設備優化改型提升在聚氯乙烯生產中的應用

孟維慶

（唐山三友氯堿有限責任公司河北省聚氯乙烯技術創新中心，河北 唐山 063305）

唐山三友氯堿有限責任公司堅持走循環經濟發展路線，積極落實各項技改技措、不斷引進新設備。本文從聚氯乙烯生產用聚合釜、 流化床和粉碎裝置等方面具體介紹設備改型和裝置升級在聚氯乙烯生產過程中的應用。

1 聚合系統升級改造及應用

氯乙烯聚合生成聚氯乙烯工藝屬于重點監管的危險化工工藝，生產過程中的安全控制尤其重要。按照國家及行業要求，涉及“兩重點一重大”的工序均要求進行風險分析和可操作性分析， 并按照安全控制要求設置自動化控制系統、 安全聯鎖或緊急停車系統和可燃及有毒氣體泄漏檢測報警裝置， 緊急停車系統和安全聯鎖保護系統要符合安全等級要求。因此， 聚氯乙烯生產系統需從行業規范及安監總管要求上提升本質安全。

1.1 緊急停車裝置的優化升級

目前聚合工序聚合釜設有ESD 緊急加入系統，此系統適用于緊急事故狀態下聚合反應的緊急終止。 其中儀表監測裝置用來監測聚合反應狀態，通過儀表系統的顯示和報警來判定聚合反應是否出現異常， 并在聚合反應出現異常時能夠實現緊急事故終止劑的自動加入或遠程手動加入。該系統設有2 臺氮氣鋼瓶，開1 備1，1# 氮氣鋼瓶長期供氣，2# 氮氣鋼瓶備用， 氮氣壓力經減壓后壓力為3.5~4.0 MPa。當釜攪拌電流或釜反應溫度達到聯鎖程序啟動條件時，自動加入緊急終止劑。 此系統存在弊端是ESD緊急停車系統現場儀表及控制回路SIL 等級不夠，且引用的聯鎖儀表點仍為DCS 點引入，未經過HAZOP 分析及安全等級認證，存在較大風險隱患。

通過對聚合工序進行HAZOP 分析， 對現有聚合反應體系設置SIS 安全儀表系統， 并設置與之相關的聯鎖程序。 將原有的釜溫監測點更換為SIS 儀表， 同時將測溫點和攪拌器電流顯示值引入SIS 系統， 并將緊急事故終止劑的入釜切斷閥更換為SIS開關閥。 當溫度高高聯鎖或攪拌器電流低低聯鎖時打開SIS 系統開關閥，通入緊急終止劑。在氮氣鋼瓶處增加視頻監控系統。

1.2 廢水處理裝置的管線改造

氯乙烯儲槽、聚合涂釜、回收系統等含有氯乙烯的廢水采用自控閥與手動閥同時開關的方式進行現場直接排水，放水頻次較高，且需人工現場進行監控排水，DCS 人員與現場人員配合完成放水操作。 放水過程中廢水中含有的氯乙烯會散逸到空氣中，引發氣體報警器的頻繁報警，存在較大的安全風險，造成環境污染，而且還存在人員現場誤操作導致液態/氣態氯乙烯外排的風險。

為減少廢水外排和氯乙烯外溢的現象， 在聚合工序增加廢水汽提回收裝置， 此系統主要是將聚合釜涂釜后廢水、 回收系統廢水和單體槽廢水回收至廢水收集罐， 然后經廢水泵與廢水過濾器過濾后進入廢水槽， 廢水槽內廢水經過廢水泵和換熱器與出塔廢水換熱后，由廢水汽提塔頂部進入廢水汽提塔，廢水汽提塔底部通入蒸汽，使廢水與蒸汽逆流接觸，脫出廢水中殘存的氯乙烯單體并回收至單體氣柜，使出塔廢水中VCM 含量符合國家標準， 經廢水泵和換熱器換熱降溫后排至地溝， 實現廢水的密閉回收，減少含有氯乙烯的廢水的直接排放。具體改造后裝置圖見圖1。

圖1 廢水處理裝置圖

1.3 自動清釜裝置的應用

聚氯乙烯生產過程中為保證釜的傳熱效果，需對聚合釜進行清釜作業， 傳統的清釜方式為人工清釜，且需要一釜一開蓋清理。清釜工作量比較大而且清釜前期準備時間比較長，工作效率較差、清釜前需要操作工人進行開蓋及噴槍伸縮臂的操作， 存在安全隱患。 針對以上問題，對清釜裝置進行升級改造，由傳統的人工清釜升級為全自動清釜。 全自動清洗裝置清洗效率高，不需要一釜一開蓋清理，清洗速度比傳統人工清洗速度快、安全性好，不需要人員進行開蓋及噴槍伸縮臂的操作， 根除了人員操作的安全隱患，縮短了入料時間。

清洗系統共有1 臺高壓清洗泵，1 臺為高壓清洗泵供水的增壓泵，3 臺位于釜頂的停放倉，每臺停放倉配有1 臺卷軸系統。清釜噴頭位于停放倉內，清釜時由卷軸驅動其上下移動， 工業用水通過高壓清洗泵加壓， 經高壓水管線輸送至噴頭， 進行清釜操作。 高壓清洗泵為柱塞式高壓水泵，“高壓開/關”的信號由主控制柜和現場操作柱啟動， 高壓清洗過程為PLC 程序控制的全自動過程。

自動清釜主要裝置包含卷軸系統、停放倉、停放倉抽氣系統和自清洗過濾器系統等關鍵部分。 卷軸系統需通過現場操作柱進行獨立操作， 高壓軟管盤在卷軸系統轉盤上，軟管的另一端連接清洗噴頭，噴頭可自動，也可通過操作柱按鈕控制，移動到各垂直清洗點之間，PLC 控制系統會記錄每一個清洗點，每個點清洗結束后， 卷軸會自動將噴頭釋放至下一個清洗點，操作人員通過控制“開/停”信號，啟動和停止高壓操作。

停放倉內有限位開關，當噴頭回到停放倉內時，會觸發限位開關。 停放倉內有改變清洗路徑的轉動機構，在位于停放倉頂部的氣動馬達的驅動下轉動，氣源為儀表氣。可旋轉角度為-75°、0°、75°，分別稱為清洗路徑1、2、3。 停放倉內有兩臺驅動擺臂抬起的氣缸，以高純氮氣作為氣源。高壓軟管由停放倉的頂部進入倉內，并在清洗的過程中上下滑動。為防止停放倉內的單體外泄或外界空氣進入系統， 軟管進入停放倉的位置有一套密封裝置。 停放倉高壓管密封及上下封頭處均有向倉內噴水的管線， 當噴頭向上移動時，程序會打開自清洗閥門，沖洗停放倉倉壁和高壓軟管。

停放倉抽氣系統是為避免停放倉壓力升高，超出設計壓力，導致停放倉內介質外泄而設計的，停放倉上配有抽氣管線，該管線上配有壓力調節閥，與停放倉上的壓力點聯鎖，進行PID 調節，即當壓力監測點壓力上漲時，該壓力調節閥打開向氣柜排氣。當壓力監測點壓力上漲速度過快時， 可現場打開抽氣管線的手閥，啟動回收壓縮機進行排氣。

自清洗過濾器系統的電器部分由電氣控制箱、壓差變送器、旋轉電機、減速機、氣動球閥構成，總共有“壓差”、“手動”、“定時”3 種工作模式。 壓差控制即當壓差達到一定值（可設定）時，通過傳遞電信號，電機帶動清洗機構旋轉， 清除附著在過濾元件上的雜質，同時氣動閥排污自動打開排除污物。時間控制即通過設定時間來給電機電信號， 電機帶動清洗機構旋轉，清除附著在過濾元件上的雜質，同時氣動閥門自動打開排除污物。 手動控制即通過人工控制手動清洗按鈕，電機帶動清洗機構旋轉，清除附著在過濾元件上的雜質，同時手動打開排污閥門排污。自清洗過濾器故障及處理措施見表1。

表1 自清洗過濾器故障及處理措施

1.4 回收系統氧分析儀升級改造

三友氯堿聚氯乙烯汽提塔均為溢流堰式汽提塔結構，工藝操作方式為負壓操作，經汽提后回收氯乙烯至單體氣柜。 汽提塔的負壓操作可以盡可能多地回收氯乙烯，但負壓狀態下空氣容易進入汽提系統，導致去氣柜管線氯乙烯含氧超標。 針對此現象回收大管中無法實現在線含氧分析監測， 一旦管線或設備泄漏，無法做到實時監控，產生較大的安全隱患。

經過對氧分析儀在線監測技術研究， 決定在每期汽提塔出氣管線增加在線含氧分析儀， 時刻監控管線含氧情況， 并將汽提塔出氣調節閥與在線含氧分析儀數據進行聯鎖控制， 不但可以實時監測氯乙烯含氧，還可以通過聯鎖設置實現緊急切斷，防止安全事故的發生。

2 氯乙烯裝置升級改造及應用

2.1 精餾裝置改造升級

由于單體提純用精餾低塔與變壓吸附裝置串聯運行的生產現狀， 進而導致低塔系統壓力由變壓吸附凈化氣壓力決定，由于變壓吸附裝置的吸附特性，吸附塔在切換時對精餾低塔壓力影響較大， 造成低塔系統壓力波動，尾凝器間斷下料。 另外，生產低負荷運行變壓吸附裝置切換時，可能引起尾氣帶液，存在安全風險，由于壓力波動造成尾氣量大幅波動，影響變壓吸附裝置的吸附效果， 變壓吸附凈化氣指標難以調整。通過優化設備管道，使精餾尾氣經過尾排調節閥后再進入變壓吸附裝置， 避免因變壓吸附裝置大量抽取精餾低塔系統的原料氣造成低塔系統壓力波動，影響低沸塔運行的現象，在保證各項指標正常的前提下， 使精餾低塔系統維持在穩定的壓力范圍內，消除尾凝器帶液隱患。

2.2 其他裝置改造

通過優化控制提升自動化水平， 將氯乙烯轉化工序手動配堿操作改成自動配堿， 不僅保證了該重要操作重復進行時的安全有效， 同時達到了降低操作人員勞動強度的目的。

3 干燥汽提裝置的升級及應用

3.1 干燥床升級改造及應用

聚氯乙烯生產原有工況下共有3 條干燥線，均采用氣流旋風工藝技術，已經使用7~10 年。 流化床干燥與原來的氣流旋風干燥比較， 整個系統蒸汽用量有明顯下降。

聚合完成后的漿料由離心機進行離心分離后經布料打散機進入流化床，流化床底部分3 個氣室，空氣經過濾加熱后由氣室吹入， 濕料塊在熱空氣中處于懸浮沸騰狀， 逐漸由氣室一進入氣室二然后進入氣室三，在沸騰中物料充分干燥，由氣室三出料進入星形下料器，經振動篩過篩后下料到風送系統，輸送至成品料倉。 流化床頂部排出的濕熱空氣經過旋風分離器進行PVC 與空氣分離， 分離出的PVC 送回干燥床，空氣由引風機經過布袋除塵器，充分除塵后排空。 布袋除塵器分離下來的固相物料， 收集至倉泵，最終由倉泵輸送至包裝料倉。

一期聚合系統PVC 漿料經汽提系統和漿料槽后， 由流化床干燥系統進行處理干燥， 干燥后的PVC 樹脂再輸送回一期包裝料倉進行包裝。 投用后實際運行可節約用電量992 萬kW·h/a， 節約蒸汽0.364 t/t PVC。 流化床異常現象及處理措施見表2。

表2 流化床異常現象及處理措施

3.2 汽提塔節能改造

汽提工序的漿料首先打入漿料槽， 通過過濾器過濾， 然后通過離心機供料泵打入離心機進行離心脫水；初步脫水后樹脂含水20%～25%，通過流化床進料閥進入流化床進行干燥，干燥后樹脂通過篩分，篩分合格后進入粉料氣力輸送系統， 通過氣力輸送系統將樹脂輸送至料倉，經全自動包裝機包裝，加熱空氣由流化床頂部排出，進入布袋除塵器過濾后，達到排放標準，排放至大氣。過濾下來的物料返回到流化床或物料出口。

結合實際工況將聚氯乙烯漿料汽提塔由穿流式篩板塔改為溢流堰式汽提塔。 新增汽提塔采用的就是溢流堰式篩板塔，配套增加出塔緩沖罐、出塔漿料泵等附屬設備，利用一期聚合汽提塔冷凝器、氣水分離器等配套設備，實現總體汽提工藝的優化，降低蒸汽消耗，每噸PVC 可節約蒸汽0.2 t，年實現節能上千噸標準煤。

4 氯化氫合成爐副產蒸汽高效利用

氯化氫合成工序采用熱水式合成爐與蒸汽式合成爐， 化學反應過程中放熱所產生的熱量一部分通過熱水的形式供給溴化鋰機組制冷， 一部分通過蒸汽的形式用于聚合工序聚氯乙烯樹脂的汽提與干燥， 實現整體反應余熱的高效回收利用。 公司后續擴建項目中全部采用的是新式蒸汽合成爐， 由于氫氣和氯氣在燃燒的過程中放出大量熱， 此熱量由純水吸收后會生成低壓蒸汽送至其他工序， 聚合車間汽提和干燥過程中使用的蒸汽主要來源于合成爐副產蒸汽，因此減少外購外網蒸汽的使用量。副產蒸汽的高效利用不僅降低了蒸汽的消耗，節約了蒸汽，也實現了減碳。

5 結語

多年來，公司始終致力于通過設備改型升級、系統研發優化等技術手段來實現生產過程中的節能降耗和智能發展，提高生產運行平穩性和高效性，推動企業高質量綠色發展。