氯氣處理系統存在的問題及異常情況處理

張海龍 ，欒甜甜

(山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧 272350)

山東魯泰化學有限公司(以下簡稱“山東魯泰”)30萬t/a燒堿項目中的氯氫處理裝置于2010年5月破土動工，2011年7月建成并一次性開車成功。氯氣處理系統是氯堿生產中的重要工序，主要包括氯水洗滌塔、鈦冷卻器、水霧捕集器、填料塔、泡罩塔、酸霧捕集器、氯壓機、廢氯氣吸收塔、各種離心泵等設備。氯氣處理系統運行質量的好壞直接影響著后序系統的正常生產。山東魯泰氯氣干燥采用三塔流程，氯氣壓縮輸送采用透平機。運行幾年來，整體運行平穩，但也出現了不少問題。現對幾年來的運行情況作一下總結。

1 氯氣處理工藝流程及特點

1.1 氯氣處理工藝流程

從電解出來的80 ℃高溫濕氯氣，選用鈦材管道輸送至氯處理，首先進入氯水洗滌塔的底部，高溫濕氯氣不斷產出氯水，再用氯水循環泵由塔底部抽出，通過板式換熱器冷卻、降溫后打至塔上部進行循環冷卻，除鹽。過多的氯水達到設定液位的55%時，打至電解脫氯工序。氯氣溫度降至45 ℃左右后，由塔的上部進入兩級并聯的鈦管式冷卻器再次降溫，冷卻介質7 ℃水沿鈦管冷卻器殼程與管程的氯氣相向流動冷卻。冷卻氯氣溫度至11～15 ℃，此溫度不易過低，低于9.8 ℃時，容易造成Cl2·8H2O化合成物結晶，堵塞管道。鈦冷卻器冷凝下來的氯水由底部進入氯水洗滌塔內。含水較多的氯氣從鈦冷的底部進入水霧捕集器底部，通過捕集器內硅油棉濾芯捕集氯氣中含有的水分，捕集下來的水也進入氯水洗滌塔內。

氯氣處理工藝流程如圖1所示。

溫度降低的氯氣，含水量卻很高，需要進行干燥。干燥塔采用一、二段填料塔和泡罩塔，干燥介質利用濃硫酸(冬季質量分數不低于93%，夏季不低于98%夏季)作為干燥劑。由計量泵打至泡罩塔的上部，由濃硫酸循環泵從塔底抽出濃硫酸，經板式換熱器打至泡罩層底部。硫酸不斷吸收水分，達到硫酸溢流口時，質量分數達到85%～90%的硫酸就溢流到二段填料塔，在二段填料塔內硫酸不斷吸收水分，質量分數達到75%～80%時由溢流管溢流至一段填料塔。因硫酸循環過程中溫度會升高，水蒸氣分壓相應增高，出塔的溫度也會相繼增高，濃硫酸的消耗就會增加。所以就要控制硫酸循環溫度。將硫酸板換設定溫度隨季節的變化控制在14～20 ℃之間，硫酸溫度不宜控制太低，過低時，會形成硫酸化合物，易造成管道堵塞。

圖1 氯氣處理工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of chlorine handling

1.2 氯氣處理工藝特點

(1)氯水洗滌塔、Ⅰ段填料塔、Ⅱ段填料塔、泡罩塔內采用規整填料和CPVC材質泰勒A型花環填料。規整填料的使用，提高了塔的傳質效率。當氯氣中含水量較低時，水蒸氣分壓很小，干燥過程的進行非常困難，因此規整填料的選擇尤為重要。CPVC填料的使用增加了氣液接觸面積，且CPVC填料耐高溫，不易脆化，不易破碎，一般可使用3～4年，大大減少勞動強度。

(2)鈦管冷卻器的換熱面積F=300 m2，采用7 ℃冷凍水進行冷卻。即使在炎熱的夏季仍可將氯氣溫度控制在12～15 ℃之間。鈦管冷卻器和水霧捕集器冷凝下來的氯水，一起進入氯水洗滌塔循環使用。少部分氯水定期加入循環水池中，用來殺菌滅藻且效果顯著。多余的氯水由主控人員設定參數，根據氯水洗滌塔內液位結合現場氣動閥，送往電解進行真空脫氯。3個干燥塔的硫酸板式換熱器均采用7 ℃水進行熱量交換。7 ℃水由冷凍崗位的溴化鋰機組提供，保證供水水溫。溴化鋰機組采用PLC控制系統，為安全穩定運行提供了有力保障。

(3)濃硫酸由濃硫酸計量槽經流量計計量后加入泡罩塔最上層塔板，經降液管逐步溢流至第二、三、四、五層塔板，濃硫酸吸收氯氣中的水分，體積逐漸增加。當泡罩塔底部液面增加到一定高度時，濃硫酸依次逆向流入Ⅱ段填料塔、Ⅰ段填料塔、稀硫酸槽。根據氯中含水來控制濃硫酸的加入量，同時要兼顧Ⅰ段填料塔出口硫酸質量分數控制在75%～80%之間。

(4)氯氣壓縮輸送采用STC—SH(9-2-VRZ)，單臺輸送能力20萬t/a。該透平機自動化程度高，操作簡單，每臺機組現場設置可獨立操作的PLC控制柜。

(5)整套工藝流程采用DCS監控系統，對氯氣經各塔時的壓力和溫度都設置了遠傳顯示和信號報警，做到了在線監控。尤其是所用透平機組的各系統的溫度、壓力、位移、流量和振動值都設置了報警和聯鎖停車信號。重要工藝參數都做了趨勢圖，取點時間間隔為1 s，并且每班都保存記錄，便于出現異常情況時查找分析原因。

2 氯壓機的原理及系統的組成和結構

2.1 離心式壓縮機原理

當壓縮機的轉子在驅動機的驅動下高速旋轉時，葉輪的進口生負壓，從而將氣體連續的吸入機內，氣體在高速旋轉葉輪強大離心力的作用下，壓力得到提高，同時動能也大為增加，隨后氣體在擴張的流道中流動時將這部分動能又轉化為靜壓能，使氣體的壓力得到進一步的提高，從而達到提高氣體壓力的目的[1]。

2.2 壓縮機的系統組成和結構

2.2.1 壓縮機的系統組成

壓縮機系統：氣體壓縮的核心組成，通過壓縮機系統使氣體的壓力得到提高。

油路系統：主要為壓縮機系統的變速箱和軸承提供可靠和必要的潤滑。

冷卻系統：氣體經過壓縮后，溫度升高，冷卻系統就是對每一級壓縮后的氣體進行冷卻，然后再進入下一級進行壓縮。

2.2.2 壓縮機的結構

縮機系統主要包括：主電機、變速箱、壓縮機。

變速箱：行星齒輪系變速箱。

輸入轉速：1 494 r/min。

輸出轉速：10 116 r/min。

傳動比：6.77。

主油泵：螺桿式泵。壓縮機正常運行時，是靠主油泵來給軸承和變速箱提供潤滑油, 它是一個機械油泵，只要壓縮機主機轉動，主油泵就一起轉動。

2.2.3 壓縮機

定子：外殼、流道、密封內件、密封腔都采用水平剖分式。壓縮機的級間密封和軸端密封都采用迷宮密封。

轉子：葉輪、軸。葉輪是離心式壓縮機唯一的做功元件，葉輪是封閉式，熱裝在軸上的。壓縮機的最后一級葉輪和其他葉輪的安裝方向相反。這樣結構更加緊湊，而且也可以平衡軸向力。

軸承：水平剖分瓦塊式滑動軸承。 軸承分為徑向軸承和軸向軸承。軸向軸承主要承受轉子的質量，軸向軸承主要承受轉子的軸向推力[2]。

可調進口導葉，可以調節進氣量和穩定進口壓力。

2.3 氯壓機在操作過程中的異常情況

2.3.1 壓縮空載跳停原因分析

當電解逐漸降電解槽電流，氯壓機隨著電流的下降，逐漸開大一臺氯壓機單機回流閥，關小入口導葉，觀察機后壓力，主機電流，流量大小，確定退出負荷后，通知現場人員關閉進出口閥門。但是當現場閥門關閉后，主控未及時關小入口導葉(開度25%)，開大單機回流閥(60%)，現場人員關閉現場閥門后，主機與系統隔離，導致機前抽力過大，達到聯鎖值。主機跳停。

2.3.2 處理方法

在主機退出負荷后，與現場人員及時溝通，主控人員查看參數變化，忙中求穩，現場關閉進口閥的同時，就把單機回流閥全部打開，入口導葉關至10%左右。

3 事故氯氣處理裝置

3.1 事故氯氣處理裝置構成

本工段事故氯氣處理共2套，共用3臺15 kW的風機。每套裝置均由事故氯氣吸收塔、廢氯氣吸收塔、堿液循環槽、堿液高位槽、堿液循環泵、板式換熱器、管道等構成。

3.2 事故氯處理過程

事故氯處理裝置就是利用堿液循環槽中已配制好的質量分數在15%～20%的堿液吸收氯氣。經過堿泵由堿循環槽打入高位槽，當電解工序出現正壓，氯水洗滌塔前氯氣壓力大于3.0 kPa壓穿水封時高位槽自動下堿。堿循環槽內必須保證有足量合格的堿液，在吸收塔內經引風機抽負壓，吸收電解氯酸鹽及氯壓機跳停過程中外泄的氯氣。在氯氫處理工序設置事故氯吸收塔，開停車過程中產生的不合格廢氯氣由事故氯吸收塔集中吸收處理，以防止廢氯氣外逸。廢氯氣在吸收塔內被強制循環降溫后的堿液吸收，尾氣達標后排放。對正常生產過程中產生的廢氯氣采用堿液循環對流隨時吸收的方法處理，副產次氯酸鈉，尾氣達標排放。

3.3 氯氣泄漏案例分析及改造措施

正壓水封：當系統中氯氣壓力大于3.5 kPa時，氯氣破水封逸出入廢氯系統，設備邊上的連通管及出水口是始終維持液封高度為3.5 kPa(包括持續補水以及壓力波動時氯氣管道插入部分內的液體)。

風機：事故系統采用開一備二的渦形軸流風機，將廢氣抽入事故系統。風機抽力的大小，可根據氣動閥和手動旁路閥開關大小，調節風機的抽力。

正壓水封失水，氯氣從風機口逸出。

3.3.1 氯氣外逸的經過

某次中班，當班人員在巡檢過程中，發現三樓風機跳停，立即通知當班其他人員。到事故三樓開啟備用風機，當備用風機開啟時，氯氣從風機口外逸。

3.3.2 氯氣外逸原因

(1)主控操作人員未發現塔內堿溫度升高，風機啟動信號燈變紅，未及時調風機補氣閥，抽力過大。

(2)風機未安裝出口閥門，不能逐漸調節風機抽力。

(3)風機抽過大，正壓水封出現虹吸現象，插入氯水中的氯氣總管失水，將氯氣抽入事故塔內，堿與氯氣反應完全，溫度升高。氯氣從風機口逸出。

3.3 處理方法及工藝改進

(1)對正壓水封進行了改進，從正壓封上部350 mm處開口，設計一U形管道，管道上部增加液封，解決了虹吸現象。稍許打開進水閥門，從液封中查看水溢流情況，溢流出的氯水進入氯水低位槽，打至電解脫氯工序。

(2)安裝風機出口閥門，能夠進一步有效調節風機抽力，避免風機抽力不穩。

(3)DCS上增加風機跳停報警，第一時間能得到風機跳停信息，及時通知現場處理。

4 事故氯氣吸收裝置開停車的注意事項

(1)本工序的開車必須在電解通電前開車。

(2)如果是停車以后開車，本工序開車必須在電解系統運轉以前開車。

(3)本工序不允許在其他工序還在運行中停車。

(4)本工序正常運轉的停車，隨離子膜電解工序的停車而停車，并且確認設備和管道內均以置換徹底，沒有剩余氯氣，方可停車。

5 運行過程出現的問題及解決方案

由于設計失誤，事故氯氣吸收裝置的堿液溢流管回循環槽的開口較高，溢流不及時易造成“淹塔”，甚至造成堿液倒流入氯壓機的后果。針對上述情況，做出了如下改進。①根據實際情況，將進循環槽的堿液溢流口位置下移50 cm。②根據事故塔、廢氯塔的循環及堿泵運行情況，將堿泵出口閥適度關小，控制好堿液循環量。

廢硫酸儲槽內硫酸倒流入廢氯吸收塔造成塔內循環液溫度高，廢氯塔塔體內部PVC焊縫開裂。出現這種情況是由于設計的失誤，加上現場廢硫酸儲槽磁翻板液位計的失靈和員工的操作技能不高等因素造成的。做出了如下改進：將廢硫酸儲槽去廢氯塔的廢氣管道進行管口部位變更，由廢硫酸儲槽槽體移至封頭部位。

2016年8月，2#氯壓機的二級密封處甩出儀表氣中的凝結水，儀表系統多處自動閥過濾器內出現液滴。對此類情況，公司通過在空壓站增加2臺冷凍式干燥機和1只高效除油器，解決了此問題。

2#氯壓機曾因油冷卻器列管發生滲漏，7 ℃水進入油站引起機組運行異常，觸發聯鎖報警。對此，將原來用的有壓回水改用無壓回水，并將7 ℃水改用水質較好的循環水，徹底解決了此類隱患。

經過近幾年的運行，發現硫酸板式換熱器的7 ℃水閥門開啟度達100%，分析原因是硫酸中的雜質附著在板式換熱器的換熱片上，影響換熱效果。每年大修時對Ⅰ段填料塔、Ⅱ段填料塔對應的硫酸板式換熱器進行了清洗。填料塔清洗后，整個系統的阻力明顯下降，硫酸板式換熱器清洗后，換熱效果較好。