鹽酸合成爐本質安全與智能化探索

丁海颶 ，王松林，孫正剛

(萬華化學(寧波)氯堿有限公司，浙江 寧波 315812)

萬華化學(寧波)氯堿有限公司前身為1958年建廠的寧波電化廠,是一家專業生產氯堿產品的企業。目前運行中的鹽酸合成爐包括3臺三合一合成爐(31%高純酸，150 t/d)、1臺二合一合成爐(36%試劑酸，105 t/d)，建設中的裝置還有1臺三合一鹽酸合成爐。

1 鹽酸合成爐工藝安全分析

1.1 鹽酸合成爐合成工藝

來自氯氣液化裝置的尾氯經過兩級減壓，壓力達到0.12 MPa后進入鹽酸合成爐氯氣緩沖罐，經氯氣流量計、氯氣調節閥、氯氣切斷閥進入合成爐；同時，來自氫處理工序80 kPa氫氣經冷卻除水后，再經過氫氣流量計、氫氣調節閥、氫氣切斷閥、氫氣阻火器進入合成爐。進入合成爐的氫氣與氯氣的體積比為(1.15～1.30)∶1，在合成爐進行燃燒反應生成氯化氫。氯化氫氣體經膜式吸收器，溶于稀酸中得到主產品31%或36%的鹽酸；未被吸收的氯化氫進入組合尾氣吸收塔，形成稀酸。為進一步降低尾氣中氯化氫的排放濃度，組合吸收塔后的尾氣送至稀堿吸收系統進行噴淋吸收，合格尾氣經有組織排放口排入大氣。

在整個鹽酸生產過程中涉及的危險物料有氫氣、氯氣、氯化氫等；現場主要風險為火災爆炸、環境污染、人身傷害等。

1.2 鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏風險分析

利用Bow-tie分析軟件對鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏進行屏障和保護層分析，目標為氯氣泄漏失效頻率降至10-4(事件/a)。結合鹽酸合成爐工藝特點，導致鹽酸合成爐尾氣中氯氣含量超標的主要風險源為:①氯氫配比失調，氯氣未完全反應；②火焰熄滅，未反應的氯氣外排；③燃燒混合不均，氯氣未完全反應；④緊急停車等狀態下氯氣異常泄漏。

鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏風險Bow-tie分析如圖1所示。

圖1 鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏風險Bow-tie分析

1.3 鹽酸合成爐爆炸風險分析

利用Bow-tie分析軟件對鹽酸合成爐爆炸風險進行屏障和保護層分析，目標為鹽酸合成爐爆炸風險失效頻率降至10-4(事件/a)。鹽酸合成爐爆炸的主要風險源如下。①氫氣泄漏進入鹽酸合成爐形成混合爆炸氣體，點火時發生閃爆。②火焰熄滅，氫氣和氯氣混合，遇點火源發生爆炸。造成火焰熄滅的原因有：石墨筒體冷卻不足，高溫破損，導致火焰被夾套水澆滅；火焰檢測器故障，未檢測到火焰熄滅或者聯鎖未發生；爐底冷凝酸排液管線堵塞，爐內積液過多，導致火焰熄滅。鹽酸合成爐爆炸風險Bow-tie分析如圖2所示。

2 裝置本質安全提升

針對鹽酸合成爐存在的氯氣泄漏、氫氣爆炸等風險已經涉及鹽酸合成爐整體控制系統，須從鹽酸合成爐設備監控、流程控制出發進行整體設計。

2.1 整體自動控制水平的提升

在鹽酸合成爐生產控制系統自動化程度不斷提高的背景下，如何提高控制系統的可靠性也變得越來越重要。就控制系統而言，主要從設計冗余、可靠性、獨立控制3個角度進行考慮。

圖2 鹽酸合成爐爆炸風險Bow-tie分析

在設計時須考慮系統冗余量控制，例如火焰檢測器就需要兩個，以免在單個火焰檢測器故障或出錯時導致鹽酸合成爐未及時停爐或異常停爐。

考慮到自動點火等控制需要，鹽酸合成爐系統目前大部分采用DCS聯鎖控制，但就系統可靠性和獨立性而言，DCS與SIS相比，仍有較大的差距。為保證關鍵參數聯鎖時控制系統能將鹽酸合成爐安全停車，可以在鹽酸合成爐進氣切斷閥后增加1套有SIS聯鎖控制的切斷閥，以確保DCS異常時，也能依靠SIS將鹽酸系統安全停車。

采用雙切斷閥不僅實現了鹽酸合成爐SIS安全聯鎖，更重要的是實現了對氯氣、氫氣兩種危險介質的雙重隔離，可以有效避免在停爐后氯氣、氫氣的泄漏。

2.2 冷卻系統自動控制水平的提升

鹽酸合成爐運行過程中需要冷卻系統不斷地將系統內熱量帶出，控制鹽酸合成爐石墨筒體溫度，避免石墨筒體在高溫下破損。因此，冷卻系統的可靠性極其重要，在傳統觀念中，循環冷卻系統作為工藝生產的基礎，其可靠性毋庸置疑；但在極端條件下(全廠失電、誤操作等)，這樣的風險也會發生。

為避免冷卻系統故障導致鹽酸合成爐缺水損壞，進而發生有害物質泄漏等事故，考慮對冷卻系統進行實時監控。按照Bow-tie分析的結果，須將鹽酸合成爐各路冷卻水(循環水和循環純水)的流量進行監控并加入鹽酸合成爐聯鎖中。當某一路冷卻水流量低于聯鎖值時，立即聯鎖停鹽酸合成爐，此時夾套內殘留的冷卻液仍可維持，確保不會出現缺水干燒的情況。

2.3 氯氫配比在線監測與智能化

目前鹽酸合成爐常見的氯氫配比控制方式為在線串級調節，但是在尾氣純度變化、氫氣壓力波動、負荷調整等過程中，合成爐內實際仍會出現氫氯配比過低，甚至過氯的情況，因此，在實際生產中，氫氯配比往往要比理論需要的高15%～30%方可在一定程度上避免過氯的發生。單獨依靠串級調節控制氯氫配比，不僅會造成氫氣的大量浪費，還無法做到在異常情況下對氯氣過氯的有效控制。

想要擺脫依靠經驗，用消耗更多氫氣的方式控制氯氫配比，最終達到氯氣不過量的目標，就必須能夠實時在線監測爐內的反應情況，并根據反應情況、上下游聯動實時調整氯氫配比。結合目前最新技術，要實現這個目標，可以從兩個方面進行考慮:①將目前人工觀察火焰進而判斷氯氫配比是否合適的方法進行模擬量化，利用視頻AI分析技術實現24 h實時監控火焰，當火焰出現異常時進行報警，通知操作人員處理；②對合成爐內氯化氫氣體含量進行分析，實時監測氯化氫氣體中氯化氫、氯氣、氫氣的含量，并根據氯氣、氫氣含量變化調整氯氫配比。

就兩種技術優缺點而言，視頻AI分析技術基本不會對現有鹽酸合成爐進行任何工藝上的改變，現場實施較為便捷，異常情況時反應也較為直觀和快速，但也正因為沒有參與到工藝控制中(無法量化)，該技術也并不能實時有效地干預實際生產控制，更多地是減輕現場巡檢和監控人員的負擔。對于廠區已有視頻AI分析平臺的，可以將此方案作為報警控制方法進行使用。

采用在線實時監測其他組分含量的方法，需在現有系統中設置檢測回路，通過量化分析數據進而直接參與到生產控制中，理論上可以實現氫氣消耗的最小化卡邊控制，生產異常時也能及時發現并按設定方案進行自動控制。目前，該技術還處于探索試用階段，且實施過程中檢測位置的選擇、儀器的可靠性等均會對實際控制效果產生影響，須根據實際工況進行綜合考慮。

2.4 尾氣吸收過程的自動控制

無論采用了怎樣的控制方案，作為一個工藝控制復雜、運行風險較高的裝置，鹽酸合成爐運行首先要做到安全、環保。作為日常生產中對排放尾氣進行處理和控制的稀堿吸收系統是最后的安全防線，避免有害物質氯化氫、氯氫排放至環境中。因此，稀堿吸收系統不僅要時刻保持運行，更重要的是要時刻保持有效運行。目前，主流設計中稀堿吸收系統都是只能在一定時間內對異常排放進行凈化、處理。當前段控制異常(例如過氯)未被及時發現時，稀堿吸收系統就會因吸收液飽和而無法繼續發揮作用，最終導致氯氣外逸的泄漏事故。

為確保尾氣排放口不出現有害氣體泄漏事故，除了要做好前述的控制措施外，稀堿吸收系統能夠及時報警并進行智能化自動控制也是極有必要的。由于鹽酸尾氣中既有氯化氫也可能有氯氣，氯化氫過量時稀堿吸收系統表現為堿度降低(pH值降低)，氯氣過量時表現為堿度降低(ORP升高)。實際生產中堿度在線檢測較為困難，所以稀堿吸收系統檢測方式的選擇對實際控制效果具有決定性作用。考慮到鹽酸合成爐整體裝置的構成，一般會配置水吸收系統來吸收尾氣中的氯化氫氣體。而氯化氫極易溶于水，因此，稀堿吸收系統中更多的是要防范氯氣過量的問題。基于以上分析，在每臺稀堿吸收塔回液管線上增加ORP檢測并設置報警。在稀堿循環槽處設置自動換堿裝置，除日常情況下減少現場操作，更重要的是在異常情況下根據ORP檢測儀的反饋，自動進行在線換堿。即使系統氯氣過量，也會被堿液不斷吸收，而不會造成有害物質泄漏。

3 結語

近年來，伴隨著鹽酸合成爐自動點火系統等的運用，裝置自動化水平不斷提高，現場人員管控也將越來越少，裝置的本質安全和智能化也應當不斷進步。筆者就當前國內技術條件和現場應用實踐總結了幾條提升方案，希望鹽酸生產裝置更加安全、高效、環保。