氯气处理系统存在的问题及异常情况处理

张海龙 ，栾甜甜

(山东鲁泰化学有限公司，山东 济宁 272350)

山东鲁泰化学有限公司(以下简称“山东鲁泰”)30万t/a烧碱项目中的氯氢处理装置于2010年5月破土动工，2011年7月建成并一次性开车成功。氯气处理系统是氯碱生产中的重要工序，主要包括氯水洗涤塔、钛冷却器、水雾捕集器、填料塔、泡罩塔、酸雾捕集器、氯压机、废氯气吸收塔、各种离心泵等设备。氯气处理系统运行质量的好坏直接影响着后序系统的正常生产。山东鲁泰氯气干燥采用三塔流程，氯气压缩输送采用透平机。运行几年来，整体运行平稳，但也出现了不少问题。现对几年来的运行情况作一下总结。

1 氯气处理工艺流程及特点

1.1 氯气处理工艺流程

从电解出来的80 ℃高温湿氯气，选用钛材管道输送至氯处理，首先进入氯水洗涤塔的底部，高温湿氯气不断产出氯水，再用氯水循环泵由塔底部抽出，通过板式换热器冷却、降温后打至塔上部进行循环冷却，除盐。过多的氯水达到设定液位的55%时，打至电解脱氯工序。氯气温度降至45 ℃左右后，由塔的上部进入两级并联的钛管式冷却器再次降温，冷却介质7 ℃水沿钛管冷却器壳程与管程的氯气相向流动冷却。冷却氯气温度至11～15 ℃，此温度不易过低，低于9.8 ℃时，容易造成Cl2·8H2O化合成物结晶，堵塞管道。钛冷却器冷凝下来的氯水由底部进入氯水洗涤塔内。含水较多的氯气从钛冷的底部进入水雾捕集器底部，通过捕集器内硅油棉滤芯捕集氯气中含有的水分，捕集下来的水也进入氯水洗涤塔内。

氯气处理工艺流程如图1所示。

温度降低的氯气，含水量却很高，需要进行干燥。干燥塔采用一、二段填料塔和泡罩塔，干燥介质利用浓硫酸(冬季质量分数不低于93%，夏季不低于98%夏季)作为干燥剂。由计量泵打至泡罩塔的上部，由浓硫酸循环泵从塔底抽出浓硫酸，经板式换热器打至泡罩层底部。硫酸不断吸收水分，达到硫酸溢流口时，质量分数达到85%～90%的硫酸就溢流到二段填料塔，在二段填料塔内硫酸不断吸收水分，质量分数达到75%～80%时由溢流管溢流至一段填料塔。因硫酸循环过程中温度会升高，水蒸气分压相应增高，出塔的温度也会相继增高，浓硫酸的消耗就会增加。所以就要控制硫酸循环温度。将硫酸板换设定温度随季节的变化控制在14～20 ℃之间，硫酸温度不宜控制太低，过低时，会形成硫酸化合物，易造成管道堵塞。

图1 氯气处理工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of chlorine handling

1.2 氯气处理工艺特点

(1)氯水洗涤塔、Ⅰ段填料塔、Ⅱ段填料塔、泡罩塔内采用规整填料和CPVC材质泰勒A型花环填料。规整填料的使用，提高了塔的传质效率。当氯气中含水量较低时，水蒸气分压很小，干燥过程的进行非常困难，因此规整填料的选择尤为重要。CPVC填料的使用增加了气液接触面积，且CPVC填料耐高温，不易脆化，不易破碎，一般可使用3～4年，大大减少劳动强度。

(2)钛管冷却器的换热面积F=300 m2，采用7 ℃冷冻水进行冷却。即使在炎热的夏季仍可将氯气温度控制在12～15 ℃之间。钛管冷却器和水雾捕集器冷凝下来的氯水，一起进入氯水洗涤塔循环使用。少部分氯水定期加入循环水池中，用来杀菌灭藻且效果显著。多余的氯水由主控人员设定参数，根据氯水洗涤塔内液位结合现场气动阀，送往电解进行真空脱氯。3个干燥塔的硫酸板式换热器均采用7 ℃水进行热量交换。7 ℃水由冷冻岗位的溴化锂机组提供，保证供水水温。溴化锂机组采用PLC控制系统，为安全稳定运行提供了有力保障。

(3)浓硫酸由浓硫酸计量槽经流量计计量后加入泡罩塔最上层塔板，经降液管逐步溢流至第二、三、四、五层塔板，浓硫酸吸收氯气中的水分，体积逐渐增加。当泡罩塔底部液面增加到一定高度时，浓硫酸依次逆向流入Ⅱ段填料塔、Ⅰ段填料塔、稀硫酸槽。根据氯中含水来控制浓硫酸的加入量，同时要兼顾Ⅰ段填料塔出口硫酸质量分数控制在75%～80%之间。

(4)氯气压缩输送采用STC—SH(9-2-VRZ)，单台输送能力20万t/a。该透平机自动化程度高，操作简单，每台机组现场设置可独立操作的PLC控制柜。

(5)整套工艺流程采用DCS监控系统，对氯气经各塔时的压力和温度都设置了远传显示和信号报警，做到了在线监控。尤其是所用透平机组的各系统的温度、压力、位移、流量和振动值都设置了报警和联锁停车信号。重要工艺参数都做了趋势图，取点时间间隔为1 s，并且每班都保存记录，便于出现异常情况时查找分析原因。

2 氯压机的原理及系统的组成和结构

2.1 离心式压缩机原理

当压缩机的转子在驱动机的驱动下高速旋转时，叶轮的进口生负压，从而将气体连续的吸入机内，气体在高速旋转叶轮强大离心力的作用下，压力得到提高，同时动能也大为增加，随后气体在扩张的流道中流动时将这部分动能又转化为静压能，使气体的压力得到进一步的提高，从而达到提高气体压力的目的[1]。

2.2 压缩机的系统组成和结构

2.2.1 压缩机的系统组成

压缩机系统：气体压缩的核心组成，通过压缩机系统使气体的压力得到提高。

油路系统：主要为压缩机系统的变速箱和轴承提供可靠和必要的润滑。

冷却系统：气体经过压缩后，温度升高，冷却系统就是对每一级压缩后的气体进行冷却，然后再进入下一级进行压缩。

2.2.2 压缩机的结构

缩机系统主要包括：主电机、变速箱、压缩机。

变速箱：行星齿轮系变速箱。

输入转速：1 494 r/min。

输出转速：10 116 r/min。

传动比：6.77。

主油泵：螺杆式泵。压缩机正常运行时，是靠主油泵来给轴承和变速箱提供润滑油, 它是一个机械油泵，只要压缩机主机转动，主油泵就一起转动。

2.2.3 压缩机

定子：外壳、流道、密封内件、密封腔都采用水平剖分式。压缩机的级间密封和轴端密封都采用迷宫密封。

转子：叶轮、轴。叶轮是离心式压缩机唯一的做功元件，叶轮是封闭式，热装在轴上的。压缩机的最后一级叶轮和其他叶轮的安装方向相反。这样结构更加紧凑，而且也可以平衡轴向力。

轴承：水平剖分瓦块式滑动轴承。 轴承分为径向轴承和轴向轴承。轴向轴承主要承受转子的质量，轴向轴承主要承受转子的轴向推力[2]。

可调进口导叶，可以调节进气量和稳定进口压力。

2.3 氯压机在操作过程中的异常情况

2.3.1 压缩空载跳停原因分析

当电解逐渐降电解槽电流，氯压机随着电流的下降，逐渐开大一台氯压机单机回流阀，关小入口导叶，观察机后压力，主机电流，流量大小，确定退出负荷后，通知现场人员关闭进出口阀门。但是当现场阀门关闭后，主控未及时关小入口导叶(开度25%)，开大单机回流阀(60%)，现场人员关闭现场阀门后，主机与系统隔离，导致机前抽力过大，达到联锁值。主机跳停。

2.3.2 处理方法

在主机退出负荷后，与现场人员及时沟通，主控人员查看参数变化，忙中求稳，现场关闭进口阀的同时，就把单机回流阀全部打开，入口导叶关至10%左右。

3 事故氯气处理装置

3.1 事故氯气处理装置构成

本工段事故氯气处理共2套，共用3台15 kW的风机。每套装置均由事故氯气吸收塔、废氯气吸收塔、碱液循环槽、碱液高位槽、碱液循环泵、板式换热器、管道等构成。

3.2 事故氯处理过程

事故氯处理装置就是利用碱液循环槽中已配制好的质量分数在15%～20%的碱液吸收氯气。经过碱泵由碱循环槽打入高位槽，当电解工序出现正压，氯水洗涤塔前氯气压力大于3.0 kPa压穿水封时高位槽自动下碱。碱循环槽内必须保证有足量合格的碱液，在吸收塔内经引风机抽负压，吸收电解氯酸盐及氯压机跳停过程中外泄的氯气。在氯氢处理工序设置事故氯吸收塔，开停车过程中产生的不合格废氯气由事故氯吸收塔集中吸收处理，以防止废氯气外逸。废氯气在吸收塔内被强制循环降温后的碱液吸收，尾气达标后排放。对正常生产过程中产生的废氯气采用碱液循环对流随时吸收的方法处理，副产次氯酸钠，尾气达标排放。

3.3 氯气泄漏案例分析及改造措施

正压水封：当系统中氯气压力大于3.5 kPa时，氯气破水封逸出入废氯系统，设备边上的连通管及出水口是始终维持液封高度为3.5 kPa(包括持续补水以及压力波动时氯气管道插入部分内的液体)。

风机：事故系统采用开一备二的涡形轴流风机，将废气抽入事故系统。风机抽力的大小，可根据气动阀和手动旁路阀开关大小，调节风机的抽力。

正压水封失水，氯气从风机口逸出。

3.3.1 氯气外逸的经过

某次中班，当班人员在巡检过程中，发现三楼风机跳停，立即通知当班其他人员。到事故三楼开启备用风机，当备用风机开启时，氯气从风机口外逸。

3.3.2 氯气外逸原因

(1)主控操作人员未发现塔内碱温度升高，风机启动信号灯变红，未及时调风机补气阀，抽力过大。

(2)风机未安装出口阀门，不能逐渐调节风机抽力。

(3)风机抽过大，正压水封出现虹吸现象，插入氯水中的氯气总管失水，将氯气抽入事故塔内，碱与氯气反应完全，温度升高。氯气从风机口逸出。

3.3 处理方法及工艺改进

(1)对正压水封进行了改进，从正压封上部350 mm处开口，设计一U形管道，管道上部增加液封，解决了虹吸现象。稍许打开进水阀门，从液封中查看水溢流情况，溢流出的氯水进入氯水低位槽，打至电解脱氯工序。

(2)安装风机出口阀门，能够进一步有效调节风机抽力，避免风机抽力不稳。

(3)DCS上增加风机跳停报警，第一时间能得到风机跳停信息，及时通知现场处理。

4 事故氯气吸收装置开停车的注意事项

(1)本工序的开车必须在电解通电前开车。

(2)如果是停车以后开车，本工序开车必须在电解系统运转以前开车。

(3)本工序不允许在其他工序还在运行中停车。

(4)本工序正常运转的停车，随离子膜电解工序的停车而停车，并且确认设备和管道内均以置换彻底，没有剩余氯气，方可停车。

5 运行过程出现的问题及解决方案

由于设计失误，事故氯气吸收装置的碱液溢流管回循环槽的开口较高，溢流不及时易造成“淹塔”，甚至造成碱液倒流入氯压机的后果。针对上述情况，做出了如下改进。①根据实际情况，将进循环槽的碱液溢流口位置下移50 cm。②根据事故塔、废氯塔的循环及碱泵运行情况，将碱泵出口阀适度关小，控制好碱液循环量。

废硫酸储槽内硫酸倒流入废氯吸收塔造成塔内循环液温度高，废氯塔塔体内部PVC焊缝开裂。出现这种情况是由于设计的失误，加上现场废硫酸储槽磁翻板液位计的失灵和员工的操作技能不高等因素造成的。做出了如下改进：将废硫酸储槽去废氯塔的废气管道进行管口部位变更，由废硫酸储槽槽体移至封头部位。

2016年8月，2#氯压机的二级密封处甩出仪表气中的凝结水，仪表系统多处自动阀过滤器内出现液滴。对此类情况，公司通过在空压站增加2台冷冻式干燥机和1只高效除油器，解决了此问题。

2#氯压机曾因油冷却器列管发生渗漏，7 ℃水进入油站引起机组运行异常，触发联锁报警。对此，将原来用的有压回水改用无压回水，并将7 ℃水改用水质较好的循环水，彻底解决了此类隐患。

经过近几年的运行，发现硫酸板式换热器的7 ℃水阀门开启度达100%，分析原因是硫酸中的杂质附着在板式换热器的换热片上，影响换热效果。每年大修时对Ⅰ段填料塔、Ⅱ段填料塔对应的硫酸板式换热器进行了清洗。填料塔清洗后，整个系统的阻力明显下降，硫酸板式换热器清洗后，换热效果较好。