40萬t/a離子膜燒堿鹽酸合成技術優化

魏占鴻，魏羚宇

（金川集團化工新材料有限責任公司，甘肅 金昌 737100）

金川集團化工新材料有限責任公司（以下簡稱公司）40萬t/a離子膜燒堿12臺鹽酸合成爐，采用循環水對氯化氫冷卻。由于新水中鈣鎂等雜質多，造成氯化氫冷卻器經常堵塞，吸效率低，還存在合成爐爆炸隱患。鹽酸合成運行中火焰監控系統不完善，水流泵抽空不易操控，易造成鹽酸儲槽變形、易燃易爆氣體富集和爆炸。正常生產中單臺合成爐開停車，抽空時空氣易進入爐內，影響安全運行。

該公司研究應用了合成爐火焰監控聯鎖、“兩級塔串聯+尾氣塔”吸收工藝、單爐開停車抽空、置換及吹掃、合成爐高效冷卻防堵等技術，提高了鹽酸合成的冷卻、吸收率和本質安全化水平，增加了鹽酸產量，延長了設備壽命，降低了檢維修費用，實現了合成爐的安全穩定運行。

1 工藝技術研究及應用

鹽酸合成采用二合一石墨合成爐，圓塊孔式降膜吸收器由上下封頭、分配頭、吸收石墨塊及冷卻夾套組成。尾氣吸收塔由石墨筒體和石墨填料環組成。通過分析工藝問題后，從4個方面進行了改進。鹽酸合成工藝流程圖見圖1。

1.1 火焰監控聯鎖技術

鹽酸合成是液氯、PVC生產企業以及液氯用戶的平衡器，起著消化尾氣、平衡液氯庫存的作用，工藝要求設備安全本質化。

1.1.1 現狀及問題

圖1 鹽酸合成工藝流程圖

鹽酸合成爐大多通過觀察火焰，調節手動閥來控制氯、氫氣流量配比，自動化水平較低。如火焰突然熄滅，手動緊急關閉氯氫給料閥并打開氮氣吹掃閥；手動調節氯氫配比不易控制鹽酸質量，停爐后打開氮氣吹掃比較滯后，存在安全隱患；生產時氯氫氣配比失調，均可能會發生事故；氫氣過量使尾氣含氫易爆炸；氯氣過量使尾氣過氯，污染環境，造成人員傷害；特別是火焰熄滅后，如不及時處理，可能會造成氯氫氣、氯化氫混合爆炸。

1.1.2 火焰監控聯鎖技術

根據鹽酸合成易出現的問題，如氯氣、氫氣安全閥突然關閉、氮氣置換閥突然打開、吸收水及循環水流量突然下降等，現場人員若不能及時處理，將會造成合成爐滅火爆炸，因此，該公司對火焰監測進行了改進。

（1）將原直接觀察火焰改為潛望鏡式。在爐體視鏡上安裝觀測點，通過潛望鏡降低觀測高度，操作室直接觀察，避免給操作人員帶來傷害。在爐體視鏡外加裝了火焰檢測器，當系統大幅波動或流量檢測失效、火焰異常時，急停合成爐。還設置了合成爐火焰熄滅聯鎖，火焰異常聲光報警，保證合成爐的安全運行。

（2）增加雙向火焰監測聯鎖系統。將原單向火焰監測改為雙向火焰監測系統，在原火焰監測系統增加一個與之垂直的監測點，實現雙向監測，當兩個監測點的火焰同時觀測不到火焰時，合成爐聯鎖緊急停爐。

（3）增加火焰視頻監測系統。將火焰監測影像引入DCS監控系統，操作人員可隨時觀察合成爐火焰顏色及變化，結合雙向火焰監測聯鎖，準確判斷合成爐的運行情況，提升合成爐的安全性能。

合成爐火焰監控聯鎖控制系統的應用，實現了現場操作與DCS系統的有效結合，保證了異常情況下合成爐安全自動停爐，提升了自動化水平和勞動生產率。

1.2 “兩級串聯吸收+尾氣吸收”工藝

1.2.1 氯化氫吸收現狀

（1）吸收原理

鹽酸合成采用二合一石墨爐與降膜吸收塔相匹配的工藝，氯化氫進口濃度10 000 mg/m3，出口濃度15 mg/m3，吸收率99%。由于使用石墨材質，受熱不均勻時易出現設備脹裂現象。氯化氫吸收系統工藝圖見圖2。

降膜吸收塔固定管板以上為氣體與吸收劑傳質的場所，由浸漬石墨封頭、穩定環和吸收劑分配器組成，固定管板以下為吸收、冷卻及氣液分離部分。

降膜吸收是傳熱、傳質和反應的過程，從反應器頂部的下降液膜吸收氯化氫，這是氯化氫從氣液界面進入液膜的過程；氯化氫吸收是放熱過程，吸收熱需要被冷卻水帶走。如降膜吸收器內液體分布不連續、不均勻就會出現干壁現象，降低傳熱傳質效率。降膜吸收塔換熱原理圖見圖3。

圖2 氯化氫吸收系統工藝圖

圖3 降膜吸收塔換熱原理圖

（2）吸收存在的問題

鹽酸合成吸收系統存在以下問題：由于純水流量波動、壓力不穩會導致酸濃度不穩定；合成反應氫氣過量，以調整氯氣流量為主調整酸濃度，吸收易出現吸收水量過小，不能充分吸收，氯化氫外溢造成污染等情況；爐壓過高，鹽酸濃度不達標，存在事故隱患。

1.2.2 “兩級串聯吸收+尾氣吸收”工藝

“兩級串聯吸收+尾氣吸收”工藝見圖4。

鹽酸濃度通過調節吸收水量、氯氣和氫氣流量來控制，吸收水量的大小影響爐壓與鹽酸濃度。為了提高鹽酸濃度，保證安全生產，從以下幾方面進行改造。

（1）在兩級降膜吸收塔后，安裝與爐壓聯鎖控制的吸收水裝置，通過監測爐壓調節吸收水量。在循環泵與尾氣塔之間設計安裝1臺自動閥，以便控制吸收水流量，并與爐壓信號聯鎖，將爐壓信號反饋給吸收水調節閥，適時控制吸收水量來穩定爐壓及鹽酸濃度。

圖4 “兩級塔串聯+尾氣塔”吸收工藝圖

（2）配置填料尾氣塔，保證尾氣達標，采用吸收水分段循環、多塔串聯提高了傳質效果，降低塔高及塔徑。

1.2.3 應用效果

實現水利現代化是一個動態發展的長期過程，不可能一蹴而就、一勞永逸。我們要深入貫徹落實科學發展觀，努力踐行可持續發展治水思路，以高度負責的態度、開拓創新的精神和求真務實的作風，團結拼搏、積極進取，奮發努力、扎實工作，全面推進水利改革創新，著力加快水利現代化建設，在新的起點上譜寫江蘇水利事業發展新篇章。

“兩級塔串聯+尾氣塔”吸收工藝的應用，提高了吸收率，穩定了爐壓及鹽酸濃度，避免了爐壓異常發生安全事故，提升了鹽酸吸收工藝自控水平。

1.3 單爐開停車抽空及吹掃技術

1.3.1 單爐開停車抽空問題

（1）單爐開停車抽空吹掃工藝。氯化氫經二級降膜吸收，一級尾氣吸收，尾氣經水流噴射器吸收微量HCl后，不凝氣經循環液槽頂部阻火器放空。

（2）水流泵問題及原因分析：尾氣吸收塔至水流噴射泵氣相管道振動大、溫度高；水流噴射泵抽酸，循環液含酸高；水流噴射管道容易凍結、堵塞，吸收系統正壓。

（3）原合成工藝未設置氮氣吹掃，停爐后通過水流噴射泵對爐內氯化氫、氫氣、氯氣抽空置換，因氯氣、氫氣均通過手動閥門操作，在異常情況下易造成合成爐爆炸。

1.3.2 單爐抽空及吹掃技術

（2）單爐開停車氮氣吹掃技術。在氯氫入口管道上加裝氮氣自動吹掃裝置，將循環水壓、爐壓等與氮氣吹掃裝置聯鎖，當工藝指標超標，需要緊急停爐時，氮氣自動吹掃，防止合成爐氯含氫超標爆炸。

圖5 風機抽空工藝流程圖

1.3.3 應用效果

合成爐點爐前抽負壓30 min，確保爐內負壓，正常生產后即可停風機，提升了合成爐本質安全化性能。

1.4 合成爐高效防堵冷卻技術

1.4.1 循環水冷卻問題

（1）合成爐爐體設置冷卻水套，冷卻水下進上出，生產時石墨爐體完全浸泡在水中。

（2）循環冷卻水水質標準：水量應根據最大小時用量確定，溫度應根據工藝要求并結合氣象條件確定；冷卻水側管壁的污垢熱阻值和腐蝕率應按工藝確定。循環冷卻水的水質標準表見表1。

表1 循環冷卻水的水質標準表

（3）循環水水質指標（見表2）

由表2看出，循環水中鈣離子及懸浮物超標，這些雜質在高溫環境中易結垢，堵塞爐體水道，降低換熱效率。

1.4.2 高效防堵冷卻技術

該公司地處西北，風沙大，循環水水質不好，含鈣高，大量泥沙沉積在爐體夾套和氯化氫冷卻器中（尤其是底部兩節），爐壁冷卻水流道孔易堵死，影響水流動及換熱，形成干燒，造成爐壁裂紋，石墨塊脫落，爐體漏水等。

（1）高效防腐防堵冷卻技術

對3臺合成爐的冷卻系統進行了改造：

a.增加獨立冷卻水系統，分別進入合成爐燃燒段夾層和氯化氫冷卻器，冷卻水由循環水改為純水，增加純水管線。設62.8 m3純水中間槽，2臺揚程41 m，流量302.4 m3/h純水泵，純水經換熱器與循環水進行換熱，將純水冷卻至20℃。通過2根DN200管道分別進入合成爐燃燒段夾層和氯化氫冷卻器，冷卻后純水回到中間槽循環利用。純水冷卻系統工藝流程圖見圖6。

圖6 純水冷卻系統工藝流程圖

b.純水經換熱器與循環水換熱，在原設計中循環水主管道加裝換熱器，原設計循環水進合成爐管道改為純水管道。

c.改造合成爐夾套和氯化氫冷卻器，按3臺合成爐滿負荷計算，所需純水量為 70×3×1.2=252（m3/h），純水的流速按u=2（m/s）計算，所需純水管道為D=SQRT（（4×252/3.14/3600/2））×1 000=211，管徑選取DN250，機泵額定流量 252×1.2=302.4（m3/h）≈300（m3/h），揚程41m（h＝D+S+hf1+hf2+h3+Pd－Ps=13.9+0+5+8+10+0-0=36.9（m），36.9×1.1=40.59（m）。

表2 2014年1-12月循環水平均水質表

（2）純水與循環水自動切換工藝

設計了純水與循環水的自動切換，通過聯鎖切換實現合成爐的穩定生產，規避了合成爐爐體干燒爆炸的風險。

為保證在合成爐冷卻純水壓力低時，循環水能及時介入，保持冷卻水不斷流，在純水-循環水換熱器的循環水入口連通一旁路，并加裝A、B兩道自控閥，在換熱器純水入口處C點設置水壓檢測點，并與自控閥A、B聯鎖，當C點水壓小于設定壓力時，自控閥B打開，自控閥A關閉（正常狀態為A開啟，B關閉），循環水通過旁路進入合成爐冷卻水管道，保證合成爐的冷卻水。當純水壓力故障排除后，自控閥A開啟、B關閉，切回到純水冷卻合成爐。此時純水中間槽混入了一部分循環水，須置換后方可正常循環。純水與循環水自動切換聯鎖圖見圖7。

圖7 純水與循環水自動切換聯鎖圖

（3）應用效果

高效防堵冷卻技術解決了石墨合成爐冷卻水因含鈣高、泥沙量大，造成爐壁水側結垢、夾套內冷卻水流道孔被堵死，換熱效率低損壞爐體的問題，純水在純水罐與合成爐冷卻系統無損失循環，降低了水消耗，降低了停爐次數，備件及維修費用。

2 主要工藝改進點

2.1 合成爐火焰監控聯鎖技術

針對單向火焰監控，火焰偏移時易造成錯誤觸發滅爐聯鎖的狀況，應用了雙向火焰監控聯鎖技術，當兩個垂直監測點的火焰同時熄滅可執行滅爐程序，實現了火焰準確監測；將火焰由視鏡觀察改為潛望鏡后，降低了人員的勞動強度和安全風險。

2.2 “兩級吸收+尾氣吸收”技術

針對氯化氫吸收率低的情況，應用了兩級串聯與爐壓聯鎖的吸收水控制裝置，提高了吸收率。應用了石墨填料尾氣吸收塔，保證尾氣達標排放。

2.3 單爐開停車抽空及置換技術

針對開啟單臺合成爐抽空不理想、爐壓波動及停車后氮氣吹掃不及時的問題，應用了單爐開停車風機抽空及氮氣吹掃工藝，避免了點爐時抽空不完全造成爆炸的風險，實現了異常情況下合成爐的緊急停爐和自動吹掃。

2.4 合成爐高效防堵冷卻技術

針對循環水造成爐壁水側結垢嚴重的現象，應用了純水冷卻降溫工藝，純水與循環水聯鎖自動切換，提高了冷卻效率，排除了合成爐干燒爆炸的隱患。

3 結語

公司針對40萬t/a離子膜燒堿鹽酸合成運行中火焰監控不完善、吸收效率不佳、單爐開停車抽空不理想、吹掃不及時、冷卻系統頻繁堵塞等問題進行了2年的研究。成功應用了合成爐火焰監控聯鎖技術，防止了滅爐聯鎖頻繁執行，提高了作業率；“兩級塔串聯+尾氣塔”工藝保證了氯化氫吸收率；單爐開停車風機抽空與氮氣吹掃技術，避免了爆炸性氣體的產生，增強了開停車的安全性。優化了鹽酸合成工藝技術，尾氣達標率100%，爐含氫合格率達98%以上，延長了設備壽命，保障了合成爐的安全穩定運行。