三合一石墨盐酸合成炉安全运行总结

苏发东

(甘肃稀土新材料股份有限公司，甘肃 白银 730922)

甘肃稀土新材料股份有限公司(以下简称“甘肃稀土”)2011年淘汰了上点火式负压三合一石墨合成炉，而采用先进成熟的下点火式正压三合一石墨合成炉，由DCS自动控制，经高纯水吸收制备高纯盐酸。该装置技术成熟、工艺先进、自动化程度高，盐酸合成装置的本质安全大大提高。但是该生产装置多年运行的经验教训值得重视，如人员操作失误，设备设施维护保养及保温不到位，仪器仪表及自动阀故障失灵，原材料品质低，循环水系统冷却效果差等因素会造成生产被动，使产品质量降低，甚至发生安全事故，污染周围环境等事件。下面通过分析总结产生以上问题的原因，并制定切实可行的措施，确保盐酸合成炉高效、安全、稳定、环保运行。

1 工艺流程

干燥的氯气经自动调节阀进入氯气缓冲器，稳压在70～90 kPa；干燥的氢气经氢气压缩机加压，进入氢气缓冲器，经自动排空调节阀稳压在30～50 kPa。开启氯氢气手阀，通过自动点火程序完成点炉。点炉后，干燥的氯气和干燥的氢气以一定的比例[氢气、氯气摩尔比(1.05～1.40)∶1]进入石墨合成炉底部的石英灯头，氢气和氯气流量分别自动检测，并根据设置的比例自动跟踪调节，确保氢氯配比。氯气走石英灯头的内层，氢气走石英灯头的外层，二者在石英灯头前混合燃烧，合成的氯化氢进入冷却、吸收段，经尾气吸收塔来的稀盐酸吸收后制成盐酸；未被吸收完全的尾气(大部分是不凝性气体)经过尾气吸收塔处理达标后排放。吸收水罐的纯水由泵送至尾气吸收塔吸收HCl，再进入合成炉吸收段进行吸收，制得高纯盐酸。

从界区外来的纯水分别通过调节阀进入冷却水罐和吸收水罐。冷却水罐的纯水由泵输送到石墨合成炉冷却段和吸收段与合成氯化氢的溶解热进行热交换，然后经过板式换热器与凉水塔来的循环水换热后回到冷却水罐。设定好水罐的液位，自动调节阀自动调节水量保持液位稳定。

2 自动控制系统

三合一盐酸合成装置从点火开车、过程控制到停车，整个过程由DCS集中控制操作，现场无人值守。自动控制系统包括自动点火、自动联锁保护、氢氯自动配比、制酸自动控制等，大大提高了装置自动化水平及本质安全。

自动点火系统由在线火焰检测、自动开关阀、氢气阻火器、高压点火装置和程序控制组成。在满足点火条件的情况下，启动点火程序，装置进行以下操作：首先，氮气开关阀自动打开对合成炉进行氮气置换，置换完毕，氮气阀自动关闭；然后，点火空气阀自动打开，紧接着点火氢气阀自动打开，高压电子打火枪点着，点火小路氢气打开，石英灯头点着，点火小路氯气打开，火苗在中控室显示。操作人员可根据生产负荷逐步调节氢气和氯气流量。流量满足工艺参数要求后，点火确认，点火小路氯氢气自动阀关闭，即可投入比值联锁。

自动联锁保护系统设有整流跳闸、氯气泵跳闸、氢气泵跳闸、氢气压力低、氯气压力低、仪表气压力低、冷却水流量低、火焰检测等多个联锁保护，当任何一个联锁条件发生时，合成氯氢气切断阀、氯氢气调节阀全部关闭，自动打开充氮阀充氮保护，尾气负压切断阀打开，尾气风机自动打开，尾气正压切断阀关闭。如有特殊情况危及安全生产，可按紧急停车按钮，确保装置的安全。

氢气、氯气自动配比控制：根据火焰颜色、氯氢气纯度、盐酸中的游离氯含量、盐酸浓度确定氢氯配比，输入氢氯比例数值。生产中氢气或氯气纯度发生较大变化时，及时修正氢氯比值。自动调节吸收水流量，制得合格盐酸。

3 典型案例分析

3.1 人员操作失误

3.1.1 案例一

(1)事故经过。

由于纯水装置故障，纯水断流，吸收水罐液位偏低，调度通知合成岗位DCS操作人员降低生产负荷。岗位人员接到通知，认为吸收水少，为加快降负荷，直接降低吸收水，摘除氢氯配比联锁，按照停车步骤减氯气、氢气流量，此时尾气排空管大量氯化氢气体喷出，随即尾气管全部炸裂，紧急停炉。

(2)原因分析及措施。

当吸收水少时操作人员认为可能随时停车，DCS操作人员精神紧张，大量降低吸收水，氯化氢气体不能完全吸收，炉内压力急剧升高，导致合成炉尾气管炸裂。

正确的做法应该是：合成炉停车或降负荷时，先减氯气量，再减氢气量，最后减吸收水量；开车或升负荷时，首先加吸收水量 ，再加氢气量，最后加氯气量。为防范此类事故发生，应加强突发事件的应急能力和操作技能培训，提高操作人员操作能力，遇事冷静，避免操作失误。

3.1.2 案例二

(1)事故经过。

氢气处理岗位操作人员排氢气冷凝水，开启氢气缓冲器排水阀门后离开，氢气压力急降。合成岗位DCS操作人员发现后，立即摘除氢氯配比联锁，按照步骤减氯气、氢气流量，氢气压力达到联锁值，合成炉停炉。

(2)原因分析及措施。

氢气压力急降，DCS操作人员同时降氯气、氢气，同时氢气排空阀在排氢气，导致氢气压力低于联锁值25 kPa停车。合成用氯气为原氯、尾氯混合气，进合成氯气缓冲器前压力基本保持在0.11 MPa，经氯气调压阀调节压力保持在70～90 kPa，有2台液氯贮槽的尾气并入去合成氯气总管，氯气压力波动小；氢气直接来自氢气压缩机，经氢气排空阀调节压力保持在30～50 kPa，氢气压力缓冲能力相对低。

出现氢气压力降低时，合成工序只能减氯气，且关氢气排空阀，稳定氢气压力确保安全。为防范此类事故发生，应加强操作技能培训，避免操作失误。

3.1.3 案例三

(1)事故经过。

备用吸收水泵修好后，岗位人员连接好进出口管，当时正是白班和夜班的交接时间。现场操作人员开启泵进口阀后，运行水泵不上水，吸收水断流，随即尾气管氯化氢气体喷出，DCS操作人员没有来得及降合成负荷，尾气管已炸裂。

(2)原因分析及措施。

刚检修完的泵，泵体内全是空气，当现场操作人员打开备用泵进口阀，备用泵泵体内的气体进入运行泵进口，运行泵发生气缚现象断水。

正确的做法应该是：备用泵启动前先灌液，必须缓慢开启泵出口阀，将泵腔内的气体通过排空阀完全排出，再启泵运行。这是一次典型的操作失误，应加强操作人员的现场实操培训，杜绝此类事故发生。

3.2 设备设施维护不到位

3.2.1 案例一

(1)事例。

工段及仪表人员对备用炉多次点火失败。

(2)原因分析及措施。

总结点火失败的原因如下：氢气点火小路阻火器堵塞不畅或氢气旁路管线堵塞；点火高压包鼓包；点火枪头线路虚接；火焰检测信号线腐蚀老化。

措施：加强氢气冷却，降低水含量，检修时清洗后必须用干燥空气吹扫，点火前拔开点火小路氢气管，开手阀，阻火器畅通后再接管线，旁路手动开启开关阀，确认气流畅通；点火高压包失效，更换点火高压包；检查点火线路接头，点炉前拆下点火枪头，在点火柜上启动点火继电器，确认打火成功再投入使用；检查处理腐蚀老化的信号线。

3.2.2 案例二

(1)事故经过。

冬季合成炉点火成功，按照作业指导书要求小火运行20 min后，按照要求的速度加入氯氢气，在加量的过程中灯头破裂。

(2)原因分析及措施。

由于是冬季，天气寒冷，石英灯头预热时间短，氯氢气加量快，受温差应力的影响，石英灯头破裂。

修订完善作业指导书，点火成功后，延长灯头预热时间，燃烧30 min后，打开氢气、氯气主路切断阀，依次调节氢气、氯气流量调节阀，减缓加入量，氯气加入量不超过5 m3/min,保持氢气过量。

3.2.3 案例三

(1)事故。

冬季某日6时，合成炉氢氯比值联锁停车。

(2)原因分析及措施。

氢气含水量高，氢气管线没有伴热保温，氢气孔板流量计前后压力检测管冷凝水冻结，氢气流量反馈为零，氢氯比值小于1，联锁停车。

采取的措施是：对进合成炉的氢气管线、孔板流量计、自动调节阀、开关阀进行蒸汽伴热，对其保温。

3.3 仪器仪表及自动阀故障失灵

3.3.1 案例一

(1)事故。

氢氯比值1.3，并投入联锁，合成炉尾气时有过氯现象，盐酸游离氯偏高，紧急停炉。

(2)原因分析及措施。

孔板流量计及孔板取压管完好，经校检，流量检测变送器返回数据与实际不符。更换流量变送器，点炉后生产正常。

3.3.2 案例二

(1)事故。

氢氯配比波动频繁，而且氯气自动调节阀开度达100%，调节氯气阀，氯气流量变化不明显，产量上不去，阀密封处有轻微氯气泄漏，紧急停炉。

(2)原因分析及措施。

停炉后，检查调节阀开关度，现场开关与反馈信号相符；拆开氯气调节阀，阀内有酸泥，阀体上部波纹管破裂。更换阀体，开车后，氢氯配比稳定，产量可达到最大负荷。

3.4 原材料品质低

3.4.1 事故

氢氯比值1.25，并投入联锁，氢气流量1 025 m3/h，氯气流量820 m3/h，氯气调节阀开度逐渐变小，氯气系统压力升高，吸收水加入量正常，但是酸浓度下降，紧急停炉。

3.4.2 原因分析及措施

初步判定是氯气孔板流量计问题，拆开氯气孔板流量计，负压测压力管堵塞，导致氯气检测流量失真，氯气流量检测反馈值大于实际流量。甘肃稀土采用液环式真空泵输送氯气，液环介质为浓硫酸，95%干氯去合成工序，少量液化，氯气夹带酸泥，堵塞了孔板流量计压力管。类似的问题还有：氯气孔板流量计正压侧压力管堵塞，氯气流量检测反馈值小于真实流量，虽然氢氯比值1.25，但合成炉尾气过氯，紧急停炉，造成周围环境污染。事故原因均是由于氯气质量差导致孔板流量计压力管堵塞。

采取的措施：在干氯管线上加装1台酸雾捕集器，提高干氯气质量。

3.5 循环水系统冷却效果差

3.5.1 事例

合成炉运行几年后，炉温达到近50 ℃，盐酸浓度下降。

3.5.2 原因分析及措施

合成炉体采用纯水冷却，纯水通过不锈钢板式换热器与循环水换热。板式换热器纯水侧有铁锈附着物，纯水对碳钢炉体轻微腐蚀。循环水侧有料带、树枝、泥沙及结垢，岗位人员为防止料带、树枝堵塞水泵，抽掉过滤器滤芯。这样，纯水岗位的浓水全部流入循环水池，含有较多泥沙；加上循环水加药不及时，水质硬，导致板式换热器结垢。

为解决纯水对碳钢炉体的轻微腐蚀，在纯水槽中加入少量氢氧化钠，调节纯水pH值为8。及时恢复过滤器滤芯，对浓水澄清过滤，按时加入缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂，确保循环水水质。定期清洗板式换热器。

4 运行经验总结

(1)管理人员、工程技术人员不断学习盐酸合成理论知识、工艺原理、合成炉的构造特点、控制系统原理，深入生产一线，掌握第一手资料，多与实操人员交流、讨论，善于分析生产中出现的各类问题，制定切实可行的安全管理制度及三大规程，做到管理有章可循，管理精细化、操作标准化，严格考核，确保安全生产。

(2)加强岗位操作人员理论知识、典型案例的培训学习，提升其素质，提高实际操作水平及处理突发事件的能力，杜绝人为操作失误。

(3)对合成运行中的氢氯配比、氢氯流量、吸收水量、酸浓度、游离氯、出酸温度等指标要高度关注，掌握其内在的关联性，科学研判生产中存在的事故隐患，及时有效解决隐患，确保安全生产。

(4)选用质量可靠、运行稳定的自动化控制仪器、仪表、阀门，定期做好设备设施、仪器仪表、控制系统的维护保养，提高硬件本质安全。

(5)优化生产工艺，加强三规操作，提高原料质量，避免由于氢气含水、氯气含酸超标影响孔板流量计检测数据，避免发生事故。

5 结语

虽然盐酸合成技术越来越先进，自动化程度高，系统运行稳定性好，安全系数越来越高，但是还需同行不断的学习、总结、完善，形成一套科学严密的安全管理制度和操作规程，加强生产过程管控，严格控制工艺指标和原料质量，精心操作，沉着应对各种突发事件，才能确保盐酸合成装置的高效、安全、稳定、环保运行。