磷酸三鈉在氯化氫合成爐蒸汽系統中的應用

宋繼申，陳祥輝，朱文凱

（山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧273500）

山東魯泰化學有限公司采用離子膜電解法制堿工藝和濕式電石法生產聚氯乙烯樹脂，設計生產能力分別為36 萬t/a 燒堿和37 萬t/a PVC 樹脂。

1 副產蒸汽生產工藝

該公司氯化氫合成工段共有7臺生產能力為150 t/d 的組合式氯化氫石墨合成爐（副產蒸汽），年產蒸汽超過18 萬t。鹽酸工段二期合成爐整體結構分三段：燃燒段、蒸發段和冷卻段，每臺合成爐配有一臺閃蒸罐。原料氯氣、氫氣從爐底進入，在氯化氫合成段混合反應燃燒，反應后的高溫氯化氫氣體向上經過兩段冷卻至45 ℃以下后輸出。

合成爐中副產蒸汽系統由閃蒸罐、 鍋爐水補充槽、鍋爐水補水泵和合成爐蒸發段構成。氯氣與氫氣燃燒時放出的熱量，主要由合成爐蒸發段循環熱水吸收，產生的過熱水，由蒸汽閃發罐釋放蒸汽，經調節閥穩壓至0.45 MPa 的低壓蒸汽送往聚氯乙烯車間聚合干燥工序和電解工段。來自聚氯乙烯車間聚合干燥工段的蒸汽冷凝水進入熱水箱，經鍋爐給水泵加壓經調節閥進入合成爐蒸發段底部，經爐體加熱進入蒸汽閃發罐，加熱后的汽水混合物在蒸汽閃發罐內進行汽水分離，蒸汽經壓力調節閥送往界外，蒸發后的溫度略低的熱水由于在流體密度差的作用下進行自循環，以保持蒸汽閃發罐液位正常。

2 生產現狀

在副產蒸汽系統運行中，由于閃蒸罐液位控制不穩定，波動大，鍋爐水水質不達標等諸多因素，導致過熱水混合物對副產蒸汽系統腐蝕明顯，對蒸汽生產及合成爐正常運行造成嚴重影響，平均每兩年就要對合成爐蒸汽出口彎頭、 合成爐出口蒸汽管道等部位進行一次更換。大幅降低了合成爐安全運行周期，嚴重制約了企業效益。

3 項目內容及實施步驟

3.1 合成爐蒸汽系統腐蝕、損壞原因分析

3.1.1 氣蝕

由于副產蒸汽氯化氫合成爐采用間歇性補水，造成閃蒸罐液位波動大，且影響合成爐內溫度和蒸汽壓力，造成合成爐內冷卻水溫度變化，在蒸汽系統內有氣泡溢出。這些氣泡伴隨著熱水一起向閃蒸罐流動，其間隨著外界壓力的減小，氣泡會發生破裂，沖擊設備和管道，形成氣蝕，在水汽流動過程中沖刷管壁，導致管壁變薄而發生泄漏。閃蒸罐液位波動大，液位上限過高，高于過熱水回水管時，影響過熱水流動速度，造成合成爐蒸發段熱量積聚，降低合成爐運行周期。

3.1.2 電化學腐蝕

經過對副產蒸汽系統鍋爐水進水pH 值長期跟蹤檢測發現，進水pH 值略低，為6.3～6.7。由金屬腐蝕理論[1]可知，碳鋼的腐蝕速度隨過熱水的pH 值的增大而降低。反之，pH 值越低，碳鋼的腐蝕速率越快。蒸汽系統殼程的內表面出現不同程度的腐蝕，外觀呈現大量的麻點坑，凹凸不平，管道上部比下部尤為明顯。碳鋼金屬表面不均勻，存在著大量以微小的電極形式存在的微電池。當與過熱水汽混合物接觸時，由于水的導電性和水的溶解氧從而產生氧化還原反應[2]。

3.2 提出解決方案

首先對過熱水水質pH 值略微偏低進行調整，在合成爐蒸汽系統中加入緩蝕劑，將水質變成軟水，控制pH 值9.0～10.0，規避上述腐蝕現象。其次是改變液位計形式，避免由于沉積物帶來的液位計量不準確的問題，避免合成爐因缺少過熱水出現的干燒致石墨爐體炸裂現象。

3.3 鍋爐水管道增加緩蝕劑加藥裝置

緩蝕劑是一種在低濃度下能阻止或減緩金屬在環境介質中腐蝕的物質。緩蝕劑又叫作阻蝕劑、阻化劑或腐蝕抑制劑等。緩蝕劑保護技術已經發展為一項重要的防腐蝕技術，廣泛用在石油、冶金、化工、機械制造、動力和運輸等部門[3]。

磷酸三鈉作為一種廉價的陽極型緩蝕劑，1%的水溶液pH 值為11.5～12.1，能與硬水中的鈣、鎂鹽反應，成為不溶性的磷酸鈣和磷酸鎂鹽。此外，還具有滲透和乳化作用，能增加水的潤濕能力，多余的磷酸三鈉，能將已結的鍋垢部分變成松軟而脫落，是涂去硬的表面和金屬表面上污垢的極好洗滌劑[4]。

該公司鍋爐補水箱是由原循環水箱改造而成，本身不具備定時排污系統，為避免水箱底部沉積大量沉淀物，堵塞補水泵，導致補水異常或損壞補水裝置。經過探討，決定在鍋爐補水泵進口管道上安裝加藥補充管。

（1）在鍋爐水泵進口管道處安裝磷酸三鈉加藥裝置。單元組合式加藥裝置，主要有計量溶液箱、計量泵、過濾器、安全閥、止回閥、等組成一體化安裝在一個底座上。將組合式加藥裝置安放在加藥間，將進水口、出藥口接好并接通電源即可啟動投入運行。

（2）每兩天一次在閃蒸罐液位計處取過熱水分析樣測量pH 值，當pH 值低于9時，定量1 kg/次加磷酸三鈉調節pH 值，控制pH 指標在9.0～10.0 范圍內。石墨設備耐堿性稍弱，pH 值控制過高，對石墨塊材的酚醛樹脂運行周期產生分解影響。

（3）在鍋爐水出口管道上增設遠傳pH 計至DCS操作電腦，由中控人員即時監測，并與現場實測數值進行對比測量。

（4）按時對合成爐副產蒸汽系統易漏部位每月用便攜式測厚儀進行一次壁厚測量，在每臺合成爐取一個部位，同時測量四個點，每月測量一次，對壁厚數據進行分析比對，得出易漏部位受腐蝕程度和磷酸三鈉緩蝕效果。6臺合成爐同一部位加入磷酸三鈉半年測量值見表1。

表1 6臺合成爐同一部位加入磷酸三鈉半年測量值

（5）根據磷酸三鈉對水質的影響及副產物，科學的制定排污措施。該公司采用定期排污又叫間斷排污的方式： 即每天對閃蒸罐和蒸發段底部排污閥沉積物易積聚部位各排污一次，排污水通過固定的排污收集管道進入回收水箱。

（6）根據排污水特性（含磷），結合該公司環保要求，制定排污水收集回收裝置，安裝排污水收集水箱，水箱附帶安裝外送泵，設置液位計及自啟停裝置，將排污水通過管道回送至鹽水化鹽池調節使用，形成閉路循環，既杜絕了環境污染，降低環保運行設施壓力，又減少了鹽水化鹽水用量，實現了廢水的二次利用。

3.4 控制閃蒸罐液位

與合成爐廠家溝通，全面分析閃蒸罐液位對HCl 合成爐及蒸汽系統的影響，合理控制閃蒸罐液位。閃蒸罐液位過低，容易造成石墨塊材“干燒”；液位過高，造成過熱水回水不暢，蒸發段熱量積聚及過熱水管道蒸汽釋放加劇，損壞蒸發段石墨設備和加快對蒸汽系統的腐蝕力度[5]。

該公司對閃蒸罐液位日常生產控制30%～60%；并設置DCS 停車聯鎖值為20%～80%。日常補水為自動控制，液位設定50%，補水由合成爐蒸發段底部進入，吸收熱量后進入閃蒸罐釋放蒸汽，釋放蒸汽后，溫度略低的過熱水，通過熱動力自循環回到蒸發段中部循環使用。

（1）安裝云母液位計。現場閃蒸罐除遠傳液位變送器和磁翻板現場液位計外，新增加安裝云母液位計，附帶現場磁翻板和遠傳液位計，與聯鎖液位計變送器作對比，同時對閃蒸罐液位進行監控，防止液位計數據因堵塞或其他原因出現大偏差造成設備損壞或生產波動。

（2）對閃蒸罐液位計閥門進行保溫，并每天一次進行排污，對比各液位計之間的誤差數值。防止沉淀物堵塞液位計，出現數據偏差過大或假數據。將合成爐液位計排污進行收集，一并回收至回收水箱，減少對環境的污染。

4 結語

（1）自2019年6月檢修將合成爐蒸汽系統全部更換以后，定時加入磷酸三鈉。根據每月壁厚測量值，彎頭處腐蝕力度減輕，根據表1 數據計算，平均每年腐蝕速度為1.2～1.5 mm，壁厚腐蝕速度較之改造前降低約5 倍，有效延長了合成爐蒸發系統的使用周期，大幅提升裝置安全運行穩定性。

（2）鍋爐水水質明顯改善，排污取樣處，水質清澈，鐵離子含量降低，色譜分析鍋爐水鐵離子含量為4.036×10-6。