VCM氯乙烯氣柜安全性能的提升與應用

摘要：近年來，我國PVC生產中氯乙烯氣柜泄漏事故頻繁，給人員傷亡和財產損失造成嚴重的影響。本文通過介紹某公司30萬噸/年PVC系統濕式氯乙烯氣柜結構、工作原理及運行現狀，分析了氣柜原設計及聯動運行中存在的問題。根據氯乙烯氣柜實際情況，對其本體硬件設施及工藝進行優化改造，提高了氯乙烯氣柜安全性能，使其運行更加穩定可靠，為PVC生產提供了可靠的安全保障。 

關鍵詞：氯乙烯氣柜、優化改造、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

在我國，乙烯資源短缺而煤炭資源相對豐富，導致我國在PVC生產中電石法 PVC生產工藝占據主導地位。近年來，國內電石法聚氯乙烯生產突飛發展，隨著國內氯乙烯產能的迅速提升，聚氯乙烯安全生產已成為PVC行業關注的焦點問題。2018年，某公司氯乙烯泄漏擴散至廠外區域，遇火源發生爆燃，致24人死亡，21人受傷，事故直接原因是氯乙烯氣柜出現卡頓、傾斜導致大量氯乙烯單體沖破氣柜水封泄漏擴散，遇靜電明火發生閃燃，造成人員傷亡和設備損害，給社會帶來惡劣的影響。2019年，某公司氯乙烯氣柜泄漏，擴散至電石冷卻車間遇火源發生燃爆，造成4人死亡、3人重傷、33人輕傷。這兩起事故都是因為氯乙烯氣柜泄露氯乙烯遇火而發生的爆炸事故，因此，隨著國內PVC行業氯乙烯氣柜泄漏事故頻發，一次次的對全國PVC行業安全生產敲響了警鐘，使各生產單位在氯乙烯生產中將氣柜的安全運行、故障監控、應急救援等管控上升到一個新的高度。

某公司30萬噸/年PVC系統，主要工藝采用電石法PVC生產工藝，其氯乙烯生產反應原理如下：

CaC₂＋H₂O→Ca(OH)₂＋HC＝CH

HC＝CH＋HCl→H₂C＝CHCl+124.6kJ/molL

來自乙炔工段的乙炔氣與氯化氫合成裝置送來的氯化氫氣體，按一定量配比混合，經混合脫水、預熱后進入充裝有觸媒的轉化器，反應合成粗氯乙烯氣體，并經水洗、堿洗、加壓、、單體脫水、精餾制得純度達99.99％以上的合格氯乙烯單體，供聚合裝置使用。

在VCM生產過程中，氯化氫氣體和乙炔氣體經混合器混合后，進入2臺串聯的石墨冷卻器，用-35 ℃鹽水間接冷卻；混合氣經酸霧捕集器進入預熱器，預熱至80～90 ℃，進入多組并聯的轉化器，通過轉化器列管中裝載吸附的活性炭觸媒合成粗氯乙烯;粗氯乙烯中夾帶的微量升華在除汞器中經活性炭吸收除去;粗氯乙烯隨后進入水洗組合塔、堿洗塔,除去殘余氯化氫、二氧化碳及其他酸性氣體后，一部分進入氯乙烯氣柜，另一部分送至壓縮崗位。壓縮后的氯乙烯通過變溫變壓的單體脫水裝置后進入精餾系統。氣柜作為中間緩沖裝置，既能保持精餾系統穩定，又使轉化工序平穩運行。

氯乙烯的理化性質：分子式：C₂H₃CI,結構式CH₂=CHCL,分子量62.5，沸點-13.9℃，凝固點-159.7℃，臨界溫度142℃，臨界壓力5.22MPa,爆炸極限與空氣4%～22%，（體積比）與氧氣3.6%～72%（體積比），當加入氮氣＞48%時，氯乙烯與空氣不會爆炸。

在此裝置運行過程，由于氯乙烯爆炸極限寬，易燃、易爆、易中毒的屬性決定氣柜安全運行是PVC生產過程的重中之重。目前工藝技術及設計決定了氯乙烯氣柜為安全薄弱環節，以致日常運行風險較大。

2 VCM氯乙烯氣柜原設計安全性能及運行現狀

2.1目前行業所使用的濕式氯乙烯氣柜結構及工作原理。

目前行業大部分使用2000m3至3000m3濕式氯乙烯氣柜，其結構及工作原理主要是由立式圓筒形的水槽、一個圓筒塔節鐘罩、正逆水封、鐘罩精度的導向裝置、進口正水封及出口逆水封等組成。鐘罩是一個有拱頂底面敞開的圓筒形結構，在水槽和鐘罩之間加水密封。氯乙烯氣體管道經正水封穿過水槽底板和水槽中的水進入鐘罩，實現氣體的輸入或通過逆水封排出。當向氣柜壓送氣體時，鐘罩上升，其下部掛圈從水槽中取水；鐘罩升至一定高度時，靠水的浮力和氯乙氣相空間增大時塔節上升。在輸出氣體時，鐘罩和塔節的動作過程相反。鐘罩及塔節依靠導軌和導輪保證升降平穩。氣柜氯乙烯進出口設計正逆水封。（結構如圖1）

圖1 原設計氯乙烯氣柜結構圖

2.2濕式氯乙烯氣柜原設計及運行中容易出現以下問題^[1]

1）氯乙烯氣柜原始設計水槽內部采用涂刷瀝青防水漆進行防腐，在建設施工過程中，由于北方地區，冬季氣溫較低，冬季施工很難保證施工氣溫在5℃以上，另外由于設計涂層厚度為100mm,瀝青涂料涂層厚度過厚，長期運行會出現瀝青涂料表面脫落，龜裂現象，使水槽局部地方出現脫落，裸露。導致以下兩種結果，一方面，CW材質的水槽與水封內的工業水直接接觸，發生電化學反應，易使水槽壁發生滲漏水情況，易使水封液位下降，存在泄漏氯乙烯的現象。另一方面，瀝青涂料脫落雜物會堵塞氣柜氣相氯乙烯進出口管道、正逆水封排水管道，導致正逆水封液位過高，運行中頻繁出現氯乙烯壓縮機吸氣壓力低于1Kpa的情況，時常出現系統緊急停車處理的情況。

2）氣柜進出口設計DN700切斷閥，氣柜氣相空間設置三處高度控制點與中控程序設置聯鎖（三選二點設置，氣柜液位低于＜20%,氣柜進口切斷閥聯鎖關閉，氣柜液位＞80%，氣柜進口切斷閥聯鎖關閉，氣柜液位在20%～80%之間，切斷閥聯鎖打開），DN700管道為來自凈化系統堿洗塔出口，為主流程管道。精餾的單體回收管線、單體脫水裝置的再生排氣管線、廢水汽提塔氣相出口管線均進入氯乙烯氣柜，但以上管線均原設計管線接入氣柜切斷閥與氣柜之間，DN700切斷閥只能保護來自堿洗塔出口氯乙烯導致的氣柜液位過高，對單體脫水排氣、精餾系統的回收、廢水汽提塔氣相出口導致氣柜的液位過高情況屬于失控狀況。當精餾回收系統出現故障、單體脫水排氣閥故障時，氣柜高度無法通過DN700切斷閥控制，只能緊急停車處理。除以上切斷閥及液位計外，氣柜裝置再無其他安全裝置及附件。（如圖2）

3）水封槽補水管線設置DN100手動截止閥進行補水，水封槽液位未設計遠傳液位，氣柜水封補水需人工手工進行操作，水封液位及補水高度需要現場人員人工觀測。當水封出現嚴重缺水情況下，補水及時性較差。水封內未設計液位計，導致在水封液位過低的情況下中控人員不能及時發現處理。

4）水封內未設置蒸汽加熱管道，水封內無水溫檢測裝置，另外，我國北方地區，冬季工業水容易結凍，氣柜卡頓現象頻發，出現以上情況只能系統停車處理，無水溫安全保障措施。

5）氣柜溢流口排水直接流入地溝，由于氣柜水封中工業水含有大量氯乙烯，直接排入地溝導致氯乙烯富集，遇明火或靜電集聚發生氯乙烯閃爆事故。就目前此種運行模式，氣柜在發生故障，如出現卡頓、傾斜、水封液位低、筒體泄漏氯乙烯等情況，從事故發生、中途處置及事故失控狀態下，應急處置很難做到及時有效。

3 VCM氯乙烯氣柜運行過程中進行的技術改造

3.1氯乙烯氣柜內部采用新型防腐材料進行防腐處理

將項目建設期間氣柜使用的瀝青防腐涂料徹底清理，將氣柜內表面清理干凈，使用新型親環境防腐涂料，此種涂料具有優異的耐化學品、耐濕熱、耐鹽霧等性能，可噴涂在多種基材上包括含有銳利邊角底材，透氣底材（鍍鋅鋼，美特金等）。主要使用工藝為：熱熔結環氧粉末涂料制作工藝流程：試驗流程：稱量→混合→擠出→磨粉→過篩→噴涂→固化→檢測；(2)擠出溫度：30-90-80℃。選擇夏季檢修期間施工，保證施工質量及至固化運行質量。

3.2氯乙烯氣柜入口氣相管線工藝優化改造

精餾的單體回收管線、單體脫水裝置的再生排氣管線、廢水汽提塔氣相出口進入氯乙烯氣柜工藝進行改造：在單體脫水至氣柜管線出口加裝DN250切斷閥，設點引入中控電腦，在單體脫水裝置出現故障，氣柜排氣閥無法關閉的情況下，中控站操作電腦可通過DN250切斷閥迅速關閉，保證氣柜液位上升速度。精餾的單體回收管線、廢水汽提塔氣相出口至氣柜管線，在各自裝置內管線上加裝調節閥引入中控電腦，出現氣柜液位過高時關閉調節閥，可及時切斷進入氯乙烯氣柜氣相氯乙烯，保證氣柜液位平穩。

3.3氯乙烯氣柜進出口總管多級監測點的設置^[2]

氣柜進出口總管上設置三個壓力監測點，與中控室系統緊急停車聯鎖（壓力三選二，氣柜壓力≥6kpa或者氣柜壓力≤0.5kpa，前系統觸發聯鎖緊急停車），保證氣柜及氯乙烯壓縮機進口穩定。

3.4氯乙烯氣柜水封槽補水裝置自動化改造

水封槽補水管線設置DN100自動調節閥進行補水，設計水封液位計，與調節閥聯鎖。將氣柜水封補水管道閥門改造為DN100自動調節閥，在氣柜水封設置液位計，將遠傳液位計與補水調節閥進行聯鎖，設置液位計低線為70%，高線為100%。進行聯鎖補水。

3.5氯乙烯氣柜水封內設置蒸汽加熱管道

在水封內四周環形均勻設置10根DN25蒸汽管道，蒸汽總管上設置調節閥，水封設置溫度計與蒸汽總管調節閥聯鎖，將蒸汽通入水中，在冬季可聯鎖打開蒸汽調節閥對水封進行加熱，保證水封內溫度在5℃～8℃，避免水封結凍。

3.6氯乙烯氣柜頂部加裝避雷設施

加裝避雷帶及避雷網，采用圓鋼及扁鋼，其尺寸按照下列數值，圓鋼直徑為8mm，扁鋼截面積為48mm²，扁鋼厚度為4mm。避雷線一般采用截面積為35mm²的鍍鋅鋼絞線架設。氯乙烯氣柜為重要建筑物，避雷網采用5′5m的密網格，根據氣柜投影面積，氯乙烯氣柜設置4根引下接地線，沿氣柜水封外壁對稱布置，成"工"字形布置，做好防腐處理，引入罐區接地大網。 

3.7氣柜四周增加可燃氣體報警儀^[3]

在氯乙烯氣柜四周分別安裝8臺可燃氣體報警儀，信號接入中控室聲光報警系統。

選用mV信號,頻率信號或4～20mA信號輸出的檢測器,指示報警器宜為專用的報警控制器，選用信號設定器加閃光報警單元構成的報警器，至聲光報警系統及報警記錄設備的信號,從報警控制器或信號設定器輸出.當出現氯乙烯泄漏時，中控室聲光報警系統會發出報警，濃度越高，報警頻率越高。

3.8水封伴熱蒸汽管線上加裝氮氣管線

根據氯乙烯的理化性質，爆炸極限與空氣4%～22%（體積比）,與氧氣3.6%～72%（體積比），當加入氮氣＞48%時，氯乙烯與空氣不會爆炸。在水封蒸汽管線上加裝氮氣管道，加裝遠程調節閥控制，當氣柜出現傾斜、泄漏情況下，從水封蒸汽管線上充入氮氣，降低泄漏氯乙烯爆炸極限，避免失控狀況下氯乙烯的泄漏爆炸。

3.9氯乙烯氣柜溢流口排水收集裝置的改造

氣柜溢流口排水加裝廢水收集罐，罐底部加裝廢水輸送泵，使用輸送泵將水封溢流廢水送至廢水處理車間汽提塔，回收廢水及氯乙烯重復利用。

3.10對氣柜水封液位加裝高清攝像頭監控

在水封槽上加裝高清視屏監控，可進行全方位無死角，在液位計、補水閥出現異常的情況下，可人為及時觀察水封液位，防止氯乙烯由于水封過低而導致的泄漏。

4 VCM氯乙烯氣柜安全性能提升后效果

通過以上技術改造，一方面氯乙烯氣柜在日常生產運行中更加安全、平穩，減少了因氯乙烯氣柜故障導致前系緊急停車次數；另一方面氯乙烯氣柜技術改造效果明顯，氣柜安全性能得到具體提升，從事故發生到應急處理都有了切實可行的保障措施。如下圖所示

具體運行效果詳細如下：                

4.1.氯乙烯氣柜本體硬件設施優化改造后安全性能提升效果

⑴通過對氣柜內部防腐涂料的改造，有效防止了氯乙烯氣柜內部防腐層脫落的問題，有效解決了CW材質的水槽與水封內的工業水直接接觸，發生電化學反應，使水槽壁發生滲漏水問題；杜絕了瀝青涂料脫落雜物堵塞氣柜氣相氯乙烯進出口管線、正逆水封排水管道，導致正逆水封液位過高，運行中經常出現氯乙烯壓縮機吸氣壓力低于1Kpa的情況。

⑵在氣柜頂部加裝避雷網裝置，按照《雷電與避雷工程的避雷帶和避雷網的結構設計》規范施工，下引線接入接地大網，保證良好的雷電、靜電消除，避免由于雷電電擊，靜電集聚導致氯乙烯氣柜著火爆炸危險。

⑶氣柜溢流口排水加裝廢水收集罐，如圖3所示：對氣柜水封溢流口廢水進行收集，使用輸送泵將水封溢流廢水送至廢水處理工序的汽提塔，回收廢水及其中所夾帶的氯乙烯，回收的氯乙烯送入氣柜繼續使用，廢水進入廢水處理站處理后回用，實現了氣柜廢水及氯乙烯的零排放。

4.2工藝優化后安全性能提升：

⑴精餾回收管道、廢水汽提塔出口管線單獨加裝切斷閥控制，保證氣柜進出口設計DN700切斷閥聯鎖，如圖3：聯鎖一（氣柜氣相空間設置三處高度控制點與中控程序設置聯鎖（三選二點設置，氣柜液位低于＜20%,氣柜進口切斷閥聯鎖關閉，氣柜液位＞80%，氣柜進口切斷閥聯鎖關閉，系統緊急停車聯鎖觸發，氣柜液位在20%～80%之間，系統正常運行)，可保證氣柜液位異常時迅速自動保護；

⑵水封液位與補水閥聯鎖，如圖3：聯鎖二（水封液位≤70%，補水調節閥打開，水封液位≥100%，補水調節閥關閉）。可保證在水封液位低時，補水閥能自動補水，避免水封液位過低出現氯乙烯泄漏。

⑶氣柜進出口總管上設置三個壓力監測點，與中控室系統緊急停車聯鎖如圖3：聯鎖三（壓力三選二，氣柜壓力≥6kpa或者氣柜壓力≤0.5kpa，前系統觸發聯鎖緊急停車），保證氣柜及氯乙烯壓縮機進口穩定，避免氯乙烯壓縮機進口出現負壓運行的情況。

⑷水封蒸汽總管上設置調節閥，在水封內設置10根DN25蒸汽管道，水封設置溫度計與蒸汽總管調節閥聯鎖, 如圖3：聯鎖四（水封溫度≤5℃，調節閥打開蒸汽加熱，水封溫度≥8℃，調節閥打開蒸汽加熱），在冬季可保證水封內溫度在5℃～8℃，避免水封結凍，出現氣柜卡頓現象。

⑸水封伴熱蒸汽管線上加裝氮氣管線，如圖3中所示，氮氣管線匯入水封蒸汽總管上，根據氯乙烯的理化性質，爆炸極限與空氣4%～22%（體積比），與氧氣3.6%～72%（體積比），當加入氮氣＞48%時，氯乙烯與空氣不會爆炸。在水封蒸汽管線上加裝氮氣管道，加裝遠程調節閥控制，當氣柜出現傾斜、泄漏情況時，從水封蒸汽管線上充入氮氣，在水封內四周環形均勻設置10根DN25蒸汽管道，會將氮氣送入水封，與泄漏氯乙烯混合，降低泄漏氯乙烯爆炸極限，避免失控狀況下及應急救援時氯乙烯發生爆炸。

4.3其他安全附件投用后氣柜安全性能的提升

⑴氣柜四周增加8臺可燃氣體報警儀（位置如圖3），與中控室聲光報警系統進行信號傳輸，保證在氣柜出現故障情況下如卡頓，傾斜事故狀態下，出現氯乙烯泄漏，可燃氣體檢測儀能及時有效的將信息傳送至中控室聲光報警裝置，并且隨可燃氣體檢測濃度的升高，警報頻率迅速增強，能保證應急搶險的及時性，避免事故擴大化。 

 ⑵水封加裝高清攝像頭，方便人員及時全方位無死角監控水槽液位，在液位計、補水閥出現異常的情況下，或者在補水調節閥液位聯鎖失靈的情況下，可人為及時觀察水封液位，防止氯乙烯由于水封過低而導致的泄漏。

⑶通過氯乙烯氣柜安全性能的研究與提升，可保證氯乙烯氣柜的日常運行，異常情況報警及事故應急處置可實現準確、迅速、有效。從風險源頭到應急處置都有了可直觀的參考及準確的判斷依據，通過運行證明，氯乙稀氣柜通過技術改造后運行效果良好，此技術改造可在同行業及使用可燃氣體氣柜行業內推廣應用。

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