氯化氢合成系统技术改造

2020-03-02刘伟李春颖

氯碱工业 2020年11期

刘伟，李春颖

(唐山三友氯碱有限责任公司，河北唐山 063305)

唐山三友氯碱有限责任公司(以下简称“唐山三友氯碱”)烧碱装置生产能力50万t/a，与其配套的氯化氢合成工序产能1 600 t/d，均采用江苏南通某公司生产的氯化氢石墨合成炉，共22台。为保证每台合成炉安全稳定运行，操作人员定期分析氯化氢纯度(6次/d)，冬季定期对合成炉前氢气管线排水(9次/d)，定时冲洗合成炉视镜(3次/周)，日常操作繁琐，人工劳动强度大，自动化水平较低。合成炉长期运行后，由于各种原因氯气/氢气燃烧不充分，出现灯头频繁损坏，石墨底座及筒体烧裂等生产事故，合成炉检修及更换石墨件时，在氯气、氢气、氯化氢危险气体的生产区域内，频繁动火，安全风险大。因此，唐山三友氯碱积极优化工艺流程，改进设备结构，配套完善DCS自控程序，提升合成岗位自动化水平，保证合成炉安全稳定运行与检修。本文中主要介绍实现自动精准分析氯化氢纯度、合成炉自动冲洗视镜、降低合成炉检修时生产区域动火等各项改造措施及实施后措施。

1 工艺流程

由氯气分配台送来的氯气经氯气缓冲罐后，进入合成炉石英灯头侧面，由氢气分配台送来的氢气进入合成炉石英灯头底部和侧面，按照1∶(1.05～1.10)的摩尔比，氯气与氢气在合成炉内燃烧化合产生氯化氢气体；反应放出的热量由合成炉夹套内的循环热水及块孔换热器的循环水移出。合成的氯化氢气体纯度控制在94%～96.5%(体积分数)，经圆块孔HCl冷却器冷却干燥后，送至氯乙烯车间，或外送至用户；还有部分氯化氢气体用于制备高纯盐酸(如图1所示)。

2 技术改造

2.1 精准在线分析氯化氢纯度

氯化氢纯度关系到氯乙烯生产的安全，唐山三友氯碱采用激光光谱分析法及人工滴定法测试氯化氢纯度。激光光谱分析测量法主要依据不同组分气体对紫外线吸收强度差异，对吸收后光谱采用全光谱分析技术，通过对连续光谱的分析得到组分纯度[1]。该仪器虽能实现氯化氢纯度的连续性测试，但结果偏差较大，测量样品滞后，定期更换光纤和气室，维护费用高。

图1 合成工序工艺流程图

为保证测试结果的精准，唐山三友氯碱人工定期(6次/d)采用滴定法分析氯化氢纯度。利用氯化氢极易溶于水的性质，采用100 mL不均匀集气瓶收集氯化氢气体，然后向集气瓶中加纯水，测试氯化氢纯度。每天重复做样130次左右，操作繁琐，劳动强度大，且长期接触氯化氢气体及盐酸，有损人身健康。

唐山三友氯碱自主开发了一种新型氯化氢纯度自动在线检测的方法。该检测装置主要由定量容器、计量泵、压力传感器、液位传感器及若干切换阀等组成(如图2所示)，氯化氢气体在定量容器内被定量的水吸收，通过监测容器内压力变化及计量泵计量水量换算氯化氢纯度值。该方法可实现氯化氢气体纯度的自控和远程检测，操作简便，安全系数高，测量准确性高，完全实现氯化氢纯度自动化检测。

图2 氯化氢纯度测试工艺流程图

Fig.2 Process flow diagram of determining hydrogen chloride purity

2.2 合成炉自动冲洗视镜改造

在合成炉石墨筒体上安装视镜，便于监测火焰运行情况，但合成炉运行过程中，视镜经常出现模糊，表面附着白色粉末(原料气中杂质)等。为此，唐山三友氯碱在视镜和石墨短节之间增加聚四氟乙烯短节，利用合成炉夹套热水接临时PFA软管至聚四氟乙烯短节处冲洗视镜，从准备到完成操作需2 h，过程繁琐，劳动强度大，且冲洗视镜只能冲到视镜中心部分，冲洗效果不佳。

为提高设备自动化水平，降低人员劳动强度，研制了新型视镜短节。铺设DN15管道将纯水引入聚四氟乙烯短节沟槽内，经分流器分流至喷嘴，喷嘴呈三角分布，保证纯水均匀分布视镜各个角度；同时，该冲洗视镜过程由PLC控制柜自动控制。改造后，冲洗时间由2 h缩短至15 min，且冲洗效果较好，视镜透亮清晰，主控及现场人员能清晰观察合成炉火焰颜色，及时发现合成炉火焰偏黄、偏烧，断火等异常运行状况，保证生产稳定运行。

2.3 降低氢气管线冷凝液含量

合成炉进炉氢气水含量控制在0.2%左右，管道输送过程中易产生氢气冷凝液；入冬后，这些冷凝液在管道内结冰，造成进炉氢气流量波动，影响合成炉配比，致使合成炉联锁灭炉。目前，在氢气总管及进炉氢气支管均设置排水导淋，及时排放管道内的氢气冷凝液。此方法虽然一定程度上降低氢气管线的冷凝液含量，但人工劳动强度大，氢气导淋阀反复开关，安全风险大，特别是气温大幅度变化时，氢气导淋易出现结冰，排水困难，合成炉氯氢比值波动明显。

为解决上述问题，对合成炉进炉氢气管线进行热水伴热保温，提高氢气管线温度。该方法投入使用后，各合成炉进炉氢气支管排水次数由每天9次减少到1次，且氢气冷凝液量非常少，有效降低氢气管线冷凝酸含量的同时，大大降低了操作人员的劳动强度。2018年冬季，未发生因氢气管线结冰造成合成炉氯氢比值波动的事故。

2.4 合成炉灯头改造

氯化氢合成炉灯头为3层式石英灯头。氯气由灯头侧面进入灯头中间层，氢气有两个进口，一个由灯头底部进入灯头内层，另一个由灯头侧面进入灯头外层，最终形成“氢包氯包氢”结构。合成炉点炉初期或紧急灭炉时，由于氢氯混合不均匀，燃烧不充分，火焰偏烧，火焰颜色偏黄、偏红，造成合成炉灯头多次破损，甚至发生石墨人孔底座烧裂等生产异常情况。同时，氢气进入3层式石英灯头时，管道弯头较多，充氮气无法将弯头处空气置换完全，点炉时，打开氢气调节阀后，氢气与管道内的空气混合达到爆炸极限，出现爆鸣声，管道易发生回火，造成灯头破损。

氢气和氯气在灯头内充分混合，减少氢气管道弯头数量，能够有效降低石英灯头的破损率。为此，采用梅花型两层式石英灯头替代三层式灯头，氯气由灯头底部进入灯头内层，氢气由灯头侧面进入灯头外层，形成“氢包氯”结构。氯气灯管设计为梅花型喷嘴，该结构便于气流多方向喷射至外层，氢气灯管仍采用直喷型，氢气气流竖直向上喷射，与氯气气流相互碰撞，形成“横喷式”均匀混合[1]。梅花型灯头只有一个氢气侧面进口，管道弯头数目由5个减少为3个，有效减少置换盲区的数目。改造完成后，点炉过程中未出现爆鸣声，灯头的更换频率由15套/a减少到7套/a。

2.5 合成炉不动火安全检修改造

石墨合成炉长期运行后，检修频次较高，由于平台、管口、底座互换性差，每次检修均需对管口、平台、不锈钢底座现场动火，动火点多、位置高、时间长，合成炉单体大修时，一般检修时间20天左右，动火约为7天。合成现场氢气、氯气、氯化氢气体管线较多，环境腐蚀性较强。合成炉动火检修存在巨大的安全风险，一旦动火时发生氢气管线泄漏，后果非常严重。

为实现合成炉不动火检修，采取如下措施：首先，将合成炉组合式筒体部分改造为一体式炉体，检修时整体吊出，异地组装；其次，优化合成炉平台，将每层炉体周边楼板改型为可拆卸式，不影响吊装，楼板通过螺栓与周边梁固定并在上侧焊接把手，方便检修；最后，改造合成炉附属管线，各热水循环水管线处增加软连接，在各管口碰口安装时避免动火改口。对合成炉和平台进行综合改造后，提高了设备互换性，实现了设备整体吊装，在固定动火区检修，提高了检修效率，实现了合成炉检修现场不动火，保障了设备检修安全。