魏占鸿，魏羚宇

（金川集团化工新材料有限责任公司，甘肃 金昌 737100）

金川集团化工新材料有限责任公司（以下简称公司）40万t/a离子膜烧碱12台盐酸合成炉，采用循环水对氯化氢冷却。由于新水中钙镁等杂质多，造成氯化氢冷却器经常堵塞，吸效率低，还存在合成炉爆炸隐患。盐酸合成运行中火焰监控系统不完善，水流泵抽空不易操控，易造成盐酸储槽变形、易燃易爆气体富集和爆炸。正常生产中单台合成炉开停车，抽空时空气易进入炉内，影响安全运行。

该公司研究应用了合成炉火焰监控联锁、“两级塔串联+尾气塔”吸收工艺、单炉开停车抽空、置换及吹扫、合成炉高效冷却防堵等技术，提高了盐酸合成的冷却、吸收率和本质安全化水平，增加了盐酸产量，延长了设备寿命，降低了检维修费用，实现了合成炉的安全稳定运行。

1 工艺技术研究及应用

盐酸合成采用二合一石墨合成炉，圆块孔式降膜吸收器由上下封头、分配头、吸收石墨块及冷却夹套组成。尾气吸收塔由石墨筒体和石墨填料环组成。通过分析工艺问题后，从4个方面进行了改进。盐酸合成工艺流程图见图1。

1.1 火焰监控联锁技术

盐酸合成是液氯、PVC生产企业以及液氯用户的平衡器，起着消化尾气、平衡液氯库存的作用，工艺要求设备安全本质化。

1.1.1 现状及问题

图1 盐酸合成工艺流程图

盐酸合成炉大多通过观察火焰，调节手动阀来控制氯、氢气流量配比，自动化水平较低。如火焰突然熄灭，手动紧急关闭氯氢给料阀并打开氮气吹扫阀；手动调节氯氢配比不易控制盐酸质量，停炉后打开氮气吹扫比较滞后，存在安全隐患；生产时氯氢气配比失调，均可能会发生事故；氢气过量使尾气含氢易爆炸；氯气过量使尾气过氯，污染环境，造成人员伤害；特别是火焰熄灭后，如不及时处理，可能会造成氯氢气、氯化氢混合爆炸。

1.1.2 火焰监控联锁技术

根据盐酸合成易出现的问题，如氯气、氢气安全阀突然关闭、氮气置换阀突然打开、吸收水及循环水流量突然下降等，现场人员若不能及时处理，将会造成合成炉灭火爆炸，因此，该公司对火焰监测进行了改进。

（1）将原直接观察火焰改为潜望镜式。在炉体视镜上安装观测点，通过潜望镜降低观测高度，操作室直接观察，避免给操作人员带来伤害。在炉体视镜外加装了火焰检测器，当系统大幅波动或流量检测失效、火焰异常时，急停合成炉。还设置了合成炉火焰熄灭联锁，火焰异常声光报警，保证合成炉的安全运行。

（2）增加双向火焰监测联锁系统。将原单向火焰监测改为双向火焰监测系统，在原火焰监测系统增加一个与之垂直的监测点，实现双向监测，当两个监测点的火焰同时观测不到火焰时，合成炉联锁紧急停炉。

（3）增加火焰视频监测系统。将火焰监测影像引入DCS监控系统，操作人员可随时观察合成炉火焰颜色及变化，结合双向火焰监测联锁，准确判断合成炉的运行情况，提升合成炉的安全性能。

合成炉火焰监控联锁控制系统的应用，实现了现场操作与DCS系统的有效结合，保证了异常情况下合成炉安全自动停炉，提升了自动化水平和劳动生产率。

1.2 “两级串联吸收+尾气吸收”工艺

1.2.1 氯化氢吸收现状

（1）吸收原理

盐酸合成采用二合一石墨炉与降膜吸收塔相匹配的工艺，氯化氢进口浓度10 000 mg/m3，出口浓度15 mg/m3，吸收率99%。由于使用石墨材质，受热不均匀时易出现设备胀裂现象。氯化氢吸收系统工艺图见图2。

降膜吸收塔固定管板以上为气体与吸收剂传质的场所，由浸渍石墨封头、稳定环和吸收剂分配器组成，固定管板以下为吸收、冷却及气液分离部分。

降膜吸收是传热、传质和反应的过程，从反应器顶部的下降液膜吸收氯化氢，这是氯化氢从气液界面进入液膜的过程；氯化氢吸收是放热过程，吸收热需要被冷却水带走。如降膜吸收器内液体分布不连续、不均匀就会出现干壁现象，降低传热传质效率。降膜吸收塔换热原理图见图3。

图2 氯化氢吸收系统工艺图

图3 降膜吸收塔换热原理图

（2）吸收存在的问题

盐酸合成吸收系统存在以下问题：由于纯水流量波动、压力不稳会导致酸浓度不稳定；合成反应氢气过量，以调整氯气流量为主调整酸浓度，吸收易出现吸收水量过小，不能充分吸收，氯化氢外溢造成污染等情况；炉压过高，盐酸浓度不达标，存在事故隐患。

1.2.2 “两级串联吸收+尾气吸收”工艺

“两级串联吸收+尾气吸收”工艺见图4。

盐酸浓度通过调节吸收水量、氯气和氢气流量来控制，吸收水量的大小影响炉压与盐酸浓度。为了提高盐酸浓度，保证安全生产，从以下几方面进行改造。

（1）在两级降膜吸收塔后，安装与炉压联锁控制的吸收水装置，通过监测炉压调节吸收水量。在循环泵与尾气塔之间设计安装1台自动阀，以便控制吸收水流量，并与炉压信号联锁，将炉压信号反馈给吸收水调节阀，适时控制吸收水量来稳定炉压及盐酸浓度。

图4 “两级塔串联+尾气塔”吸收工艺图

（2）配置填料尾气塔，保证尾气达标，采用吸收水分段循环、多塔串联提高了传质效果，降低塔高及塔径。

1.2.3 应用效果

实现水利现代化是一个动态发展的长期过程，不可能一蹴而就、一劳永逸。我们要深入贯彻落实科学发展观，努力践行可持续发展治水思路，以高度负责的态度、开拓创新的精神和求真务实的作风，团结拼搏、积极进取，奋发努力、扎实工作，全面推进水利改革创新，着力加快水利现代化建设，在新的起点上谱写江苏水利事业发展新篇章。

“两级塔串联+尾气塔”吸收工艺的应用，提高了吸收率，稳定了炉压及盐酸浓度，避免了炉压异常发生安全事故，提升了盐酸吸收工艺自控水平。

1.3 单炉开停车抽空及吹扫技术

1.3.1 单炉开停车抽空问题

（1）单炉开停车抽空吹扫工艺。氯化氢经二级降膜吸收，一级尾气吸收，尾气经水流喷射器吸收微量HCl后，不凝气经循环液槽顶部阻火器放空。

（2）水流泵问题及原因分析：尾气吸收塔至水流喷射泵气相管道振动大、温度高；水流喷射泵抽酸，循环液含酸高；水流喷射管道容易冻结、堵塞，吸收系统正压。

（3）原合成工艺未设置氮气吹扫，停炉后通过水流喷射泵对炉内氯化氢、氢气、氯气抽空置换，因氯气、氢气均通过手动阀门操作，在异常情况下易造成合成炉爆炸。

1.3.2 单炉抽空及吹扫技术

（2）单炉开停车氮气吹扫技术。在氯氢入口管道上加装氮气自动吹扫装置，将循环水压、炉压等与氮气吹扫装置联锁，当工艺指标超标，需要紧急停炉时，氮气自动吹扫，防止合成炉氯含氢超标爆炸。

图5 风机抽空工艺流程图

1.3.3 应用效果

合成炉点炉前抽负压30 min，确保炉内负压，正常生产后即可停风机，提升了合成炉本质安全化性能。

1.4 合成炉高效防堵冷却技术

1.4.1 循环水冷却问题

（1）合成炉炉体设置冷却水套，冷却水下进上出，生产时石墨炉体完全浸泡在水中。

（2）循环冷却水水质标准：水量应根据最大小时用量确定，温度应根据工艺要求并结合气象条件确定；冷却水侧管壁的污垢热阻值和腐蚀率应按工艺确定。循环冷却水的水质标准表见表1。

表1 循环冷却水的水质标准表

（3）循环水水质指标（见表2）

由表2看出，循环水中钙离子及悬浮物超标，这些杂质在高温环境中易结垢，堵塞炉体水道，降低换热效率。

1.4.2 高效防堵冷却技术

该公司地处西北，风沙大，循环水水质不好，含钙高，大量泥沙沉积在炉体夹套和氯化氢冷却器中（尤其是底部两节），炉壁冷却水流道孔易堵死，影响水流动及换热，形成干烧，造成炉壁裂纹，石墨块脱落，炉体漏水等。

（1）高效防腐防堵冷却技术

对3台合成炉的冷却系统进行了改造：

a.增加独立冷却水系统，分别进入合成炉燃烧段夹层和氯化氢冷却器，冷却水由循环水改为纯水，增加纯水管线。设62.8 m3纯水中间槽，2台扬程41 m，流量302.4 m3/h纯水泵，纯水经换热器与循环水进行换热，将纯水冷却至20℃。通过2根DN200管道分别进入合成炉燃烧段夹层和氯化氢冷却器，冷却后纯水回到中间槽循环利用。纯水冷却系统工艺流程图见图6。

图6 纯水冷却系统工艺流程图

b.纯水经换热器与循环水换热，在原设计中循环水主管道加装换热器，原设计循环水进合成炉管道改为纯水管道。

c.改造合成炉夹套和氯化氢冷却器，按3台合成炉满负荷计算，所需纯水量为 70×3×1.2=252（m3/h），纯水的流速按u=2（m/s）计算，所需纯水管道为D=SQRT（（4×252/3.14/3600/2））×1 000=211，管径选取DN250，机泵额定流量 252×1.2=302.4（m3/h）≈300（m3/h），扬程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月循环水平均水质表

（2）纯水与循环水自动切换工艺

设计了纯水与循环水的自动切换，通过联锁切换实现合成炉的稳定生产，规避了合成炉炉体干烧爆炸的风险。

为保证在合成炉冷却纯水压力低时，循环水能及时介入，保持冷却水不断流，在纯水-循环水换热器的循环水入口连通一旁路，并加装A、B两道自控阀，在换热器纯水入口处C点设置水压检测点，并与自控阀A、B联锁，当C点水压小于设定压力时，自控阀B打开，自控阀A关闭（正常状态为A开启，B关闭），循环水通过旁路进入合成炉冷却水管道，保证合成炉的冷却水。当纯水压力故障排除后，自控阀A开启、B关闭，切回到纯水冷却合成炉。此时纯水中间槽混入了一部分循环水，须置换后方可正常循环。纯水与循环水自动切换联锁图见图7。

图7 纯水与循环水自动切换联锁图

（3）应用效果

高效防堵冷却技术解决了石墨合成炉冷却水因含钙高、泥沙量大，造成炉壁水侧结垢、夹套内冷却水流道孔被堵死，换热效率低损坏炉体的问题，纯水在纯水罐与合成炉冷却系统无损失循环，降低了水消耗，降低了停炉次数，备件及维修费用。

2 主要工艺改进点

2.1 合成炉火焰监控联锁技术

针对单向火焰监控，火焰偏移时易造成错误触发灭炉联锁的状况，应用了双向火焰监控联锁技术，当两个垂直监测点的火焰同时熄灭可执行灭炉程序，实现了火焰准确监测；将火焰由视镜观察改为潜望镜后，降低了人员的劳动强度和安全风险。

2.2 “两级吸收+尾气吸收”技术

针对氯化氢吸收率低的情况，应用了两级串联与炉压联锁的吸收水控制装置，提高了吸收率。应用了石墨填料尾气吸收塔，保证尾气达标排放。

2.3 单炉开停车抽空及置换技术

针对开启单台合成炉抽空不理想、炉压波动及停车后氮气吹扫不及时的问题，应用了单炉开停车风机抽空及氮气吹扫工艺，避免了点炉时抽空不完全造成爆炸的风险，实现了异常情况下合成炉的紧急停炉和自动吹扫。

2.4 合成炉高效防堵冷却技术

针对循环水造成炉壁水侧结垢严重的现象，应用了纯水冷却降温工艺，纯水与循环水联锁自动切换，提高了冷却效率，排除了合成炉干烧爆炸的隐患。

3 结语

公司针对40万t/a离子膜烧碱盐酸合成运行中火焰监控不完善、吸收效率不佳、单炉开停车抽空不理想、吹扫不及时、冷却系统频繁堵塞等问题进行了2年的研究。成功应用了合成炉火焰监控联锁技术，防止了灭炉联锁频繁执行，提高了作业率；“两级塔串联+尾气塔”工艺保证了氯化氢吸收率；单炉开停车风机抽空与氮气吹扫技术，避免了爆炸性气体的产生，增强了开停车的安全性。优化了盐酸合成工艺技术，尾气达标率100%，炉含氢合格率达98%以上，延长了设备寿命，保障了合成炉的安全稳定运行。