电石法氯乙烯湿式气柜安全性能的提升策略 _小知识

VCM氯乙烯气柜安全性能的提升与应用
摘要：近年来，我国PVC生产中氯乙烯气柜泄漏事故频繁，给人员伤亡和财产损失造成严重的影响。本文通过介绍某公司30万吨/年PVC系统湿式氯乙烯气柜结构、工作原理及运行现状，分析了气柜原设计及联动运行中存在的问题。根据氯乙烯气柜实际情况，对其本体硬件设施及工艺进行优化改造，提高了氯乙烯气柜安全性能，使其运行更加稳定可靠，为PVC生产提供了可靠的安全保障。
关键词：氯乙烯气柜、优化改造、安全性能
Improvement and application of safety performance of VCM vinyl chloride gas holder
Abstract: In recent years, the leakage accidents of vinyl chloride gas holder are frequent in PVC production in China, which have a serious impact on casualties and property losses. This paper introduces the structure, working principle and operation status of the wet vinyl chloride gas holder of 300k t / a PVC system in our company, and analyzes the problems existing in the original design and linkage operation of the gas holder. According to the actual situation of the vinyl chloride gas holder of our company, the hardware facilities and process of the main body are optimized to improve the safety performance of the vinyl chloride gas holder, make its operation more stable and reliable, and provide a reliable safety guarantee for PVC production.
Key words；vinyl chloride gas holder；optimize and improve；the safety performance
1 前言
在我国，乙烯资源短缺而煤炭资源相对丰富，导致我国在PVC生产中电石法 PVC生产工艺占据主导地位。近年来，国内电石法聚氯乙烯生产突飞发展，随着国内氯乙烯产能的迅速提升，聚氯乙烯安全生产已成为PVC行业关注的焦点问题。2018年，某公司氯乙烯泄漏扩散至厂外区域，遇火源发生爆燃，致24人死亡， 21人受伤，事故直接原因是氯乙烯气柜出现卡顿、倾斜导致大量氯乙烯单体冲破气柜水封泄漏扩散，遇静电明火发生闪燃，造成人员伤亡和设备损害，给社会带来恶劣的影响。2019年，某公司氯乙烯气柜泄漏，扩散至电石冷却车间遇火源发生燃爆，造成4人死亡、3人重伤、33人轻伤。这两起事故都是因为氯乙烯气柜泄露氯乙烯遇火而发生的爆炸事故，因此，随着国内PVC行业氯乙烯气柜泄漏事故频发，一次次的对全国PVC行业安全生产敲响了警钟，使各生产单位在氯乙烯生产中将气柜的安全运行、故障监控、应急救援等管控上升到一个新的高度。
某公司30万吨/年PVC系统，主要工艺采用电石法PVC生产工艺，其氯乙烯生产反应原理如下：
CaC2＋H2O→Ca(OH)2＋HC＝CH
HC＝CH＋HCl→H2C＝CHCl+124.6kJ/molL
来自乙炔工段的乙炔气与氯化氢合成装置送来的氯化氢气体，按一定量配比混合，经混合脱水、预热后进入充装有氯化汞触媒的转化器，反应合成粗氯乙烯气体，并经水洗、碱洗、加压、、单体脱水、精馏制得纯度达99.99％以上的合格氯乙烯单体，供聚合装置使用。
在VCM生产过程中，氯化氢气体和乙炔气体经混合器混合后，进入2台串联的石墨冷却器，用-35 ℃盐水间接冷却；混合气经酸雾捕集器进入预热器，预热至80～90 ℃ ，进入多组并联的转化器，通过转化器列管中装载吸附氯化汞的活性炭触媒合成粗氯乙烯;粗氯乙烯中夹带的微量升华氯化汞在除汞器中经活性炭吸收除去;粗氯乙烯随后进入水洗组合塔、碱洗塔,除去残余氯化氢、二氧化碳及其他酸性气体后，一部分进入氯乙烯气柜，另一部分送至压缩岗位。压缩后的氯乙烯通过变温变压的单体脱水装置后进入精馏系统。气柜作为中间缓冲装置，既能保持精馏系统稳定，又使转化工序平稳运行。
氯乙烯的理化性质：分子式：C2H3CI,结构式CH2=CHCL,分子量62.5 ，沸点-13.9℃ ，凝固点-159.7℃ ，临界温度142℃ ，临界压力5.22MPa,爆炸极限与空气4%～22% ，（体积比）与氧气3.6%～72%（体积比），当加入氮气＞48%时，氯乙烯与空气不会爆炸。
在此装置运行过程，由于氯乙烯爆炸极限宽，易燃、易爆、易中毒的属性决定气柜安全运行是PVC生产过程的重中之重。目前工艺技术及设计决定了氯乙烯气柜为安全薄弱环节，以致日常运行风险较大。
2 VCM氯乙烯气柜原设计安全性能及运行现状
2.1目前行业所使用的湿式氯乙烯气柜结构及工作原理。
目前行业大部分使用2000m3至3000m3湿式氯乙烯气柜，其结构及工作原理主要是由立式圆筒形的水槽、一个圆筒塔节钟罩、正逆水封、钟罩精度的导向装置、进口正水封及出口逆水封等组成。钟罩是一个有拱顶底面敞开的圆筒形结构，在水槽和钟罩之间加水密封。氯乙烯气体管道经正水封穿过水槽底板和水槽中的水进入钟罩，实现气体的输入或通过逆水封排出。当向气柜压送气体时，钟罩上升，其下部挂圈从水槽中取水；钟罩升至一定高度时，靠水的浮力和氯乙气相空间增大时塔节上升。在输出气体时，钟罩和塔节的动作过程相反。钟罩及塔节依靠导轨和导轮保证升降平稳。气柜氯乙烯进出口设计正逆水封。（结构如图1）

文章插图
图1 原设计氯乙烯气柜结构图
2.2湿式氯乙烯气柜原设计及运行中容易出现以下问题[1]
1）氯乙烯气柜原始设计水槽内部采用涂刷沥青防水漆进行防腐，在建设施工过程中，由于北方地区，冬季气温较低，冬季施工很难保证施工气温在5℃以上，另外由于设计涂层厚度为100mm,沥青涂料涂层厚度过厚，长期运行会出现沥青涂料表面脱落，龟裂现象，使水槽局部地方出现脱落，裸露。导致以下两种结果，一方面， CW材质的水槽与水封内的工业水直接接触，发生电化学反应，易使水槽壁发生渗漏水情况，易使水封液位下降，存在泄漏氯乙烯的现象。另一方面，沥青涂料脱落杂物会堵塞气柜气相氯乙烯进出口管道、正逆水封排水管道，导致正逆水封液位过高，运行中频繁出现氯乙烯压缩机吸气压力低于1Kpa的情况，时常出现系统紧急停车处理的情况。
2）气柜进出口设计DN700切断阀，气柜气相空间设置三处高度控制点与中控程序设置联锁（三选二点设置，气柜液位低于＜20%,气柜进口切断阀联锁关闭，气柜液位＞80% ，气柜进口切断阀联锁关闭，气柜液位在20%～80%之间，切断阀联锁打开）， DN700管道为来自净化系统碱洗塔出口，为主流程管道。精馏的单体回收管线、单体脱水装置的再生排气管线、废水汽提塔气相出口管线均进入氯乙烯气柜，但以上管线均原设计管线接入气柜切断阀与气柜之间， DN700切断阀只能保护来自碱洗塔出口氯乙烯导致的气柜液位过高，对单体脱水排气、精馏系统的回收、废水汽提塔气相出口导致气柜的液位过高情况属于失控状况。当精馏回收系统出现故障、单体脱水排气阀故障时，气柜高度无法通过DN700切断阀控制，只能紧急停车处理。除以上切断阀及液位计外，气柜装置再无其他安全装置及附件。（如图2）

文章插图
3）水封槽补水管线设置DN100手动截止阀进行补水，水封槽液位未设计远传液位，气柜水封补水需人工手工进行操作，水封液位及补水高度需要现场人员人工观测。当水封出现严重缺水情况下，补水及时性较差。水封内未设计液位计，导致在水封液位过低的情况下中控人员不能及时发现处理。
4）水封内未设置蒸汽加热管道，水封内无水温检测装置，另外，我国北方地区，冬季工业水容易结冻，气柜卡顿现象频发，出现以上情况只能系统停车处理，无水温安全保障措施。
5）气柜溢流口排水直接流入地沟，由于气柜水封中工业水含有大量氯乙烯，直接排入地沟导致氯乙烯富集，遇明火或静电集聚发生氯乙烯闪爆事故。就目前此种运行模式，气柜在发生故障，如出现卡顿、倾斜、水封液位低、筒体泄漏氯乙烯等情况，从事故发生、中途处置及事故失控状态下，应急处置很难做到及时有效。
3 VCM氯乙烯气柜运行过程中进行的技术改造
3.1氯乙烯气柜内部采用新型防腐材料进行防腐处理
将项目建设期间气柜使用的沥青防腐涂料彻底清理，将气柜内表面清理干净，使用新型亲环境防腐涂料，此种涂料具有优异的耐化学品、耐湿热、耐盐雾等性能，可喷涂在多种基材上包括含有锐利边角底材，透气底材（镀锌钢，美特金等）。主要使用工艺为：热熔结环氧粉末涂料制作工艺流程：试验流程：称量→混合→挤出→磨粉→过筛→喷涂→固化→检测；(2)挤出温度：30-90-80℃ 。选择夏季检修期间施工，保证施工质量及至固化运行质量。
3.2氯乙烯气柜入口气相管线工艺优化改造
精馏的单体回收管线、单体脱水装置的再生排气管线、废水汽提塔气相出口进入氯乙烯气柜工艺进行改造：在单体脱水至气柜管线出口加装DN250切断阀，设点引入中控电脑，在单体脱水装置出现故障，气柜排气阀无法关闭的情况下，中控站操作电脑可通过DN250切断阀迅速关闭，保证气柜液位上升速度。精馏的单体回收管线、废水汽提塔气相出口至气柜管线，在各自装置内管线上加装调节阀引入中控电脑，出现气柜液位过高时关闭调节阀，可及时切断进入氯乙烯气柜气相氯乙烯，保证气柜液位平稳。
3.3氯乙烯气柜进出口总管多级监测点的设置[2]
气柜进出口总管上设置三个压力监测点，与中控室系统紧急停车联锁（压力三选二，气柜压力≥6kpa或者气柜压力≤0.5kpa ，前系统触发联锁紧急停车），保证气柜及氯乙烯压缩机进口稳定。
3.4氯乙烯气柜水封槽补水装置自动化改造
水封槽补水管线设置DN100自动调节阀进行补水，设计水封液位计，与调节阀联锁。将气柜水封补水管道阀门改造为DN100自动调节阀，在气柜水封设置液位计，将远传液位计与补水调节阀进行联锁，设置液位计低线为70% ，高线为100% 。进行联锁补水。
3.5氯乙烯气柜水封内设置蒸汽加热管道
在水封内四周环形均匀设置10根DN25蒸汽管道，蒸汽总管上设置调节阀，水封设置温度计与蒸汽总管调节阀联锁，将蒸汽通入水中，在冬季可联锁打开蒸汽调节阀对水封进行加热，保证水封内温度在5℃～8℃ ，避免水封结冻。
3.6氯乙烯气柜顶部加装避雷设施
加装避雷带及避雷网，采用圆钢及扁钢，其尺寸按照下列数值，圆钢直径为8mm ，扁钢截面积为48mm2 ，扁钢厚度为4mm 。避雷线一般采用截面积为35mm2的镀锌钢绞线架设。氯乙烯气柜为重要建筑物，避雷网采用5′5m的密网格，根据气柜投影面积，氯乙烯气柜设置4根引下接地线，沿气柜水封外壁对称布置，成"工"字形布置，做好防腐处理，引入罐区接地大网。
3.7气柜四周增加可燃气体报警仪[3]
在氯乙烯气柜四周分别安装8台可燃气体报警仪，信号接入中控室声光报警系统。
选用mV信号,频率信号或4～20mA信号输出的检测器,指示报警器宜为专用的报警控制器，选用信号设定器加闪光报警单元构成的报警器，至声光报警系统及报警记录设备的信号,从报警控制器或信号设定器输出.当出现氯乙烯泄漏时，中控室声光报警系统会发出报警，浓度越高，报警频率越高。
3.8水封伴热蒸汽管线上加装氮气管线
根据氯乙烯的理化性质，爆炸极限与空气4%～22%（体积比）,与氧气3.6%～72%（体积比），当加入氮气＞48%时，氯乙烯与空气不会爆炸。在水封蒸汽管线上加装氮气管道，加装远程调节阀控制，当气柜出现倾斜、泄漏情况下，从水封蒸汽管线上充入氮气，降低泄漏氯乙烯爆炸极限，避免失控状况下氯乙烯的泄漏爆炸。
3.9氯乙烯气柜溢流口排水收集装置的改造
气柜溢流口排水加装废水收集罐，罐底部加装废水输送泵，使用输送泵将水封溢流废水送至废水处理车间汽提塔，回收废水及氯乙烯重复利用。
3.10对气柜水封液位加装高清摄像头监控
在水封槽上加装高清视屏监控，可进行全方位无死角，在液位计、补水阀出现异常的情况下，可人为及时观察水封液位，防止氯乙烯由于水封过低而导致的泄漏。
4 VCM氯乙烯气柜安全性能提升后效果
通过以上技术改造，一方面氯乙烯气柜在日常生产运行中更加安全、平稳，减少了因氯乙烯气柜故障导致前系紧急停车次数；另一方面氯乙烯气柜技术改造效果明显，气柜安全性能得到具体提升，从事故发生到应急处理都有了切实可行的保障措施。如下图所示

文章插图
具体运行效果详细如下：
4.1.氯乙烯气柜本体硬件设施优化改造后安全性能提升效果
⑴通过对气柜内部防腐涂料的改造，有效防止了氯乙烯气柜内部防腐层脱落的问题，有效解决了CW材质的水槽与水封内的工业水直接接触，发生电化学反应，使水槽壁发生渗漏水问题；杜绝了沥青涂料脱落杂物堵塞气柜气相氯乙烯进出口管线、正逆水封排水管道，导致正逆水封液位过高，运行中经常出现氯乙烯压缩机吸气压力低于1Kpa的情况。
⑵在气柜顶部加装避雷网装置，按照《雷电与避雷工程的避雷带和避雷网的结构设计》规范施工，下引线接入接地大网，保证良好的雷电、静电消除，避免由于雷电电击，静电集聚导致氯乙烯气柜着火爆炸危险。
⑶气柜溢流口排水加装废水收集罐，如图3所示：对气柜水封溢流口废水进行收集，使用输送泵将水封溢流废水送至废水处理工序的汽提塔，回收废水及其中所夹带的氯乙烯，回收的氯乙烯送入气柜继续使用，废水进入废水处理站处理后回用，实现了气柜废水及氯乙烯的零排放。
4.2工艺优化后安全性能提升：
⑴精馏回收管道、废水汽提塔出口管线单独加装切断阀控制，保证气柜进出口设计DN700切断阀联锁，如图3：联锁一（气柜气相空间设置三处高度控制点与中控程序设置联锁（三选二点设置，气柜液位低于＜20%,气柜进口切断阀联锁关闭，气柜液位＞80% ，气柜进口切断阀联锁关闭，系统紧急停车联锁触发，气柜液位在20%～80%之间，系统正常运行) ，可保证气柜液位异常时迅速自动保护；
⑵水封液位与补水阀联锁，如图3：联锁二（水封液位≤70% ，补水调节阀打开，水封液位≥100% ，补水调节阀关闭）。可保证在水封液位低时，补水阀能自动补水，避免水封液位过低出现氯乙烯泄漏。
⑶气柜进出口总管上设置三个压力监测点，与中控室系统紧急停车联锁如图3：联锁三（压力三选二，气柜压力≥6kpa或者气柜压力≤0.5kpa ，前系统触发联锁紧急停车），保证气柜及氯乙烯压缩机进口稳定，避免氯乙烯压缩机进口出现负压运行的情况。
⑷水封蒸汽总管上设置调节阀，在水封内设置10根DN25蒸汽管道，水封设置温度计与蒸汽总管调节阀联锁, 如图3：联锁四（水封温度≤5℃ ，调节阀打开蒸汽加热，水封温度≥8℃ ，调节阀打开蒸汽加热），在冬季可保证水封内温度在5℃～8℃ ，避免水封结冻，出现气柜卡顿现象。
⑸水封伴热蒸汽管线上加装氮气管线，如图3中所示，氮气管线汇入水封蒸汽总管上，根据氯乙烯的理化性质，爆炸极限与空气4%～22%（体积比），与氧气3.6%～72%（体积比），当加入氮气＞48%时，氯乙烯与空气不会爆炸。在水封蒸汽管线上加装氮气管道，加装远程调节阀控制，当气柜出现倾斜、泄漏情况时，从水封蒸汽管线上充入氮气，在水封内四周环形均匀设置10根DN25蒸汽管道，会将氮气送入水封，与泄漏氯乙烯混合，降低泄漏氯乙烯爆炸极限，避免失控状况下及应急救援时氯乙烯发生爆炸。
4.3其他安全附件投用后气柜安全性能的提升
⑴气柜四周增加8台可燃气体报警仪（位置如图3），与中控室声光报警系统进行信号传输，保证在气柜出现故障情况下如卡顿，倾斜事故状态下，出现氯乙烯泄漏，可燃气体检测仪能及时有效的将信息传送至中控室声光报警装置，并且随可燃气体检测浓度的升高，警报频率迅速增强，能保证应急抢险的及时性，避免事故扩大化。
⑵水封加装高清摄像头，方便人员及时全方位无死角监控水槽液位，在液位计、补水阀出现异常的情况下，或者在补水调节阀液位联锁失灵的情况下，可人为及时观察水封液位，防止氯乙烯由于水封过低而导致的泄漏。
【电石法氯乙烯湿式气柜安全性能的提升策略】⑶通过氯乙烯气柜安全性能的研究与提升，可保证氯乙烯气柜的日常运行，异常情况报警及事故应急处置可实现准确、迅速、有效。从风险源头到应急处置都有了可直观的参考及准确的判断依据，通过运行证明，氯乙稀气柜通过技术改造后运行效果良好，此技术改造可在同行业及使用可燃气体气柜行业内推广应用。