馬學(xué)華

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305）

唐山三友氯堿有限責(zé)任公司在企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)中，涉及濃硫酸、燒堿、鹽酸、氯氣、氫氣、次氯酸鈉等多種危險化學(xué)品，且崗位操作涉及高溫、高壓的場所多、危險系數(shù)大，因此，從生產(chǎn)工藝流程入手，依托現(xiàn)有設(shè)備、設(shè)施，進行深度挖潛，并結(jié)合DCS自動控制技術(shù)、遠傳儀器儀表在線分析檢測技術(shù)，逐步提升自動化控制水平，降低操作工頻繁的重復(fù)性操作，控制人為因素造成的誤操作幾率，從本質(zhì)上消除安全、環(huán)保隱患。

1 廢氯氣處理系統(tǒng)自動化控制優(yōu)化

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

為了確保離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定，配套設(shè)置了廢氯氣處理系統(tǒng)，即次氯酸鈉生產(chǎn)系統(tǒng)，用于處理離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)開、停車階段電解工序、氯氫處理工序、氯化氫合成工序、液氯工序等處產(chǎn)生的廢氯氣、氯氣透平機中間腔處廢氯氣以及事故氯氣等。廢氯氣處理的原理為含氯廢氣在串聯(lián)的一級廢氯氣吸收塔和二級廢氯氣吸收塔中與堿液逆流接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成次氯酸鈉，尾氣排放至大氣中，反應(yīng)方程式如下。

2NaOH+Cl2?NaClO+NaCl+H2O

廢氯氣處理系統(tǒng)的工藝流程為廢氯氣從一級廢氯氣吸收塔底部進入，在填料層與一級廢氯氣吸收塔上部下來的稀釋堿液充分接觸，尾氣由一級廢氯氣吸收塔頂部進入二級廢氯氣吸收塔底部，并在填料層與二級廢氯氣吸收塔上部下來的稀釋堿液充分接觸，由頂部引風(fēng)機抽出排入大氣，廢氯氣系統(tǒng)真空維持-2 kPa，由引風(fēng)機通過變頻自動調(diào)節(jié)。一級廢氯氣吸收塔吸收堿液、二級廢氯氣吸收塔吸收堿液分別由對應(yīng)的堿液循環(huán)泵送至吸收塔頂部，反應(yīng)所釋放出的熱量分別由一級堿液冷卻器、二級堿液冷卻器帶走，當(dāng)游離堿濃度達到0.5%～0.9%，有效氯達到13.0%～14.0%時，通過次氯酸鈉泵輸送至成品罐區(qū)待售。廢氯氣處理系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

圖1 廢氯氣處理系統(tǒng)工藝流程圖

廢氯氣處理系統(tǒng)的生產(chǎn)模式，最初是由操作工現(xiàn)場手動進行操作，后發(fā)展到中控室DCS遠程手動操作氣動控制閥。在生產(chǎn)操作過程中存在缺陷，一是氣動控制閥門，由中控室DCS操作人員發(fā)出閥門打開、關(guān)閉的操作指令，有因操作不當(dāng)引發(fā)生產(chǎn)事故的風(fēng)險；二是廢氯氣處理系統(tǒng)吸收堿液的游離堿濃度，通過現(xiàn)場人員間斷性的做樣進行監(jiān)測，存在滯后性，尤其是在次氯酸鈉生產(chǎn)的后期，因做樣分析不及時或不準確，廢氯氣處理系統(tǒng)存在跑氯的風(fēng)險。

1.2 廢氯氣處理系統(tǒng)自動化控制優(yōu)化方案

通過對廢氯氣處理系統(tǒng)操作過程進行全面分析，結(jié)合DCS自動控制技術(shù)、遠傳儀器儀表在線分析檢測技術(shù)，實現(xiàn)了次氯酸鈉生產(chǎn)的自動化控制。在原有設(shè)備、設(shè)施的基礎(chǔ)之上，增加切斷閥、游離堿在線分析儀、電導(dǎo)率檢測儀及其附屬管線，實現(xiàn)稀釋堿液配置、游離堿濃度檢測的生產(chǎn)過程控制優(yōu)化。

（1）稀釋堿液配置優(yōu)化

設(shè)置稀釋堿液配置自動程序啟動投入/解除按鈕。當(dāng)自動程序投入使用時，稀釋堿液配置時選擇對應(yīng)按鈕，當(dāng)堿液循環(huán)罐液位低于設(shè)定值SV1，且循環(huán)堿液進口切斷閥、出口切斷閥均關(guān)閉，則堿液配置切斷閥、燒堿流量調(diào)節(jié)閥、純水流量調(diào)節(jié)閥打開，燒堿流量、純水流量通過串級控制關(guān)系進行調(diào)節(jié)，稀釋堿液自動配置。當(dāng)堿液循環(huán)罐液位高于設(shè)定值SV2，則堿液配置切斷閥、燒堿流量調(diào)節(jié)閥、純水流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，稀釋堿液配置結(jié)束。

（2）次氯酸鈉外排操作優(yōu)化

設(shè)置次氯酸鈉外排自動程序啟動投入/解除按鈕，當(dāng)自動程序投入使用時，堿液循環(huán)罐排次氯酸鈉時選擇對應(yīng)按鈕，當(dāng)液位高于設(shè)定值SV3，且循環(huán)堿液進口切斷閥、出口切斷閥均關(guān)閉，則次氯酸鈉外排切斷閥打開；當(dāng)堿液循環(huán)罐液位低于設(shè)定值SV4時，次氯酸鈉泵停泵，同時次氯酸鈉外排切斷閥關(guān)閉，次氯酸鈉外排操作結(jié)束。

（3）廢氯氣系統(tǒng)游離堿濃度檢測優(yōu)化

在一級堿液循環(huán)罐堿液循環(huán)管線上增加附屬管線，連接至游離堿濃度在線分析儀，實現(xiàn)吸收堿液游離堿濃度的在線監(jiān)控。依據(jù)廢氯氣系統(tǒng)吸收堿液游離堿濃度的變化規(guī)律，實施梯度檢測方案。前期吸收堿液游離堿濃度高時，檢測頻度低，取樣量??；后期吸收堿液游離堿濃度低時，檢測頻度高，取樣量適當(dāng)增加，以便實現(xiàn)吸收堿液游離堿濃度的及時、準確測量。游離堿濃度梯度檢測方案的實施，既節(jié)省了檢測試劑的使用量，又確保了廢氯氣系統(tǒng)在生產(chǎn)后期不跑氯，實現(xiàn)了廢氯氣生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

（4）注意事項

此次廢氯氣處理系統(tǒng)優(yōu)化方案中，自動化程序的執(zhí)行依賴于自動閥、分析計量儀表等的及時、準確反饋，因此在實際生產(chǎn)過程中，需要定期對液位計、自動閥、游離堿在線分析儀等進行校對，確保數(shù)據(jù)的準確性，實現(xiàn)自動化程序的穩(wěn)定運行。

2 樹脂塔再生酸水回用自動控制優(yōu)化方案

2.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國家對水資源的管控日益嚴格，廢水的排放處理、中水回用對企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。鹽水中的鈣離子、鎂離子等多價金屬離子會對離子膜造成嚴重傷害。在一次鹽水精制過程中鈣離子、鎂離子等多價金屬離子通過化學(xué)沉淀，預(yù)處理器、凱膜過濾器處理能降低到10-6水平，但殘余濃度仍不能滿足離子膜電解工藝對鹽水中多價金屬離子的濃度要求。需要通過螯合樹脂進行二次鹽水精制，使鹽水中鈣離子、鎂離子等多價金屬離子的濃度降低至10-9水平，為電解槽提供滿足生產(chǎn)需求的二次精制鹽水，實現(xiàn)零極距自然循環(huán)離子膜電解槽的安全穩(wěn)定運行。

公司離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)配置了3臺螯合樹脂塔，兩塔串聯(lián)運行，后塔起保護作用，一塔再生。為了保證螯合樹脂的離子交換吸附能力處于最佳的工作狀態(tài)，需要定期進行酸堿再生。螯合樹脂塔的再生過程包括水洗1、反洗、酸再生、水洗2、堿再生、水洗3、待機1、鹽水填充、待機2。在再生過程中累計產(chǎn)生酸性廢水約160 m3/d，嘗試將其回收至陽極液排放槽中，通過陽極液排放泵輸送至淡鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)，經(jīng)脫氯塔脫氯后輸送至一次鹽水工序用于化鹽，實現(xiàn)循環(huán)再利用。既緩解了企業(yè)發(fā)展所面臨的環(huán)保壓力，又節(jié)省了水資源、降低了生產(chǎn)成本。

螯合樹脂塔再生酸性廢水進入淡鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)后，使得系統(tǒng)中的淡鹽水流量增加、溫度降低，引起了淡鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)pH值、真空度、游離氯含量的波動，嚴重影響脫氯塔的脫氯效果。脫氯塔通過物理脫氯方法和化學(xué)脫氯方法除去淡鹽水中的游離氯。物理脫氯就是破壞有效氯體系的平衡，使有效氯盡可能的轉(zhuǎn)化為氯氣，并從體系中分離。化學(xué)脫氯需要用氫氧化鈉來調(diào)節(jié)淡鹽水的pH值，使有效氯從氯氣形式全部轉(zhuǎn)化為次氯酸鈉的形式，再用亞硫酸鈉還原。通過對脫氯塔的生產(chǎn)工藝流程進行分析，發(fā)現(xiàn)真空度的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和淡鹽水流量的穩(wěn)定控制，對脫氯塔的脫氯效果至關(guān)重要。

公司脫氯塔真空度的現(xiàn)行調(diào)節(jié)方式為：調(diào)節(jié)閥與脫氯塔真空度形成控制回路，自動調(diào)節(jié)；設(shè)置了DN25的手動閥作為旁路，進行輔助調(diào)節(jié)。在螯合樹脂塔再生酸性廢水回收至陽極液排放槽，進入淡鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)后，此配置的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)不能滿足脫氯塔的生產(chǎn)需求。同時，陽極液排放槽液位由操作工通過陽極液排放泵的啟停手動控制，操作頻繁，且調(diào)節(jié)上存在著個體差異，不利于脫氯系統(tǒng)指標(biāo)的穩(wěn)定控制。

2.2 脫氯塔真空度自動化控制優(yōu)化

在原有脫氯塔工藝流程的基礎(chǔ)之上，增加DN50的自動調(diào)節(jié)閥，和原有的自動調(diào)節(jié)閥并聯(lián)，同時與脫氯塔真空度形成控制回路，控制脫氯塔的真空度，保留了原有DN25的手動閥作為旁路，進行輔助調(diào)節(jié)。根據(jù)脫氯塔真空度的變化趨勢，結(jié)合DCS自動控制技術(shù)，適當(dāng)調(diào)整自動調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)。兩個自動調(diào)節(jié)閥投入脫氯塔生產(chǎn)系統(tǒng)使用后，調(diào)節(jié)及時、準確，脫氯塔真空度穩(wěn)定，脫氯效果良好。

2.3 陽極液排放槽液位自動化控制優(yōu)化

在原有脫氯塔工藝流程的基礎(chǔ)之上，陽極液排放泵增加變頻控制器，與陽極液排放槽液位形成控制回路，通過變頻自動控制液位，避免因淡鹽水流量的大幅度波動，影響脫氯塔的脫氯效果。陽極液排放槽液位自動控制，設(shè)置程序投入/解除按鈕，程序投入狀態(tài)下陽極液排放泵的變頻自動控制液位，程序解除狀態(tài)下陽極液排放泵的變頻手動調(diào)節(jié)控制液位。陽極液排放槽液位自動化控制程序具體說明如下。

（1）陽極液排放槽液位設(shè)定值為SV5，與陽極液排放泵變頻形成自動控制回路，當(dāng)陽極液排放槽液位高于SV5值時，變頻自動上調(diào)，當(dāng)陽極液排放槽液位低于SV5值時，變頻自動下調(diào)，維持液位穩(wěn)定，確保脫氯塔的脫氯效果。

（2）當(dāng)樹脂塔再生酸性廢水進入陽極液排放槽時，發(fā)出操作指令使陽極液排放泵變頻強制手動并上調(diào)4%（實際上調(diào)量可根據(jù)生產(chǎn)情況適當(dāng)調(diào)整）；持續(xù)至樹脂塔再生酸性廢水回收結(jié)束，此時發(fā)出操作指令使陽極液排放泵變頻下調(diào)4%（實際下調(diào)量可根據(jù)生產(chǎn)情況適當(dāng)調(diào)整），當(dāng)陽極液排放槽液位低于SV5后，程序控制變頻調(diào)節(jié)由手動控制變?yōu)樽詣涌刂?，維持液位穩(wěn)定。

3 電解工序純水泵啟動自動化控制優(yōu)化方案

3.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，公司離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)電解工序配套使用的動力泵共計25臺，動力泵運行時均需要使用機封冷卻水。機封冷卻水通過外接冷卻水或換熱器的方式，與介質(zhì)換熱后，由冷卻水來帶走機械密封因摩擦所產(chǎn)生的熱量，使機械密封的工作溫度控制在安全允許范圍之內(nèi)，以延長機械密封的使用壽命；同時機封冷卻水在機械密封的動環(huán)與靜環(huán)之間，起到潤滑的作用，減少機械密封在高速旋轉(zhuǎn)時受到的摩擦損傷，降低設(shè)備異常損壞的幾率，實現(xiàn)泵的安全穩(wěn)定運行。

動力泵的機封冷卻水統(tǒng)一由純水泵提供，一旦純水泵因動力電問題、泵自身故障等原因跳停時，可能造成機封冷卻水供應(yīng)不足，引起工序內(nèi)其他運行泵的故障、跳停，導(dǎo)致所輸送介質(zhì)的流量、溫度、壓力波動，以及儲罐液位波動等異常狀況的發(fā)生，如果操作工發(fā)現(xiàn)、處理不及時，甚至?xí)|發(fā)聯(lián)鎖條件，造成生產(chǎn)系統(tǒng)停車，不利于生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.2 純水泵啟動自動化控制優(yōu)化

現(xiàn)階段純水泵共計有2臺泵，實際生產(chǎn)過程中1臺泵運行、1臺泵備用。在此基礎(chǔ)之上，純水泵增加DCS遠程啟動、停止功能；設(shè)置純水泵自動啟動程序，避免因純水泵異常跳停后，機封冷卻水供應(yīng)不足，引發(fā)其他運行泵的故障，甚至生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。純水泵自動啟動程序具體說明如下。

（1）純水泵設(shè)置自動啟動程序投入/解除按鈕。自動啟動程序投入狀態(tài)下，純水泵執(zhí)行自動啟動；自動啟動程序解除狀態(tài)下，純水泵通過操作工手動操作，實現(xiàn)泵的啟動。

（2）純水泵A運行時，當(dāng)其因故障跳停后，純水泵B自動啟動；純水泵B運行時，當(dāng)其因故障跳停后，純水泵A自動啟動。

（3）若運行泵因故障跳停后，備用泵未能實現(xiàn)自動啟動，DCS解除自動啟動程序，操作工手動開啟備用泵。

4 電解工序燒堿循環(huán)自動化控制優(yōu)化方案

4.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

電解槽是離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，公司使用的是旭化成公司的零極距自然循環(huán)離子膜電解槽。在電解槽的陽極電極和陰極電極之間安裝著具有離子選擇性滲透功能的離子交換膜，進行電解反應(yīng)時，二次精制鹽水和稀釋堿液穩(wěn)定的流過離子膜的兩側(cè)，而電流則穿過離子膜。根據(jù)下面的反應(yīng)方程式：

可知，氯離子在陽極電極上放電生成氯原子，并最終結(jié)合生成氯氣；水在陰極電極上電離生成氫氣和氫氧根，鈉離子則在電場作用下發(fā)生電遷移，并通過離子膜內(nèi)部孔洞構(gòu)造到達陰極室，與氫氧根結(jié)合生成燒堿。

在離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)的開停車階段，電解槽的開、停操作步驟多且雜。主要涉及了電解槽的充液、極化整流器的運行、陰陽極液相系統(tǒng)的大流量循環(huán)、陰陽極液相系統(tǒng)的最小量循環(huán)、燒堿的槽外循環(huán)、槽內(nèi)循環(huán)等多項操作。期間隨著各個操作步驟的有序進行，燒堿的需求量也隨之發(fā)生變動，致使燒堿罐、燒堿高位槽、燒堿中間罐的液位產(chǎn)生波動，需要現(xiàn)場操作工頻繁的調(diào)節(jié)手動閥門的開度，以便維持各燒堿儲罐的液位穩(wěn)定，實現(xiàn)燒堿循環(huán)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。燒堿循環(huán)系統(tǒng)工藝流程圖見圖2。

圖2 燒堿循環(huán)系統(tǒng)工藝流程圖

操作工頻繁的手動操作閥門，調(diào)節(jié)循環(huán)系統(tǒng)中高溫?zé)龎A的流量，發(fā)生誤操作的幾率增大，對于生產(chǎn)系統(tǒng)來說是潛在的安全風(fēng)險；同時操作工先是接收到操作指令、再去執(zhí)行操作指令，在時間上存在滯后性，且閥門開度通過操作工手動進行調(diào)節(jié)、個體差異性大，易造成燒堿罐、燒堿高位槽、燒堿中間罐的液位過高或過低，不利于生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此實現(xiàn)燒堿循環(huán)過程各環(huán)節(jié)的穩(wěn)定控制，是離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)亟待解決的問題。

4.2 燒堿循環(huán)自動化控制優(yōu)化

在原有生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)之上，在燒堿管線增加兩個自動調(diào)節(jié)閥分別與相對應(yīng)的燒堿罐液位、燒堿中間罐液位形成控制回路，實現(xiàn)燒堿罐液位的自動控制；依據(jù)實際的工藝操作條件，結(jié)合DCS自動控制技術(shù)，自動調(diào)節(jié)閥設(shè)置相對應(yīng)的PID參數(shù)。自動調(diào)節(jié)閥投入離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)使用后，調(diào)節(jié)及時、準確，燒堿罐、燒堿高位槽、燒堿中間罐液位穩(wěn)定，且循環(huán)系統(tǒng)中燒堿流量穩(wěn)定，使用效果良好。優(yōu)化后的燒堿循環(huán)系統(tǒng)工藝流程圖見圖3。

圖3 優(yōu)化后的燒堿循環(huán)系統(tǒng)工藝流程圖

5 結(jié)語

氯堿行業(yè)離子膜燒堿生產(chǎn)系統(tǒng)的從業(yè)人員從生產(chǎn)工藝流程入手，一方面不斷地進行精準化操作分析，尋找生產(chǎn)控制過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)并進行優(yōu)化；一方面持續(xù)關(guān)注最新檢測儀器、儀表的發(fā)展動態(tài)，積極引進并用于生產(chǎn)過程中工藝指標(biāo)的檢測、控制。兩方面積極配合，逐步提升生產(chǎn)工藝控制的自動化水平，消除生產(chǎn)過程中存在的安全、環(huán)保隱患。