丁海颶 ，王松林，孫正剛

(萬華化學(xué)(寧波)氯堿有限公司，浙江 寧波 315812)

萬華化學(xué)(寧波)氯堿有限公司前身為1958年建廠的寧波電化廠,是一家專業(yè)生產(chǎn)氯堿產(chǎn)品的企業(yè)。目前運(yùn)行中的鹽酸合成爐包括3臺三合一合成爐(31%高純酸，150 t/d)、1臺二合一合成爐(36%試劑酸，105 t/d)，建設(shè)中的裝置還有1臺三合一鹽酸合成爐。

1 鹽酸合成爐工藝安全分析

1.1 鹽酸合成爐合成工藝

來自氯氣液化裝置的尾氯經(jīng)過兩級減壓，壓力達(dá)到0.12 MPa后進(jìn)入鹽酸合成爐氯氣緩沖罐，經(jīng)氯氣流量計(jì)、氯氣調(diào)節(jié)閥、氯氣切斷閥進(jìn)入合成爐；同時，來自氫處理工序80 kPa氫氣經(jīng)冷卻除水后，再經(jīng)過氫氣流量計(jì)、氫氣調(diào)節(jié)閥、氫氣切斷閥、氫氣阻火器進(jìn)入合成爐。進(jìn)入合成爐的氫氣與氯氣的體積比為(1.15～1.30)∶1，在合成爐進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成氯化氫。氯化氫氣體經(jīng)膜式吸收器，溶于稀酸中得到主產(chǎn)品31%或36%的鹽酸；未被吸收的氯化氫進(jìn)入組合尾氣吸收塔，形成稀酸。為進(jìn)一步降低尾氣中氯化氫的排放濃度，組合吸收塔后的尾氣送至稀堿吸收系統(tǒng)進(jìn)行噴淋吸收，合格尾氣經(jīng)有組織排放口排入大氣。

在整個鹽酸生產(chǎn)過程中涉及的危險(xiǎn)物料有氫氣、氯氣、氯化氫等；現(xiàn)場主要風(fēng)險(xiǎn)為火災(zāi)爆炸、環(huán)境污染、人身傷害等。

1.2 鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析

利用Bow-tie分析軟件對鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏進(jìn)行屏障和保護(hù)層分析，目標(biāo)為氯氣泄漏失效頻率降至10-4(事件/a)。結(jié)合鹽酸合成爐工藝特點(diǎn)，導(dǎo)致鹽酸合成爐尾氣中氯氣含量超標(biāo)的主要風(fēng)險(xiǎn)源為:①氯氫配比失調(diào)，氯氣未完全反應(yīng)；②火焰熄滅，未反應(yīng)的氯氣外排；③燃燒混合不均，氯氣未完全反應(yīng)；④緊急停車等狀態(tài)下氯氣異常泄漏。

鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)Bow-tie分析如圖1所示。

圖1 鹽酸合成爐放空口氯氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)Bow-tie分析

1.3 鹽酸合成爐爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析

利用Bow-tie分析軟件對鹽酸合成爐爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行屏障和保護(hù)層分析，目標(biāo)為鹽酸合成爐爆炸風(fēng)險(xiǎn)失效頻率降至10-4(事件/a)。鹽酸合成爐爆炸的主要風(fēng)險(xiǎn)源如下。①氫氣泄漏進(jìn)入鹽酸合成爐形成混合爆炸氣體，點(diǎn)火時發(fā)生閃爆。②火焰熄滅，氫氣和氯氣混合，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸。造成火焰熄滅的原因有：石墨筒體冷卻不足，高溫破損，導(dǎo)致火焰被夾套水澆滅；火焰檢測器故障，未檢測到火焰熄滅或者聯(lián)鎖未發(fā)生；爐底冷凝酸排液管線堵塞，爐內(nèi)積液過多，導(dǎo)致火焰熄滅。鹽酸合成爐爆炸風(fēng)險(xiǎn)Bow-tie分析如圖2所示。

2 裝置本質(zhì)安全提升

針對鹽酸合成爐存在的氯氣泄漏、氫氣爆炸等風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)涉及鹽酸合成爐整體控制系統(tǒng)，須從鹽酸合成爐設(shè)備監(jiān)控、流程控制出發(fā)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

2.1 整體自動控制水平的提升

在鹽酸合成爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)自動化程度不斷提高的背景下，如何提高控制系統(tǒng)的可靠性也變得越來越重要。就控制系統(tǒng)而言，主要從設(shè)計(jì)冗余、可靠性、獨(dú)立控制3個角度進(jìn)行考慮。

圖2 鹽酸合成爐爆炸風(fēng)險(xiǎn)Bow-tie分析

在設(shè)計(jì)時須考慮系統(tǒng)冗余量控制，例如火焰檢測器就需要兩個，以免在單個火焰檢測器故障或出錯時導(dǎo)致鹽酸合成爐未及時停爐或異常停爐。

考慮到自動點(diǎn)火等控制需要，鹽酸合成爐系統(tǒng)目前大部分采用DCS聯(lián)鎖控制，但就系統(tǒng)可靠性和獨(dú)立性而言，DCS與SIS相比，仍有較大的差距。為保證關(guān)鍵參數(shù)聯(lián)鎖時控制系統(tǒng)能將鹽酸合成爐安全停車，可以在鹽酸合成爐進(jìn)氣切斷閥后增加1套有SIS聯(lián)鎖控制的切斷閥，以確保DCS異常時，也能依靠SIS將鹽酸系統(tǒng)安全停車。

采用雙切斷閥不僅實(shí)現(xiàn)了鹽酸合成爐SIS安全聯(lián)鎖，更重要的是實(shí)現(xiàn)了對氯氣、氫氣兩種危險(xiǎn)介質(zhì)的雙重隔離，可以有效避免在停爐后氯氣、氫氣的泄漏。

2.2 冷卻系統(tǒng)自動控制水平的提升

鹽酸合成爐運(yùn)行過程中需要冷卻系統(tǒng)不斷地將系統(tǒng)內(nèi)熱量帶出，控制鹽酸合成爐石墨筒體溫度，避免石墨筒體在高溫下破損。因此，冷卻系統(tǒng)的可靠性極其重要，在傳統(tǒng)觀念中，循環(huán)冷卻系統(tǒng)作為工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其可靠性毋庸置疑；但在極端條件下(全廠失電、誤操作等)，這樣的風(fēng)險(xiǎn)也會發(fā)生。

為避免冷卻系統(tǒng)故障導(dǎo)致鹽酸合成爐缺水損壞，進(jìn)而發(fā)生有害物質(zhì)泄漏等事故，考慮對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。按照Bow-tie分析的結(jié)果，須將鹽酸合成爐各路冷卻水(循環(huán)水和循環(huán)純水)的流量進(jìn)行監(jiān)控并加入鹽酸合成爐聯(lián)鎖中。當(dāng)某一路冷卻水流量低于聯(lián)鎖值時，立即聯(lián)鎖停鹽酸合成爐，此時夾套內(nèi)殘留的冷卻液仍可維持，確保不會出現(xiàn)缺水干燒的情況。

2.3 氯氫配比在線監(jiān)測與智能化

目前鹽酸合成爐常見的氯氫配比控制方式為在線串級調(diào)節(jié)，但是在尾氣純度變化、氫氣壓力波動、負(fù)荷調(diào)整等過程中，合成爐內(nèi)實(shí)際仍會出現(xiàn)氫氯配比過低，甚至過氯的情況，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，氫氯配比往往要比理論需要的高15%～30%方可在一定程度上避免過氯的發(fā)生。單獨(dú)依靠串級調(diào)節(jié)控制氯氫配比，不僅會造成氫氣的大量浪費(fèi)，還無法做到在異常情況下對氯氣過氯的有效控制。

想要擺脫依靠經(jīng)驗(yàn)，用消耗更多氫氣的方式控制氯氫配比，最終達(dá)到氯氣不過量的目標(biāo)，就必須能夠?qū)崟r在線監(jiān)測爐內(nèi)的反應(yīng)情況，并根據(jù)反應(yīng)情況、上下游聯(lián)動實(shí)時調(diào)整氯氫配比。結(jié)合目前最新技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，可以從兩個方面進(jìn)行考慮:①將目前人工觀察火焰進(jìn)而判斷氯氫配比是否合適的方法進(jìn)行模擬量化，利用視頻AI分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時監(jiān)控火焰，當(dāng)火焰出現(xiàn)異常時進(jìn)行報(bào)警，通知操作人員處理；②對合成爐內(nèi)氯化氫氣體含量進(jìn)行分析，實(shí)時監(jiān)測氯化氫氣體中氯化氫、氯氣、氫氣的含量，并根據(jù)氯氣、氫氣含量變化調(diào)整氯氫配比。

就兩種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)而言，視頻AI分析技術(shù)基本不會對現(xiàn)有鹽酸合成爐進(jìn)行任何工藝上的改變，現(xiàn)場實(shí)施較為便捷，異常情況時反應(yīng)也較為直觀和快速，但也正因?yàn)闆]有參與到工藝控制中(無法量化)，該技術(shù)也并不能實(shí)時有效地干預(yù)實(shí)際生產(chǎn)控制，更多地是減輕現(xiàn)場巡檢和監(jiān)控人員的負(fù)擔(dān)。對于廠區(qū)已有視頻AI分析平臺的，可以將此方案作為報(bào)警控制方法進(jìn)行使用。

采用在線實(shí)時監(jiān)測其他組分含量的方法，需在現(xiàn)有系統(tǒng)中設(shè)置檢測回路，通過量化分析數(shù)據(jù)進(jìn)而直接參與到生產(chǎn)控制中，理論上可以實(shí)現(xiàn)氫氣消耗的最小化卡邊控制，生產(chǎn)異常時也能及時發(fā)現(xiàn)并按設(shè)定方案進(jìn)行自動控制。目前，該技術(shù)還處于探索試用階段，且實(shí)施過程中檢測位置的選擇、儀器的可靠性等均會對實(shí)際控制效果產(chǎn)生影響，須根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行綜合考慮。

2.4 尾氣吸收過程的自動控制

無論采用了怎樣的控制方案，作為一個工藝控制復(fù)雜、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高的裝置，鹽酸合成爐運(yùn)行首先要做到安全、環(huán)保。作為日常生產(chǎn)中對排放尾氣進(jìn)行處理和控制的稀堿吸收系統(tǒng)是最后的安全防線，避免有害物質(zhì)氯化氫、氯氫排放至環(huán)境中。因此，稀堿吸收系統(tǒng)不僅要時刻保持運(yùn)行，更重要的是要時刻保持有效運(yùn)行。目前，主流設(shè)計(jì)中稀堿吸收系統(tǒng)都是只能在一定時間內(nèi)對異常排放進(jìn)行凈化、處理。當(dāng)前段控制異常(例如過氯)未被及時發(fā)現(xiàn)時，稀堿吸收系統(tǒng)就會因吸收液飽和而無法繼續(xù)發(fā)揮作用，最終導(dǎo)致氯氣外逸的泄漏事故。

為確保尾氣排放口不出現(xiàn)有害氣體泄漏事故，除了要做好前述的控制措施外，稀堿吸收系統(tǒng)能夠及時報(bào)警并進(jìn)行智能化自動控制也是極有必要的。由于鹽酸尾氣中既有氯化氫也可能有氯氣，氯化氫過量時稀堿吸收系統(tǒng)表現(xiàn)為堿度降低(pH值降低)，氯氣過量時表現(xiàn)為堿度降低(ORP升高)。實(shí)際生產(chǎn)中堿度在線檢測較為困難，所以稀堿吸收系統(tǒng)檢測方式的選擇對實(shí)際控制效果具有決定性作用?？紤]到鹽酸合成爐整體裝置的構(gòu)成，一般會配置水吸收系統(tǒng)來吸收尾氣中的氯化氫氣體。而氯化氫極易溶于水，因此，稀堿吸收系統(tǒng)中更多的是要防范氯氣過量的問題?；谝陨戏治?，在每臺稀堿吸收塔回液管線上增加ORP檢測并設(shè)置報(bào)警。在稀堿循環(huán)槽處設(shè)置自動換堿裝置，除日常情況下減少現(xiàn)場操作，更重要的是在異常情況下根據(jù)ORP檢測儀的反饋，自動進(jìn)行在線換堿。即使系統(tǒng)氯氣過量，也會被堿液不斷吸收，而不會造成有害物質(zhì)泄漏。

3 結(jié)語

近年來，伴隨著鹽酸合成爐自動點(diǎn)火系統(tǒng)等的運(yùn)用，裝置自動化水平不斷提高，現(xiàn)場人員管控也將越來越少，裝置的本質(zhì)安全和智能化也應(yīng)當(dāng)不斷進(jìn)步。筆者就當(dāng)前國內(nèi)技術(shù)條件和現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐總結(jié)了幾條提升方案，希望鹽酸生產(chǎn)裝置更加安全、高效、環(huán)保。