檢查樹脂浸透后放入烘干釜加熱到正常使用工況溫度，進行烘烤；⑦組裝打壓合格后送回現場。

圖4 氯化氫氣體工藝流程示意圖

2.4 合成爐備用方式優化

氯堿化工公司共有7臺合成爐，正常情況下開6備1。由于氯堿化工公司地處內蒙古西部地區，冬季極端氣溫可降到-26 ℃，備用合成爐的管線及夾套水極易結凍。一旦生產中某臺合成爐出現問題，備用爐無法及時投入使用，往往造成電解降量運行，給安全穩定運行帶來較大風險。氯堿化工公司根據生產實際情況對合成爐備用方式進行了優化，將備用合成爐點火，7臺合成爐同時運行。這樣做的優點：①可以均攤生產運行負荷，7臺爐同時運行時，每臺負荷可降低到6臺爐滿負荷時的85%左右，低負荷運行有利于延長設備使用壽命；②一旦某臺爐出現問題，則可及時停車進行維護，其他6臺爐提量運行，避免降量帶來產量損失和安全風險；③解決冬季備用爐的夾套水防凍問題。

2.5 觀察火焰視鏡沖洗裝置

觀察合成爐運行過程中火焰顏色，是一種有效、快捷地判斷氯化氫純度的方式。但是合成爐運行一段時間后，火焰觀察視鏡上的附著物增多，火焰觀察不清，給安全生產帶來極大的風險。氯堿化工公司利用停爐檢修的機會，分析了視鏡上的固體附著物，附著物的主要成分為氯化鈉、氫氧化鈉等。分析認為，這是由原料氣中帶入的微量堿霧和鹽霧形成的。如果從源頭解決此問題，須增加一套氣體除霧凈化裝置，但投資費用過高。調研了解，陜西某公司在視鏡內加裝了一套水沖洗裝置，定期對視鏡內壁進行沖洗，使用效果良好。氯堿化工公司隨即組織人員進行實地走訪，參照尺寸制作了一個聚四氟乙烯的套環，安裝在合成爐石墨口與視鏡之間，在套環上加裝進水閥，使用時連接水管對內壁視鏡進行沖洗[1]。安裝視鏡沖洗裝置后，改善了火焰觀察條件，極大地提高了合成爐運行安全系數，并且避免了頻繁停爐進行視鏡清洗帶來的操作風險和產量損失。

3 結語

通過與同行交流，并進行學習，氯堿化工公司對合成爐及配套的鹽酸裝置進行了技術優化。優化后，整套裝置運行良好，安全系數得到了提高。