40萬t/a離子膜燒堿項目工藝改進特點

魏占鴻，于鳳剛，馬旻銳

（金川集團股份有限公司化工廠，甘肅 金昌 737100）

40萬t/a離子膜燒堿項目工藝改進特點

魏占鴻，于鳳剛，馬旻銳

（金川集團股份有限公司化工廠，甘肅 金昌 737100）

針對40萬t/a離子膜燒堿（一期）裝置工藝設(shè)備運行中存在的問題，研究并采取了相應(yīng)的解決措施，優(yōu)化改進了離子膜燒堿（二期）裝置的工藝設(shè)計，降低了設(shè)備故障率，取得了良好的運行效果。

離子膜燒堿；工藝設(shè)計；優(yōu)化；改進

金川集團股份有限公司化工廠40萬t/a離子膜燒堿項目分2期建設(shè)，一期20萬t/a項目于2009年9月正式投產(chǎn)；二期20萬t/a項目于2012年可研、設(shè)計。2期均由成達工程咨詢有限公司設(shè)計，針對一期裝置工藝設(shè)備運行中存在的問題，研究采取相應(yīng)的解決措施，優(yōu)化改進了二期裝置的工藝設(shè)計，取得了良好的效果[1]。

1 鹽水工序

1.1 鹽庫及化鹽池

針對一期密閉廠房冬季易產(chǎn)生蒸汽造成設(shè)備腐蝕的問題，二期采用半敞開式，設(shè)計了屋脊通風(fēng)器。因一期化鹽池易積泥、利用效率不高及布水偏流等問題，二期化鹽設(shè)置3個半地下式化鹽池，并將化鹽池由一期2臺6 000×8 000 mm改為3臺4 000×6 000 mm，適當(dāng)縮小化鹽池的截面積、提高水流比，有利于鏟運機上鹽，化鹽池內(nèi)鹽泥隨鹽水一同流出。二期布水管采用“日”型均布，每根布水管安裝菌帽，有效防止鹽泥進入布水管內(nèi)造成堵塞，降低化鹽效率，還便于生產(chǎn)運行、檢修和維護，提高了對原鹽的適應(yīng)能力。

1.2 化學(xué)品庫及精制劑配置

（1）一期化學(xué)品溶解采用地下溶解槽，存在輸送泵上液不暢、溶解槽效率低等問題。

（2）二期對一期裝置進行了改造。將一期3個溶解槽改為4 000×4 800×2 200 mm地下溶解池，分別配置機械攪拌、碳酸鈉池頂部增設(shè)吸塵裝置，改善了環(huán)境。溶解池采用瓷磚防腐、頂部封閉，池內(nèi)設(shè)計了風(fēng)管攪拌和蒸汽加熱，采用“離心泵+自引罐”輸送，提升了化學(xué)品試劑的溶解效率。

（3）將現(xiàn)有亞硫酸鈉、三氯化鐵儲罐改為2臺5 000×6 000 mm不銹鋼碳酸鈉儲罐，其中三氯化鐵為PVC/FRP儲罐。

1.3 鹽水過濾及預(yù)處理器

（1）一次鹽水采用“預(yù)處理+膜過濾”工藝。因使用3個產(chǎn)地的原鹽，鈣鎂、硫酸根等雜質(zhì)含量相對高，見表1。對二期項目預(yù)處理器的能力及排泥方式進行了技術(shù)改造。設(shè)計了2臺15 500×18 411 mm的1 924 m3預(yù)處理器，鹽水處理能增大到350 m3/h，將原有的渣池和濾液池合并，增大了渣池容積。亞鈉、鹽酸高位槽由6 m3改為13 m3，2期共用。

表1 2012年1-12月原鹽質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計表（平均值） %

（2）一期預(yù)處理器運行中出現(xiàn)中心筒易積泥、頻繁返混的問題。二期在中心筒設(shè)置排泥管，可根據(jù)生產(chǎn)需要隨時將中心筒內(nèi)的積泥外排，在檢修時能使中心筒與預(yù)處理器內(nèi)的液位同時下降，避免了因預(yù)處理器排水不當(dāng)導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加破壞防腐結(jié)構(gòu)。

1.4 渣池的改進

一期渣池室內(nèi)封閉式設(shè)計，存在造成渣池內(nèi)風(fēng)管堵塞、泵不上液等現(xiàn)象；二期渣池采用室外敞開、半地上式布置，增大了操作空間，避免渣池內(nèi)積泥、堵塞風(fēng)管，解決了自引罐、離心泵因負(fù)壓過大而不上液等問題。

1.5 后反應(yīng)槽的改進

一期后反應(yīng)槽內(nèi)碳酸鈉定點加入，存在碳酸鈉分布不均，反應(yīng)不完全，鹽水過堿量高、試劑消耗大，鹽水中鈣離子階段性超標(biāo)問題；二期后反應(yīng)槽的結(jié)構(gòu)、混合形式進行改造，在頂部周圍設(shè)置了折流槽，碳酸鈉先經(jīng)折流槽混合均勻進入后反應(yīng)槽，在后反應(yīng)槽下部設(shè)置強制循環(huán)泵，使鹽水與精制劑充分混合，反應(yīng)完全，延長了有效反應(yīng)時間，提高了鈣離子的去除率，降低了過濾精鹽水的過堿量。

2 電解工序

2.1 二次鹽水精制

二次鹽水單元設(shè)計采用“2+1”樹脂塔工藝流程，兩塔串聯(lián)，一塔再生，由DCS實現(xiàn)自動切換運行，見圖1。

一期二次鹽水樹脂塔運行中，塔內(nèi)壓力大導(dǎo)致塔中樹脂破碎量較大，鹽水由樹脂塔直接進入高位槽，樹脂塔出現(xiàn)問題后沒有緩沖能力；二期在樹脂塔后增設(shè)了超純鹽水貯槽，鹽水經(jīng)樹脂塔進入貯槽，再經(jīng)超純鹽水泵輸送至高位槽，降低了樹脂塔內(nèi)運行壓力、保證了安全運行。

2.2 電解裝置

電解單元設(shè)計8臺高電流密度復(fù)極式電解槽，單臺電解槽產(chǎn)能2.5萬t/a，優(yōu)化了工藝，減少了占地面積，節(jié)省了投資。

圖1 二次鹽水工藝流程圖

2.2.1 電解槽壓差調(diào)控裝置

在氯氫總管上分別設(shè)置2臺差壓變送器，氫氣與氯氣自動調(diào)節(jié)閥串級控制。與傳統(tǒng)的氯氫壓差控制方式相比，氯氫壓力取值更可靠，通過DCS更真實地獲取氯氫總管的壓差，避免因某個壓力變送器或差壓器信號錯誤而導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作，保證系統(tǒng)及時聯(lián)鎖停車，提高了運行的可靠性。

2.2.2 電解加酸工藝

一期電解槽加酸與脫氯、樹脂塔再生用酸共用一套加酸裝置，相互影響，導(dǎo)致電解槽加酸流量、脫氯pH值不穩(wěn)定；二期電解加酸與一期統(tǒng)籌考慮，氯酸鹽分解、樹脂塔再生、脫氯塔與電解槽加酸裝置分開設(shè)置，分別設(shè)置31%、17%鹽酸貯槽及鹽酸泵。改進后氯酸鹽分解、脫氯塔用酸與樹脂塔再生、電解槽加酸不再相互影響，有效穩(wěn)定了電解槽的加酸量和脫氯淡鹽水pH值。

2.2.3 電槽隔離裝置

針對一期單臺電解槽故障需檢修時，隔離過程壓力難以控制的問題，二期設(shè)計了一種用于電解槽隔離泄壓的裝置（見圖2），設(shè)置隔離電解槽用的氯氣、氫氣泄壓水封，水封注滿水時可以承受與電解槽相同的氣相壓力，氫氣氯氣水封壓差為4 kPa，2臺水封液位可同時下降。當(dāng)水封氣相與需隔離電解槽連通后，電解槽內(nèi)陰陽極氣相壓力隨著水封內(nèi)液位的下降而降低，最終降至平壓。操作過程，電解槽內(nèi)壓力穩(wěn)定，不會出現(xiàn)壓力波動，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，解決了單臺電解槽隔離對電解裝置的沖擊、損壞難題。

圖2 電解槽隔離裝置工藝原理圖

2.3 正負(fù)壓水封

一期電解系統(tǒng)運行中，90%以上的聯(lián)鎖停車均由氯氫壓差超標(biāo)導(dǎo)致；二期在由電解至氯氣處理總管上設(shè)置正負(fù)壓安全水封，穩(wěn)定了氯氫壓差，氯氣壓力控制在工藝指標(biāo)內(nèi)。

2.4 氯酸鹽分解與氯水系統(tǒng)

一期氯酸鹽分解系統(tǒng)，經(jīng)淡鹽水循環(huán)泵送至板式換熱器加熱到95℃，加酸調(diào)節(jié)pH值后送至氯酸鹽分解槽，氯水溢流至氯水槽，經(jīng)氯水泵輸送至脫氯塔內(nèi)。因氯水槽收集氯氣洗滌、脫氯真空泵冷凝水、陽極循環(huán)取樣檢測水，運行中氯水泵常出現(xiàn)氣縛、不上液等，導(dǎo)致氯水槽冒槽等。

二期進行了改造，取消氯水槽，以陽極液排放槽替代氯水槽，并在陽極液排放泵出口增加板式換熱器，對鹽水加溫至90℃后輸送至脫氯塔；將氯酸鹽分解槽和泵分別布置在脫氯框架上下層，避免了泵的氣縛現(xiàn)象。使脫氯塔鹽水溫度保持在88～90℃，提高了脫氯效率，增大了生產(chǎn)檢修時間，解決了輸送泵的氣縛問題。

2.5 陰陽極氣相壓力控制

一期電解陰陽極氣相壓力設(shè)計40/44 kPa，當(dāng)系統(tǒng)高負(fù)荷運行時意外跳車，泄壓過程中容易造成較大的正負(fù)壓差。二期將陰陽極氣相壓力設(shè)計值降低至24/28 kPa，有效減小了意外跳車時造成的正負(fù)壓差。

3 脫氯脫硝工序

3.1 脫硝工序

由于一期原鹽硫酸根含量偏高（設(shè)計值1.5%），二期選用HVM膜過濾器脫硝工藝，裝置設(shè)計能力確定為1 300 kg/h，并將一期淡鹽水引入二期裝置，平衡生產(chǎn)操作，見表2。

表2 HVM膜和戈爾膜過濾器工藝參數(shù)比較

二期脫硝改進了調(diào)酸工藝。采用活塞計量泵在2個板式換熱器前后經(jīng)一、二級調(diào)酸度，pH值穩(wěn)定在6，不合格鹽水返回配水，合格鹽水通過膜組件除去硫酸根，在膜組件后加NaOH，使鹽水偏堿性，以防止管道腐蝕，并將沉硝槽設(shè)在分離機上方，自壓出料。

3.2 增設(shè)活性炭過濾器

一期沒有活性炭過濾裝置，運行中由于鹽水中游離氯、氯酸根超標(biāo)，導(dǎo)致納濾膜被氧化，降低納濾膜的使用壽命。

經(jīng)過“二級鈦板換熱器”降溫后的淡鹽水進入活性炭過濾器，經(jīng)其內(nèi)部填裝的椰殼濾料（活性炭顆粒），將水中有機物和游離氯吸附，確保淡鹽水余氯不超標(biāo)，使納濾膜的壽命提高至2年以上。淡鹽水采用機械真空泵脫氯，真空度穩(wěn)定，脫氯淡鹽水含游離氯≤30 mg/L。

3.3 淡鹽水預(yù)處理工藝改進

脫硝淡鹽水預(yù)處理與一期相比，一是采用“高位槽+自動閥+流量計”鹽酸、亞硫酸鈉穩(wěn)定加入工藝，保證壓力穩(wěn)定；二是采用了兩級加酸調(diào)節(jié)pH值，實現(xiàn)酸水混配、強制紊流、梯度加酸的功能，pH值調(diào)節(jié)可控性高；三是增加了二級式余氯去除裝置，利用活性炭、亞硫酸鈉有效去除鹽水中的余氯，防止氧化納濾膜；四是使用膜法透過液和工業(yè)冷卻水冷卻鹽水，一級鈦板換熱器利用膜法透過液作為冷源進行交換，一級換熱后的冷鹽水，經(jīng)過二級鈦板換熱器換熱至工藝溫度，二級換熱的冷源為工業(yè)冷卻水，降低能源消耗。

3.4 膜過濾系統(tǒng)

一期脫硝經(jīng)膜法系統(tǒng)后濃縮液含Na2SO440 g/L。二期設(shè)置2級膜過濾系統(tǒng)，脫硝一級膜法濃縮液含Na2SO460 g/L，再經(jīng)二級濃縮，Na2SO4含量上升至80～100 g/L，濃縮后先定量調(diào)節(jié)pH值至8，再進入結(jié)晶槽，通過冷凍結(jié)晶后分離去除，提高富硝鹽水中硫酸鈉濃度。

3.5 富硝鹽水冷凍系統(tǒng)

一期脫硝采用“列管式換熱器+氟壓機”冷凍工藝，結(jié)晶設(shè)置兌鹵槽與沉硝槽，兌鹵槽內(nèi)鹽水控制在-3～-5℃。運行中存在列管式換熱器堵塞、腐蝕內(nèi)漏、熱損失大等問題。

二期脫硝冷凍系統(tǒng)采用“板式換熱器+冷水機組”冷凍工藝，用乙二醇為富硝鹽水降溫。根據(jù)板式換熱器內(nèi)富硝鹽水壓力自動反清洗，保證了換熱效率。

4 氯氫處理工序

4.1 氯氣壓縮機

二期選用德國西門子STC-SH（9-2-VRZ）氯氣壓縮機，氫壓機由原3臺進口改為2臺國產(chǎn)淄博真正空大流量氫氣壓縮機，1開1備。

4.2 一二期氯氫系統(tǒng)并網(wǎng)

因離子膜燒堿裝置分2期建設(shè)，設(shè)計一、二期互為配套PVC裝置送氯氣和氫氣，會引起系統(tǒng)的壓力波動，一套裝置意外跳車可能會引發(fā)另一裝置跳車問題。

二期充分考慮一期與二期氯氣和氫氣互為補充和安全穩(wěn)定并網(wǎng)的方案（見圖3），在2個分配臺出口設(shè)置1臺具有快關(guān)功能的自動調(diào)節(jié)閥、兩個分配臺上各設(shè)置1臺壓力變送器、2個分配臺之間設(shè)置1個緩沖罐、氣體緩沖罐上設(shè)置1臺壓力變送器、緩沖罐出口至PVC裝置管道上設(shè)置1臺自動閥。氣體分配臺上壓力變送器的取值與氣體分配臺出口調(diào)節(jié)閥表串級控制，保持分配臺的壓力穩(wěn)定；電解裝置跳車信號與氣體分配臺出口閥門連鎖控制，電解裝置跳車后，自動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，有效減小因2套系統(tǒng)跳車相互間的影響。

圖3 一二期氯氣和氫氣并網(wǎng)工藝流程圖

5 液氯工序

5.1氯氣液化

二期液氯增加了2臺W-JNZLG16ⅢF125液化機組，2臺液氯? 2 800×13 934/12 200 16MnDR貯槽。

5.2 廢氯氣處理

一期氯氣液化裝置因貯槽尾氣排放管小存在憋壓的安全隱患。二期對液氯貯槽尾氣排放管道由DN50改為DN80，保證液氯貯槽能夠安全泄壓，避免液化槽下液不暢和冒槽事故。

5.3 SIS系統(tǒng)

二期按照國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在液氯貯槽的進出口設(shè)置緊急切斷閥，并在液氯系統(tǒng)單獨設(shè)置SIS控制系統(tǒng)。

6 鹽酸合成工序

二期采用2臺二合一副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐，副產(chǎn)0.3～0.4 MPa的蒸汽并入燒堿蒸汽管網(wǎng)。在兩級降膜吸收塔后增加了尾氣吸收塔，配置了水力噴射器吸收，生產(chǎn)31%高純鹽酸，每1 t氯化氫氣體可副產(chǎn)低壓壓蒸汽 0.6～0.7 t。

7 液體罐區(qū)

7.1 自壓裝車系統(tǒng)

一期液體罐區(qū)采用機泵裝車，泵出口壓力大、各個裝車鶴管流量影響泵出口壓力，存在不安全因素。二期將液體罐區(qū)燒堿、鹽酸貯槽設(shè)計為全自壓裝車系統(tǒng)，泵僅用于酸堿倒罐，提高了酸堿充裝的安全系數(shù)，降低了運行成本。

7.2 酸堿應(yīng)急系統(tǒng)

二期液體罐區(qū)設(shè)置酸堿應(yīng)急系統(tǒng)，在液體罐區(qū)分別設(shè)計1個2 000×2 500×2 500 mm鹽酸、燒堿事故應(yīng)急池，避免液堿或鹽酸外泄對周邊環(huán)境的污染。

8 廢氣處理

二期對原廢氣管道進行了優(yōu)化配置。一是單獨設(shè)置了合成氯氣緩沖罐至廢氣吸收塔、液氯槽車排壓工藝；二是在一二期各工序廢氯氣支管并入總管之前設(shè)置了控制閥，以方便任何一套系統(tǒng)故障的應(yīng)急處理和安全檢修。

9 電氣及儀控系統(tǒng)

9.1 電氣

二期配置2臺2500kVA的干式變壓器，3個I/O站。整流采用KHS-16.5 kA/540 V型整流器，5英寸大功率低損耗整流元件。采用EPS應(yīng)急電源，EPS充電模塊采用了可冗余的高頻開關(guān)電源充電模塊，通過逆變器在事故狀態(tài)下向應(yīng)急負(fù)荷供電，保證在一組出現(xiàn)故障時系統(tǒng)照常運行。

9.2 氫氣與氯氣總管自動閥串級控制

氯氣、氫氣總管各設(shè)置3臺壓力變送器實現(xiàn)在線檢測，設(shè)置2臺氯、氫差壓變送器完成對氯氣、氫氣的差壓值實時測量。與傳統(tǒng)的控制相比，該方式氯氫壓力取值更準(zhǔn)確、可靠，通過DCS系統(tǒng)比較取值后，避免了某個信號錯誤而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤動作，確保離子膜燒堿裝置的安全穩(wěn)定運行?？刂品绞揭妶D4。

圖4 氯氫總管壓力工藝控制原理圖

10 結(jié)論

40 kt/a離子膜燒堿二期項目在一期基礎(chǔ)上進行了工藝優(yōu)化改進，電解采用8臺2.5萬t/aNBZ-2.7膜極距電解槽，噸堿直流電耗降低約60 kW·h，合成采用副產(chǎn)蒸汽的二合一氯化氫合成爐，利用反應(yīng)熱副產(chǎn)蒸汽，降低了蒸汽和循環(huán)水的消耗；氯氫處理選擇大型氫氣壓縮機，氫氣壓縮機數(shù)量從3臺減少到2臺，簡化了工藝流程，采用三效逆流降膜蒸發(fā)工藝生產(chǎn)50%液堿，項目工藝先進，產(chǎn)品質(zhì)量好，能耗低，運行故障率低，取得了良好的效果。

[1]姜錦.40萬t/a離子膜燒堿（二期）項目整流機組技術(shù)方案.中國氯堿，2017，2：9-10.

Characteristics of process improvement about project of 400 kt/a ion-exchange-membrane caustic soda

WEi Zhan-hong， YU Feng-gang，MA Min-rui

（Jinchuan Group Co.,Ltd.,Jinchang 737100， China）

According to 400 kt/a ion-exchange-membrane caustic soda（first phase）existing in the operation of process equipment，research and take the corresponding solution measures，optimize and improve the process design of device about ion-exchange-membrane caustic soda （the second phase），reduce the equipment failure rate，obtain a good running effect.

ion-exchange-membrane caustic soda；process design；optimization；improvement

TQ114.26

B

1009-1785(2017)10-0003-05

2017-05-10