氯化氢合成系统自动控制改造

陈卫兰

(宜宾天原集团股份有限公司，四川 宜宾 644200)

1 生产系统基本情况

某公司设有氯碱与聚氯乙烯两个分厂。聚氯乙烯分厂主要包括氯化氢合成工序、乙炔发生工序、氯乙烯合成工序、聚合工序等；氯碱分厂主要包括电解工序、液氯工序、液碱工序等。

进入聚氯乙烯分厂氯化氢合成炉的氢气与氯气均来自氯碱分厂电解工序，其中氢气通过氢气缓冲罐、阻火器、炉前阻火器进入合成炉；氯气分别经原氯缓冲罐、尾氯缓冲罐，再经氯气分配台进入氯化氢合成炉，与氢气按比例燃烧。氯气和氢气原则上按1∶(1.05～1.10) 的比例燃烧生成氯化氢气体,从合成炉顶部导出的氯化氢气体经盘旋式空气冷却器冷却至120 ℃以下，进入石墨冷却器冷却后，再输送到氯乙烯合成工序生产氯乙烯或通过制酸平台与吸收塔后制成盐酸。氯化氢生产及用途工艺流程示意图如图1所示。

2 系统改造前的情况

(1)氯化氢合成炉点炉采用的是开放式人工点火方式，每台合成炉点火时至少需要4人(点火操作2人，开启氢气、氯气截止阀，反复调节氯化氢分配台、制盐酸分配台调节阀等至少2人)操作，劳动强度大。另外，操作人员点火时须面对氯化氢合成炉炉门，而炉内的氢气燃烧需要炉外部的大气供氧，点火瞬间产生的火焰容易冲出炉门，造成人员烧伤。

(2)进入氯化氢合成炉的氯气、氢气的流量调节全部采用人工手动操作，且无远传流量显示，操作人员须反复到现场观察流量并开关阀门，才能保证生产正常，增大了操作人员的劳动强度。

图1 氯化氢生产及用途工艺流程示意图

(3)氯化氢合成炉燃烧的火焰颜色是判断炉况是否正常的重要指标。正常生产时，火焰颜色为青白色；如氯气过量，则火焰颜色会变成淡黄、黄色、深黄、粉红、红色，直至发紫。从火焰颜色异常的情况可以判断合成炉内游离氯超标，游离氯超标将会引发后续工序混合脱水的燃爆事故。这个重要监控指标全靠人工通过视镜观察，在火焰颜色异常(如发黄、发红)时，观察人员须通知操作人员调节氯气或氢气阀门。合成炉运行时间较长后，容易造成视镜模糊，操作人员看不清火焰颜色，不能准确判断炉况，为系统平稳运行埋下了安全隐患。2016年该公司就曾经发生过操作人员未及时发现合成炉火焰颜色发黄，因而未能及时调节氢气与氯气的配比，导致输送到后端的氯化氢中的游离氯在氯乙烯合成混合器内与乙炔反应，生成了氯乙炔并放出大量热量，引起混合气体的瞬间膨胀，造成混合脱水系统的混合器、列管式石墨冷凝器等薄弱环节发生爆炸，使整个化工系统停车。

(4)合成炉中的氯化氢纯度全靠人工取样分析，按每台4次/h的频率开展(生产系统异常时采样分析频率更高)；重点监控指标的氯化氢中的游离氯含量(工艺指标0～0.002%)也全靠人工采样分析，且频率较高[1次/(2 h)]，分析方法也较为繁琐。当生产系统出现波动时，氯化氢纯度和游离氯指标会有所变化，但由于人工取样分析时间较长，且人工分析样品的精确程度也有差别，很多时候，操作人员只能通过合成混合器、预热器的温度变化来判断系统内是否已产生游离氯，造成异常情况下未能及时调整系统，同样会严重影响系统的安全运行。

(5)氯化氢合成工序输送到氯乙烯合成工序的氯化氢气体，其流量调节以及吸收制酸的调节全部是手动操作，且现场氯化氢分配台采用DN250钢衬聚四氟乙烯隔膜阀，开启、关闭阀门时需要2个人同时操作。由于系统安全生产的需要，在调节流量时还必须保证流量平稳，否则会影响后续系统的稳定，这对操作人员的经验和技能要求较高。

(6)氯化氢合成炉的重要参数指标，即游离氯含量未纳入公司的安全联锁系统，游离氯一旦超标，会延误公司整个生产系统的应急处理。

由以上可以看出：氯化氢合成系统的开停车操作、正常生产时的系统调整和异常情况下的系统应急处理全部靠人工现场手动操作和监控，不仅劳动强度较大，而且对员工的操作技能和操作经验要求较高。同时，手动操作会造成误差，影响生产系统的安全平稳运行。

3 系统改造

3.1 增加氯化氢合成炉自动点火装置与远程视频监控，实现系统正常生产的自动控制

3.1.1 改造措施

鉴于自动点火装置在国内应用已比较成熟，项目组决定增加氯化氢合成炉的自动点火装置和补充空气阀接口，即点火前打开补充空气阀，一键启动自动点火装置，氢气、压缩空气分别经过对应的控制阀进入点火装置，点火枪在炉内自动打火，引燃炉内的氢气。

为了实现自动控制，项目组决定增加火焰远程视频监控、紫外线火焰监测孔和部分自控阀门。在火焰传感器接收到信号后，氢气旁路阀和氢气程控阀自动打开，并逐渐增大空气、氢气的供给量;等火焰传感器接收到火焰稳定信号后，氯气旁路阀和氯气程控阀自动逐渐打开，氯气进入炉内灯头与已进入灯头的氢气混合并充分燃烧，压缩空气控制阀完全关闭；自动点火完成后，关闭氢气点火阀，将合成炉系统切换至自动运行，关闭氢气、氯气旁路阀；炉内火焰稳定后，关闭补充空气阀。自动点火流程如图2所示。

图2 自动点火流程示意图

3.1.2 改造效果

实现氯化氢合成炉一键自动点火，氢气、氯气流量调节可在DCS与现场控制进行切换。自动控制水平的提高降低了员工劳动强度，避免人为因素对生产系统的影响，降低了生产系统的安全风险。

3.2 增加在线氯化氢纯度与游离氯监测设施，优化合成系统安全联锁的投用

3.2.1 改造措施

为了使氯化氢合成系统运行平稳、安全、可靠，项目组经过论证，将氯化氢合成系统中的重要参数指标纳入公司安全联锁系统。方案如下：如出现氯化氢合成炉内游离氯超标，当游离氯体积分数达2×10-5时，则系统报警，操作人员立即手动调节增大氢气进炉量，减小氯气进炉量，同时取样分析游离氯含量。游离氯含量正常后，恢复氢气和氯气流量到正常指标。当游离氯体积分数达到4×10-4时，合成工序自动紧急切断乙炔，操作人员手动将氯化氢切换到吸收装置。而要实现安全联锁就要增加在线氯化氢纯度与游离氯含量监测设施，在氯化氢总管上增加1台氯化氢冷却器，氯化氢气体进入在线分析仪前通过冷却器降温除去冷凝酸；同时增加1台在线氯化氢纯度与游离氯含量分析仪对氯化氢进行在线监测分析。

3.2.2 改造效果

将氯化氢合成炉的重要参数指标(即游离氯含量)纳入公司安全联锁系统，一旦出现超标，系统立即自动紧急切断乙炔，降低了后续氯乙烯合成工序生产系统的安全风险。

3.3 改造氯化氢吸收装置的部分设施，增加氯化氢合成系统的自动控制点位

3.3.1 改造措施

氯化氢分配台、制酸分配台和盐酸总管等设备、管道上均安装的是手动隔膜阀。项目组经过论证，决定将以上手动阀门改为调节阀，实现与出炉氯化氢压力变送器的联锁控制，氯化氢流量调节和盐酸吸收系统的切换操作等就可实现自动控制。工艺联锁步骤设置为：在系统正常运行制酸时，由操作人员在DCS上手动控制分配台上的调节阀，根据氯化氢总管流量计显示数据来调节氯化氢流量。当系统异常需紧急停炉时，进炉氢气、氯气调节阀选择手动紧急降负荷，上塔吸收水调节阀快速打开，制酸分配台氯化氢调节阀和吸收塔调节阀、盐酸总管程控阀快速打开，操作人员可在DCS上手动将氯化氢切换到吸收装置。

3.3.2 改造效果

氯化氢吸收装置改造完成后，完善了氯化氢合成自动控制系统，减少了现场操作频次，降低了员工的劳动强度，实现了系统紧急停炉等异常情况的快速调节，提高了事故应急处理的速度，降低了系统运行的安全风险。