许忠义，陈美岭，王中军，朱文忠，杨志新

(青海盐湖工业股份有限公司，青海 格尔木 816099)

1 前言

青海盐湖工业股份有限公司化工分公司氯碱厂(以下简称“公司”)氯化氢合成炉(US800)为关键A类设备，该设备由于受到石墨块频繁损坏的制约，严重影响了该装置的长期稳定运行，为了能提高合成炉的使用周期，文章将就如何提高合成炉的使用寿命展开探讨，通过用TRIZ理论进行分析，得出解决办法。

2 项目背景

公司100万t/a综合利用项目一期钾碱装置年产氯化氢5万t/a，采用电解产生氯气和氢气，然后经过由氯化氢合成炉燃烧反应生成氯化氢气体，然后送至氯乙烯装置进行下一步合成(见图1)。

图1 氯化氢合成炉组件图Fig.1 Component diagram of hydrogen chloride synthesis furnace

图2 氯化氢合成系统简图Fig.2 Diagram of hydrogen chloride synthesis system

3 目前产生的问题

氯化氢合成炉在运行过程中经常出现因石墨块泄漏而紧急降量的现象，根据以往检修经验，单台合成炉检修周期一般在3个月～4个月就要更换一次石墨块，检修周期一般为36 h，2019-11更是达到了安装后仅运行了15 d后就出现泄漏的现象，石墨块拆开后上部石墨块均出现局部灼烧(冲刷)现象，循环水侧上部进出口出现结垢堵死情况。

4 原因分析

通过TRIZ理论分析及5why等分析法对石墨块损坏原因进行了逐项分解，根据矛盾分析、物场分析及因果分析等最终得出分解图(图3)。

图3 石墨块损坏原因分解图Fig.3 Breakdown diagram of graphite block damage causes

4.1 石墨块散热不良

由于循环水含有的钙镁等离子硬度较高，在石墨块高温作用下，水中的难溶性离子被解析出来，形成氯化钙、氯化镁等难溶性化合物附着在石墨块冷却水通道内部，随着时间的增长附着物会越来越多，最终将导致通道被彻底堵死，石墨块无法进行正常降温，最终导致顶层石墨块因无法散热而被烧毁。

4.2 石墨块不耐高温

氯气与氢气在燃烧室通过燃烧灯头进行化合反应产生大量的热量，其内焰温度约在2 500 ℃左右，外焰温度高达3 700 ℃，而石墨的熔点一般是在3 500 ℃左右(无氧条件下)，在不能将热量有效移走的情况下石墨无法承受持续高温以及高温氯化氢的冲刷，最后在两者的共同作用下将石墨浸渍表面破坏，最终将石墨块破坏。

4.3 火焰与石墨块直接接触

火焰燃烧时的长度是由进气压力和喷嘴的喷射尺寸决定的，进气压力在喷头尺寸不变的情况下是成正比关系的，即喷射压力高产生的火焰长度就长，喷射压力低产生的火焰长度就短，因此喷射压力是影响火焰程度的一个重要因素，然而当喷射压力不变的情况下，灯头的喷射尺寸是影响火焰长度的因素，喷射直径较小，产生的火焰长，喷射尺寸在合适范围内产生的火焰长度就在可控范围。

4.4 石墨块表面温度高

石墨块表面(与燃烧腔接触面)由于氢气与氯气的在一定压力下长期进行合成燃烧，产生的高流速合成气(氯化氢气体)首先与上部石墨块接触，导致石墨块顶部被长期进行气流冲刷，由于石墨块硬度及本身特性限制，不能承受长期冲刷，最后导致石墨块表面冲刷严重。

5 解决方案

(1)由于水的硬度过高(主要含有钙、镁离子)等原因，导致合成炉循环水侧聚结大量水垢，由于合成炉顶层温度较高，而水中含有的硬度离子遇到高温后被析出，附着在水道内壁，随着时间的后移水垢越积越多，最终导致通道被堵死，循环水无法通过，顶部石墨块无法散热而被灼伤烧毁。

结垢的根本问题是水中含有钙、镁离子以及循环水通道中达到形成水垢的环境导致的，因此消除水中的钙镁离子或者破坏形成结垢的环境就能解决结垢问题，将水中的钙、镁离子用无离子水代替或者在进出口通道附近形成一个声波场来破坏形成水垢的条件，阻止水垢形成，使石墨块能顺利换热而不被烧毁。

(2)石墨块损坏的另一个原因是石墨本身不耐高温，远大于石墨的熔点，如果石墨块本身没有达到理想的换热条件就会慢慢被熔化，最终形成冲刷腐蚀。目前既能承受高温又能防腐蚀的材料较少，而且价格昂贵。因此该方案作为理想解决方案。

(3)合成炉燃烧腔中氯气和氢气燃烧产生的火焰由于长时间在顶部石墨块进行灼烧，加之石墨块本身又没有进行良好的降温，导致石墨块长期处于高温状态下，由于火焰外焰大部分都与石墨块局部接触，因此过长的火焰与石墨块长期接触是石墨块烧毁的重要因素。

产生长火焰的因素主要是氯气和氢气混合后通过一定压力进入燃烧腔进行燃烧反应，装置负荷高时压力大、火焰长，过长的火焰直接对准石墨块，使得石墨块无法及时移走热量，久而久之就造成石墨块被灼伤，另外由于燃烧腔高度的限制，在装置满负荷时无法减小火焰的长度，因此要避免石墨块不被灼伤就必须保证火焰不能接触石墨块，即控制气体的喷射压力，或者增加燃烧腔的高度，保证喷射的火焰不能接触石墨块，最终达到保护石墨块的目的。同时，喷射直径的大小和规格形状也直接影响了燃烧火焰的长短，因此对喷头直径或形状进行改造也是减少火焰长度的一种手段。

(4)石墨块温度高的主要原因是石墨块本身散热效果不良导致被烧毁，循环水的通道直径约为10 mm，而火焰的外焰温度很高，对于这种高温，必须将热量及时移走，才能阻止水垢结垢，阻止热量集中在局部地方，通过增加石墨块循环水通道的直径可加大循环水流量，延长合成炉石墨块使用寿命。

(5)合成气体在一定流速下对石墨块的冲刷是致命的，因此加强石墨块本身的强度来抵御冲刷力，以延长石墨块的使用寿命，目前由于受石墨本身性质的限制，无法对石墨块进行加强处理，只能加入其它添加剂来延长损坏周期，要彻底解决石墨块损坏的问题，就要寻找跟石墨块性质一样并且还能抗冲刷腐蚀的新型替代材料。另外，石墨块主要损坏部位在上部石墨块顶层，因此，可考虑对顶层做防冲刷涂层或者做一个牺牲块，以延长石墨块的寿命。

6 结语

氯化氢合成炉是氯碱系统重要关键设备，该设备一旦出现问题，将直接导致该系统降负荷运行。因此，石墨块的运行周期是装置运行的关键点。通过TRIZ理论分析，并找出了解决方案。