三合一石墨鹽酸合成爐安全運行總結

蘇發(fā)東

(甘肅稀土新材料股份有限公司，甘肅 白銀 730922)

甘肅稀土新材料股份有限公司(以下簡稱“甘肅稀土”)2011年淘汰了上點火式負壓三合一石墨合成爐，而采用先進成熟的下點火式正壓三合一石墨合成爐，由DCS自動控制，經高純水吸收制備高純鹽酸。該裝置技術成熟、工藝先進、自動化程度高，鹽酸合成裝置的本質安全大大提高。但是該生產裝置多年運行的經驗教訓值得重視，如人員操作失誤，設備設施維護保養(yǎng)及保溫不到位，儀器儀表及自動閥故障失靈，原材料品質低，循環(huán)水系統(tǒng)冷卻效果差等因素會造成生產被動，使產品質量降低，甚至發(fā)生安全事故，污染周圍環(huán)境等事件。下面通過分析總結產生以上問題的原因，并制定切實可行的措施，確保鹽酸合成爐高效、安全、穩(wěn)定、環(huán)保運行。

1 工藝流程

干燥的氯氣經自動調節(jié)閥進入氯氣緩沖器，穩(wěn)壓在70～90 kPa；干燥的氫氣經氫氣壓縮機加壓，進入氫氣緩沖器，經自動排空調節(jié)閥穩(wěn)壓在30～50 kPa。開啟氯氫氣手閥，通過自動點火程序完成點爐。點爐后，干燥的氯氣和干燥的氫氣以一定的比例[氫氣、氯氣摩爾比(1.05～1.40)∶1]進入石墨合成爐底部的石英燈頭，氫氣和氯氣流量分別自動檢測，并根據設置的比例自動跟蹤調節(jié)，確保氫氯配比。氯氣走石英燈頭的內層，氫氣走石英燈頭的外層，二者在石英燈頭前混合燃燒，合成的氯化氫進入冷卻、吸收段，經尾氣吸收塔來的稀鹽酸吸收后制成鹽酸；未被吸收完全的尾氣(大部分是不凝性氣體)經過尾氣吸收塔處理達標后排放。吸收水罐的純水由泵送至尾氣吸收塔吸收HCl，再進入合成爐吸收段進行吸收，制得高純鹽酸。

從界區(qū)外來的純水分別通過調節(jié)閥進入冷卻水罐和吸收水罐。冷卻水罐的純水由泵輸送到石墨合成爐冷卻段和吸收段與合成氯化氫的溶解熱進行熱交換，然后經過板式換熱器與涼水塔來的循環(huán)水換熱后回到冷卻水罐。設定好水罐的液位，自動調節(jié)閥自動調節(jié)水量保持液位穩(wěn)定。

2 自動控制系統(tǒng)

三合一鹽酸合成裝置從點火開車、過程控制到停車，整個過程由DCS集中控制操作，現(xiàn)場無人值守。自動控制系統(tǒng)包括自動點火、自動聯(lián)鎖保護、氫氯自動配比、制酸自動控制等，大大提高了裝置自動化水平及本質安全。

自動點火系統(tǒng)由在線火焰檢測、自動開關閥、氫氣阻火器、高壓點火裝置和程序控制組成。在滿足點火條件的情況下，啟動點火程序，裝置進行以下操作：首先，氮氣開關閥自動打開對合成爐進行氮氣置換，置換完畢，氮氣閥自動關閉；然后，點火空氣閥自動打開，緊接著點火氫氣閥自動打開，高壓電子打火槍點著，點火小路氫氣打開，石英燈頭點著，點火小路氯氣打開，火苗在中控室顯示。操作人員可根據生產負荷逐步調節(jié)氫氣和氯氣流量。流量滿足工藝參數(shù)要求后，點火確認，點火小路氯氫氣自動閥關閉，即可投入比值聯(lián)鎖。

自動聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設有整流跳閘、氯氣泵跳閘、氫氣泵跳閘、氫氣壓力低、氯氣壓力低、儀表氣壓力低、冷卻水流量低、火焰檢測等多個聯(lián)鎖保護，當任何一個聯(lián)鎖條件發(fā)生時，合成氯氫氣切斷閥、氯氫氣調節(jié)閥全部關閉，自動打開充氮閥充氮保護，尾氣負壓切斷閥打開，尾氣風機自動打開，尾氣正壓切斷閥關閉。如有特殊情況危及安全生產，可按緊急停車按鈕，確保裝置的安全。

氫氣、氯氣自動配比控制：根據火焰顏色、氯氫氣純度、鹽酸中的游離氯含量、鹽酸濃度確定氫氯配比，輸入氫氯比例數(shù)值。生產中氫氣或氯氣純度發(fā)生較大變化時，及時修正氫氯比值。自動調節(jié)吸收水流量，制得合格鹽酸。

3 典型案例分析

3.1 人員操作失誤

3.1.1 案例一

(1)事故經過。

由于純水裝置故障，純水斷流，吸收水罐液位偏低，調度通知合成崗位DCS操作人員降低生產負荷。崗位人員接到通知，認為吸收水少，為加快降負荷，直接降低吸收水，摘除氫氯配比聯(lián)鎖，按照停車步驟減氯氣、氫氣流量，此時尾氣排空管大量氯化氫氣體噴出，隨即尾氣管全部炸裂，緊急停爐。

(2)原因分析及措施。

當吸收水少時操作人員認為可能隨時停車，DCS操作人員精神緊張，大量降低吸收水，氯化氫氣體不能完全吸收，爐內壓力急劇升高，導致合成爐尾氣管炸裂。

正確的做法應該是：合成爐停車或降負荷時，先減氯氣量，再減氫氣量，最后減吸收水量；開車或升負荷時，首先加吸收水量 ，再加氫氣量，最后加氯氣量。為防范此類事故發(fā)生，應加強突發(fā)事件的應急能力和操作技能培訓，提高操作人員操作能力，遇事冷靜，避免操作失誤。

3.1.2 案例二

(1)事故經過。

氫氣處理崗位操作人員排氫氣冷凝水，開啟氫氣緩沖器排水閥門后離開，氫氣壓力急降。合成崗位DCS操作人員發(fā)現(xiàn)后，立即摘除氫氯配比聯(lián)鎖，按照步驟減氯氣、氫氣流量，氫氣壓力達到聯(lián)鎖值，合成爐停爐。

(2)原因分析及措施。

氫氣壓力急降，DCS操作人員同時降氯氣、氫氣，同時氫氣排空閥在排氫氣，導致氫氣壓力低于聯(lián)鎖值25 kPa停車。合成用氯氣為原氯、尾氯混合氣，進合成氯氣緩沖器前壓力基本保持在0.11 MPa，經氯氣調壓閥調節(jié)壓力保持在70～90 kPa，有2臺液氯貯槽的尾氣并入去合成氯氣總管，氯氣壓力波動??；氫氣直接來自氫氣壓縮機，經氫氣排空閥調節(jié)壓力保持在30～50 kPa，氫氣壓力緩沖能力相對低。

出現(xiàn)氫氣壓力降低時，合成工序只能減氯氣，且關氫氣排空閥，穩(wěn)定氫氣壓力確保安全。為防范此類事故發(fā)生，應加強操作技能培訓，避免操作失誤。

3.1.3 案例三

(1)事故經過。

備用吸收水泵修好后，崗位人員連接好進出口管，當時正是白班和夜班的交接時間?，F(xiàn)場操作人員開啟泵進口閥后，運行水泵不上水，吸收水斷流，隨即尾氣管氯化氫氣體噴出，DCS操作人員沒有來得及降合成負荷，尾氣管已炸裂。

(2)原因分析及措施。

剛檢修完的泵，泵體內全是空氣，當現(xiàn)場操作人員打開備用泵進口閥，備用泵泵體內的氣體進入運行泵進口，運行泵發(fā)生氣縛現(xiàn)象斷水。

正確的做法應該是：備用泵啟動前先灌液，必須緩慢開啟泵出口閥，將泵腔內的氣體通過排空閥完全排出，再啟泵運行。這是一次典型的操作失誤，應加強操作人員的現(xiàn)場實操培訓，杜絕此類事故發(fā)生。

3.2 設備設施維護不到位

3.2.1 案例一

(1)事例。

工段及儀表人員對備用爐多次點火失敗。

(2)原因分析及措施。

總結點火失敗的原因如下：氫氣點火小路阻火器堵塞不暢或氫氣旁路管線堵塞；點火高壓包鼓包；點火槍頭線路虛接；火焰檢測信號線腐蝕老化。

措施：加強氫氣冷卻，降低水含量，檢修時清洗后必須用干燥空氣吹掃，點火前拔開點火小路氫氣管，開手閥，阻火器暢通后再接管線，旁路手動開啟開關閥，確認氣流暢通；點火高壓包失效，更換點火高壓包；檢查點火線路接頭，點爐前拆下點火槍頭，在點火柜上啟動點火繼電器，確認打火成功再投入使用；檢查處理腐蝕老化的信號線。

3.2.2 案例二

(1)事故經過。

冬季合成爐點火成功，按照作業(yè)指導書要求小火運行20 min后，按照要求的速度加入氯氫氣，在加量的過程中燈頭破裂。

(2)原因分析及措施。

由于是冬季，天氣寒冷，石英燈頭預熱時間短，氯氫氣加量快，受溫差應力的影響，石英燈頭破裂。

修訂完善作業(yè)指導書，點火成功后，延長燈頭預熱時間，燃燒30 min后，打開氫氣、氯氣主路切斷閥，依次調節(jié)氫氣、氯氣流量調節(jié)閥，減緩加入量，氯氣加入量不超過5 m3/min,保持氫氣過量。

3.2.3 案例三

(1)事故。

冬季某日6時，合成爐氫氯比值聯(lián)鎖停車。

(2)原因分析及措施。

氫氣含水量高，氫氣管線沒有伴熱保溫，氫氣孔板流量計前后壓力檢測管冷凝水凍結，氫氣流量反饋為零，氫氯比值小于1，聯(lián)鎖停車。

采取的措施是：對進合成爐的氫氣管線、孔板流量計、自動調節(jié)閥、開關閥進行蒸汽伴熱，對其保溫。

3.3 儀器儀表及自動閥故障失靈

3.3.1 案例一

(1)事故。

氫氯比值1.3，并投入聯(lián)鎖，合成爐尾氣時有過氯現(xiàn)象，鹽酸游離氯偏高，緊急停爐。

(2)原因分析及措施。

孔板流量計及孔板取壓管完好，經校檢，流量檢測變送器返回數(shù)據與實際不符。更換流量變送器，點爐后生產正常。

3.3.2 案例二

(1)事故。

氫氯配比波動頻繁，而且氯氣自動調節(jié)閥開度達100%，調節(jié)氯氣閥，氯氣流量變化不明顯，產量上不去，閥密封處有輕微氯氣泄漏，緊急停爐。

(2)原因分析及措施。

停爐后，檢查調節(jié)閥開關度，現(xiàn)場開關與反饋信號相符；拆開氯氣調節(jié)閥，閥內有酸泥，閥體上部波紋管破裂。更換閥體，開車后，氫氯配比穩(wěn)定，產量可達到最大負荷。

3.4 原材料品質低

3.4.1 事故

氫氯比值1.25，并投入聯(lián)鎖，氫氣流量1 025 m3/h，氯氣流量820 m3/h，氯氣調節(jié)閥開度逐漸變小，氯氣系統(tǒng)壓力升高，吸收水加入量正常，但是酸濃度下降，緊急停爐。

3.4.2 原因分析及措施

初步判定是氯氣孔板流量計問題，拆開氯氣孔板流量計，負壓測壓力管堵塞，導致氯氣檢測流量失真，氯氣流量檢測反饋值大于實際流量。甘肅稀土采用液環(huán)式真空泵輸送氯氣，液環(huán)介質為濃硫酸，95%干氯去合成工序，少量液化，氯氣夾帶酸泥，堵塞了孔板流量計壓力管。類似的問題還有：氯氣孔板流量計正壓側壓力管堵塞，氯氣流量檢測反饋值小于真實流量，雖然氫氯比值1.25，但合成爐尾氣過氯，緊急停爐，造成周圍環(huán)境污染。事故原因均是由于氯氣質量差導致孔板流量計壓力管堵塞。

采取的措施：在干氯管線上加裝1臺酸霧捕集器，提高干氯氣質量。

3.5 循環(huán)水系統(tǒng)冷卻效果差

3.5.1 事例

合成爐運行幾年后，爐溫達到近50 ℃，鹽酸濃度下降。

3.5.2 原因分析及措施

合成爐體采用純水冷卻，純水通過不銹鋼板式換熱器與循環(huán)水換熱。板式換熱器純水側有鐵銹附著物，純水對碳鋼爐體輕微腐蝕。循環(huán)水側有料帶、樹枝、泥沙及結垢，崗位人員為防止料帶、樹枝堵塞水泵，抽掉過濾器濾芯。這樣，純水崗位的濃水全部流入循環(huán)水池，含有較多泥沙；加上循環(huán)水加藥不及時，水質硬，導致板式換熱器結垢。

為解決純水對碳鋼爐體的輕微腐蝕，在純水槽中加入少量氫氧化鈉，調節(jié)純水pH值為8。及時恢復過濾器濾芯，對濃水澄清過濾，按時加入緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑，確保循環(huán)水水質。定期清洗板式換熱器。

4 運行經驗總結

(1)管理人員、工程技術人員不斷學習鹽酸合成理論知識、工藝原理、合成爐的構造特點、控制系統(tǒng)原理，深入生產一線，掌握第一手資料，多與實操人員交流、討論，善于分析生產中出現(xiàn)的各類問題，制定切實可行的安全管理制度及三大規(guī)程，做到管理有章可循，管理精細化、操作標準化，嚴格考核，確保安全生產。

(2)加強崗位操作人員理論知識、典型案例的培訓學習，提升其素質，提高實際操作水平及處理突發(fā)事件的能力，杜絕人為操作失誤。

(3)對合成運行中的氫氯配比、氫氯流量、吸收水量、酸濃度、游離氯、出酸溫度等指標要高度關注，掌握其內在的關聯(lián)性，科學研判生產中存在的事故隱患，及時有效解決隱患，確保安全生產。

(4)選用質量可靠、運行穩(wěn)定的自動化控制儀器、儀表、閥門，定期做好設備設施、儀器儀表、控制系統(tǒng)的維護保養(yǎng)，提高硬件本質安全。

(5)優(yōu)化生產工藝，加強三規(guī)操作，提高原料質量，避免由于氫氣含水、氯氣含酸超標影響孔板流量計檢測數(shù)據，避免發(fā)生事故。

5 結語

雖然鹽酸合成技術越來越先進，自動化程度高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好，安全系數(shù)越來越高，但是還需同行不斷的學習、總結、完善，形成一套科學嚴密的安全管理制度和操作規(guī)程，加強生產過程管控，嚴格控制工藝指標和原料質量，精心操作，沉著應對各種突發(fā)事件，才能確保鹽酸合成裝置的高效、安全、穩(wěn)定、環(huán)保運行。