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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
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的活性炭触媒合成粗氯乙烯;粗氯乙烯中夹带的微量升华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）
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）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）
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
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
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。
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。
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