濕法乙炔發(fā)生工藝的優(yōu)化及應(yīng)用

王學(xué)東，許瓊武

（昆明云能化工有限公司，云南 昆明 650000）

昆明云能化工有限公司（以下簡稱“昆能化工”）是以生產(chǎn)燒堿和PVC樹脂為主、鹽酸、液氯和次氯酸鈉為輔的氯堿企業(yè)。燒堿產(chǎn)能10萬t/a，PVC樹脂10萬t/a，鹽酸10萬t/a，液氯4萬t/a，次氯酸鈉2萬t/a。乙炔發(fā)生工藝裝置是PVC樹脂生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，其能否正常運行，影響著發(fā)生器的生產(chǎn)能力和安全運行、DCS操作人員勞動強度及PVC電石消耗。因此，針對乙炔發(fā)生工序工藝裝置運行中存在的問題進行優(yōu)化改進就顯得十分重要。

1 乙炔發(fā)生工序工藝流程

昆能化工乙炔發(fā)生工序共有4臺乙炔發(fā)生器，正常開3備1。

來自電石破碎的標準規(guī)格電石送入小加料斗后暫時貯存，用氮氣對上加料斗置換后，將小加料斗中貯存的電石加入上加料斗，之后再用氮氣對上加料斗進行二次置換，置換后將電石加入下加料斗，通過振動加料器將電石按要求的量加入發(fā)生器。為滿足開、停車的置換要求，下加料斗設(shè)置氮氣管和放空管。

發(fā)生器下加料斗乙炔氣回收系統(tǒng)由DCS程序控制，在下加料斗回收乙炔投入后，程序給出下活門開啟條件，下活門暫不開啟，程序判斷下加料斗壓力大于冷卻塔進口壓力，開啟下加料斗回收閥，回收下加料斗乙炔氣至冷卻塔進口；下加料斗壓力等于冷卻塔進口壓力，關(guān)閉下加料斗回收閥，程序觸發(fā)開啟下活門進行電石下料操作；若程序判斷下加料斗壓力等于或小于冷卻塔進口壓力，程序直接觸發(fā)開啟下活門進行電石下料操作。

電石加入發(fā)生器后與水反應(yīng)生成粗乙炔氣和電石渣漿并放出反應(yīng)熱，同時來自渣漿分離器的上清液補充進入發(fā)生器，控制反應(yīng)溫度保持在75~88℃并保持液面穩(wěn)定；生成的粗乙炔氣中夾帶有大量的渣漿從發(fā)生器頂部逸出進入渣漿分離器，生成的渣漿通過連續(xù)溢流和間歇排渣的方式排入渣漿池或渣漿回收乙炔（改造后的工藝流程）工序渣漿緩沖罐，同時移走反應(yīng)熱。為滿足開、停車的置換要求，發(fā)生器本體上設(shè)置氮氣管和放空管；為保證渣漿排出管的暢通，在渣漿溢流管和發(fā)生器底部排渣管上設(shè)置上清液進水管，便于需要時進行沖洗；為應(yīng)對特殊情況，在發(fā)生器錐體上設(shè)置上清液進水管；為保證液面計的清潔及準確，通入生產(chǎn)水或離心母液進行清洗。

發(fā)生器上部氣相與安全水封相連接，當發(fā)生器壓力超高時，乙炔由安全水封直接放空，避免壓力超高造成事故。安全水封設(shè)置生產(chǎn)水（已簽封，必要時才使用）和上清液補充清洗水管。發(fā)生器上部設(shè)有溢流通道，當發(fā)生器液位高限時，渣漿可通過自溢流通道流入溢流水封，水封槽液封高度為2 200 mm。

每臺發(fā)生器排渣管連接至排渣總管（改造后的工藝流程），排渣時渣漿自總管排入渣漿緩沖池，為保證發(fā)生器排渣總管內(nèi)含氧小于2%，總管出口端用水封形式封閉，并保持少量氮氣吹掃。

每臺發(fā)生器溢流管連接至溢流總管（改造后的工藝流程），渣漿自溢流總管匯入渣漿回收乙炔工序渣漿緩沖罐，當渣漿回收乙炔裝置故障不開車時，發(fā)生器溢流渣漿可通過原溢流總管或渣漿緩沖罐底部排到渣漿圓池。發(fā)生工序所有廢水、渣漿均匯入渣漿圓池。

2 運行過程中存在的主要問題

（1）活門卡料或拉料情況

經(jīng)生產(chǎn)運行統(tǒng)計，活門卡料的頻次在255次/月左右，活門卡料較為嚴重，對于發(fā)生器的生產(chǎn)負荷（生產(chǎn)能力）和安全運行影響較大。

（2）溢流管溢流不暢

因電石原料來自不同產(chǎn)地，不同原料生產(chǎn)的電石差異導(dǎo)致電石水解產(chǎn)生的上清液或渣漿濃度不同，易導(dǎo)致乙炔發(fā)生器溢流管溢流不暢，發(fā)生器的負荷和溫度難于控制，為穩(wěn)定生產(chǎn)，只能增加發(fā)生器排渣次數(shù)，未反應(yīng)完全的電石顆粒等隨渣漿一起排出，電石消耗升高了，增加了排渣的安全風(fēng)險。

（3）電石給料不均勻

下加料斗的電石給料器，因自制的設(shè)備存在缺陷，不能平穩(wěn)控制電石給料量，在由上加料斗放電石到下加料斗過程中，容易發(fā)生沖料，導(dǎo)致發(fā)生器壓力瞬間升高，沖破安全水封泄壓，造成乙炔氣排放損失，使PVC產(chǎn)品電石消耗升高。

（4）電石排渣管存在的安全缺陷

4臺發(fā)生器的排渣管分別直接排放到排渣溝，由排渣溝流到撈渣池，再由撈渣池排進渣漿圓池。在排渣操作過程中由于排渣閥泄漏等原因，容易造成排渣溝著火，存在較大安全隱患。

（5）操作自動化程度低，員工勞動強度大

自電石送入小加料斗暫時貯存，到將小加料斗中貯存的電石加入上加料斗，電石由上加料斗加入下加料斗，最后通過振動加料器將電石按要求的量加入發(fā)生器，整個過程均為人工操作通過小加料斗的視頻給小加料斗送料，通過上加料斗和下加料斗倉壁振動器聲音判斷電石用完后加料，人工判斷加料條件，導(dǎo)致員工勞動強度大，高度緊張，還會因員工判斷失誤，導(dǎo)致電石拉料，發(fā)生著火事故。

（6）溢流的電石渣漿上清液溶解的乙炔氣未回收利用

原發(fā)生器溢流的電石渣漿上清液直接排放到渣漿圓池，溶解在上清液內(nèi)的乙炔氣體未回收，造成乙炔氣流失，PVC電石消耗升高并存在安全隱患。

（7）次鈉廢液未回收利用，導(dǎo)致乙炔工序水不平衡

原設(shè)計為乙炔凈化后的廢次鈉溶液直接排放到渣漿圓池，溶解在廢次鈉液內(nèi)的乙炔氣體未回收，導(dǎo)致乙炔氣流失，PVC電石消耗增加并存在安全隱患，同時次鈉廢液未回收利用，使用一次水（20 m3/h）來配制次氯酸鈉，導(dǎo)致乙炔工序水不平衡。

（8）電石輸送回收的電石粉塵未再利用

電石粉塵通過除塵器收集，人工裝袋，倒運到渣庫排放，現(xiàn)場粉塵大，環(huán)境差，同時在渣庫倒電石粉塵時，作業(yè)過程存在安全風(fēng)險。

3 解決措施

3.1 活門卡料

針對乙炔發(fā)生活門卡料的原因進行分析和查找，首先對卡料及卡料清理出的電石粒度進行統(tǒng)計分析，電石粒度基本滿足工藝控制指標（50~80 mm），判斷電石粒度控制不是活門卡料的主要原因。其次研究活門結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在用活門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)即內(nèi)部通徑與上下連接的法蘭管件小，導(dǎo)致卡料頻繁發(fā)生。對電石進料閥（活門）進行專業(yè)改造，統(tǒng)一了4臺發(fā)生器的8個電石進料閥（活門）型號，將電石進料閥（活門）直徑由現(xiàn)在的DN300改為DN400，并將重錘式電石進料閥（活門）改為更先進的輪盤自控式電石進料閥（活門），從根本上解決了電石卡料頻繁的問題。

3.2 溢流管溢流不暢

針對使用不同地區(qū)生產(chǎn)的電石，產(chǎn)生不同的渣漿濃度及黏度，造成乙炔發(fā)生器溢流管溢流不暢的問題，對發(fā)生器的工藝設(shè)計原理及運行原理進行研究，對發(fā)生器的運行壓力進行統(tǒng)計分析，對安全水封的設(shè)計壓力及乙炔發(fā)生器溢流管U型高度等進行研究討論，發(fā)現(xiàn)溢流管U型高度存在缺陷對其進行了優(yōu)化，設(shè)計高度由1 800 mm縮小至1 600 mm，既保證發(fā)生器的運行壓力控制，同時又保障了安全水封的安全運行，從而提升乙炔發(fā)生器的生產(chǎn)能力。

3.3 電石給料不均勻

乙炔發(fā)生器裝置給料系統(tǒng)原采用振動管式給料機，在給料溜管的上、下端部均配有軟連接裝置，通過頻繁振動給料溜管給發(fā)生器加料，在下加料斗電石用完后，由上加料斗放電石到下加料斗過程中，因沖擊力較大，部分電石瞬間沖進發(fā)生器，導(dǎo)致發(fā)生器壓力突然升高，超過安全水封設(shè)計壓力，乙炔氣通過安全水封排入大氣。為減少電石沖擊，在溜管內(nèi)焊接擋板增加阻力等措施均未取得良好效果。最后通過與振動給料機廠家進行技術(shù)交流，進行選型設(shè)計，對發(fā)生器振動給料機更新及控制方式改造，4臺發(fā)生器振動給料機采用變頻控制，啟停由DCS控制，變頻器輸出大小由手操器控制，發(fā)生器給料機現(xiàn)場無控制開關(guān)，實現(xiàn)了給料系統(tǒng)均勻給料，保證了發(fā)生器壓力和生產(chǎn)負荷穩(wěn)定。

3.4 乙炔發(fā)生器電石排渣管的安全改造

針對原乙炔發(fā)生器電石排渣管直接排地溝，易著火的安全隱患，現(xiàn)場將地溝用DN500的排渣總管替代，將4臺發(fā)生器DN300的排渣管直接配管至DN500的總管，增加一臺高壓沖洗水泵，4臺發(fā)生器的排渣管和總管上安裝自動高壓沖洗水管，根據(jù)排渣情況和頻率，進行自動沖洗，避免排渣管堵塞。同時為保證排渣總管密閉，保證排渣總管內(nèi)氧氣含量≤2%，總管出口端用水封形式封閉，并保持吹掃少量氮氣，保證排渣總管的安全，從根本上避免了原排渣時著火現(xiàn)象的發(fā)生。

3.5 乙炔發(fā)生器自動控制技術(shù)攻關(guān)改造

通過對發(fā)生器存在的問題進行優(yōu)化改造，取得了一定的效果，也為發(fā)生器實現(xiàn)自動控制奠定了一定的基礎(chǔ)。但發(fā)生器的拉料、下料、給料和溫度控制還是手動操作，勞動強度大且技能要求較高。為減輕員工的勞動強度，需對乙炔發(fā)生器自動控制技術(shù)進行攻關(guān)改造，以達到自動控制的目的。自動控制技術(shù)攻關(guān)包含發(fā)生器加料自動控制技術(shù)、發(fā)生器活門氣密性安檢自動控制技術(shù)、發(fā)生器水解反應(yīng)串級控制技術(shù)等。

（1）發(fā)生器加料自動控制技術(shù)

在現(xiàn)有發(fā)生器裝置設(shè)施的基礎(chǔ)上，在發(fā)生器小加料斗、上加料斗、下加料斗底部分別設(shè)置微波物位開關(guān)，用于準確判斷儲斗內(nèi)是否空倉。發(fā)生器拾音器只用于DCS操作人員被輔助監(jiān)控?？刂品桨敢妶D1。

圖1 發(fā)生器加料自動控制方案

（2）發(fā)生器活門氣密性安檢自動控制技術(shù)

當發(fā)生器上活門或下活門開啟次數(shù)達到設(shè)定值時，程序要求實施活門氣密性安檢，即通過DCS程序動作，完成安檢，判斷上下活門是否嚴密，不嚴密則不能通過安檢，此臺發(fā)生器運料程序不允許啟動?？刂品桨敢妶D2。

圖2 發(fā)生器活門氣密性安檢自動控制方案

（3）發(fā)生器水解反應(yīng)控制技術(shù)

發(fā)生器內(nèi)部溫度、壓力、液位、乙炔氣柜高度及振動給料機輸出頻率組成串級控制回路，發(fā)生器投入程序控制后，系統(tǒng)可根據(jù)每臺發(fā)生器的液位、溫度執(zhí)行每臺發(fā)生器補水、聯(lián)鎖啟動等操作，同時系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)生器壓力、氣柜高度，自動調(diào)節(jié)振動給料機輸出頻率、聯(lián)鎖動作等操作，使發(fā)生器水解反應(yīng)控制穩(wěn)定，實現(xiàn)自動平穩(wěn)供氣。

在組態(tài)過程中，總結(jié)操作人員長期使用的操作經(jīng)驗和方法，如異常情況的處置、安全性檢測等，同時針對發(fā)生器溫度控制和氣柜控制滯后大、波動大的情況，開發(fā)了專家智能控制和變化率控制等技術(shù)，確保了平穩(wěn)安全操作。

3.6 發(fā)生器原溢流上清液中溶解乙炔氣的回收利用

針對原設(shè)計為發(fā)生器溢流的電石渣漿上清液直接排放到渣漿圓池，溶解在上清液內(nèi)的乙炔氣體未回收，導(dǎo)致乙炔氣流失，PVC電石消耗增加并存在安全隱患的問題，進行了乙炔氣的回收改造。

根據(jù)對電石渣漿（70℃）中乙炔的含量檢測分析約300~400 mg/kg，乙炔回收率按95%計，溢流電石渣漿上清液流量約200 m3/h，電石發(fā)氣量287 L/kg，理論計算回收的乙炔氣折合電石為14~17 kg/t PVC。公司于2013年實施技術(shù)改造，項目實施后噸PVC電石消耗降低了約15 kg。既解決了安全問題，又降低了噸PVC電石消耗。

3.7 廢次鈉的復(fù)配及溶解乙炔氣的回收利用

原設(shè)計為乙炔凈化后的廢次鈉溶液直接排放到渣漿圓池，溶解在廢次鈉液內(nèi)的乙炔氣體未回收，導(dǎo)致乙炔氣流失，PVC電石消耗增加并存在安全隱患，同時次鈉廢液未重復(fù)利用，使用一次水（24 m3/h）來配制次氯酸鈉，導(dǎo)致乙炔工序水不平衡。

（1）第一次改造解決水平衡

為解決乙炔工序水不平衡問題，經(jīng)對廢次鈉溶液中溶解的乙炔含量進行分析，用空氣進行吹脫后，廢次鈉溶液中的乙炔含量小于0.005 L/L，達到安全指標以下。經(jīng)反復(fù)試驗及檢測，吹脫后廢液中的乙炔含量小于0.005 L/L，達到利用廢液進行次鈉配制的工藝安全指標要求。隨即就進行技術(shù)改造，增加一臺吹脫風(fēng)機和吹脫塔，增加相關(guān)安全聯(lián)鎖措施，項目實施后，實現(xiàn)了廢次鈉重復(fù)利用，減少一次水使用量約24 m3/h。

（2）第二次改造解決乙炔氣回收

經(jīng)分析檢測，廢次氯酸鈉出冷卻塔溫度40℃，乙炔溶解度0.65 L/L，乙炔回收率95%計，廢次鈉溶液流量30 m3/h，裝置年開工8 000 h，電石發(fā)氣量287 L/kg。

回收乙炔氣：30×8 000×0.65×0.95=148 200（m3）

折電石：148 200/287=516.4（t），即可節(jié)約5.16 kg電石/t PVC，具有較好的經(jīng)濟效益。

同時，為節(jié)約項目投資，經(jīng)優(yōu)化，廢次鈉回收乙炔氣項目與上清液渣漿回收乙炔系統(tǒng)共用一套抽真空系統(tǒng)，既保證裝置安全運行，又節(jié)約投資。項目實施后，回收的乙炔氣折電石約4 kg電石/t PVC。

3.8 電石粉塵回收

電石機運工序在電石破碎、皮帶輸送過程不可避免地會產(chǎn)生電石粉塵，電石粉塵通過5臺除塵器收集，收集的電石灰人工裝袋，通過汽車運輸至電石渣場。電石灰收集裝袋到棄渣場處置，造成一定的電石流失，增大PVC電石消耗，另外電石灰處置過程勞動強度大，影響員工健康，且作業(yè)過程存在安全風(fēng)險。

因收集的電石粉塵中含有電石小顆粒，經(jīng)發(fā)氣量分析，發(fā)氣量為0~50L/kg，每天外運的粉塵為4.0~5.0 t。

公司對5臺除塵器收集的電石粉塵實施技術(shù)改造，將收集的電石粉塵全部自動、安全、密閉回用到乙炔發(fā)生器內(nèi)，既改善現(xiàn)場的工作環(huán)境，又降低PVC電石消耗，減少勞動定員。

4 結(jié)語

裝置自運行以來，針對乙炔工序裝置運行存在的生產(chǎn)瓶頸、安全、環(huán)保、消耗等問題，公司組織工程技術(shù)人員對電石流失進行統(tǒng)計分析查定，對裝置存在的安全隱患、工序存在的水平衡問題、工序存在的生產(chǎn)瓶頸、工序的自動化程度低等問題進行逐一優(yōu)化研究、改進及應(yīng)用，從工藝技術(shù)、自動化程度及管理上根本解決了乙炔工序存在的問題，提升了乙炔工序的安全水平及自動化控制水平，降低了PVC電石消耗，為公司的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，“技改增效”，“自動化減員增效”提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。