离子膜法烧碱装置的安全保证剖析

离子膜法烧碱装置的安全保证在电解烧碱技术中，电解产品氯气剧毒，氢气易与空气或氯气混合而形成爆炸性气体，烧碱、盐酸则为强腐蚀性物质，此外，电解生产时所用直流电的电压较高，有触电和被电流灼伤的危险；因此，离子膜法烧碱装置的主要危险、有害因素是：中毒、火灾、爆炸、腐蚀、灼伤和触电等。

在多层安全防护设计的理念下，从核心层的工艺本质安全开始，经过基本过程控制系统、监测报警系统、安全连锁系统、安全附件和结构防护，逐层向外扩展至应急处置救援防护，共7方面来保证装置的安全运行。

1工艺本质安全1.1防腐措施离子膜法烧碱生产电解过程中存在着大量的烧碱、盐酸、硫酸、次氯酸钠溶液等物质，对设备具有较强的腐蚀作用，而且盐酸中的氯化氢气体逸出，或者烧碱、盐酸、次氯酸钠溶液等泄漏，会对建筑、设备产生腐蚀；长时间接触盐水，一些金属设备也会被腐蚀。

若重要建筑和设备的关键结构被腐蚀，结构损坏，强度下降，还可能产生更严重的后果。

电解会产生高温湿氯气，淡盐水中也含有少量氯气，如果氯气处理设备、管线、法兰等选材不合理，将会腐蚀穿孔，物料泄漏。

因此，生产中使用的工艺管道、设备、仪表等的防腐工作尤为重要。

(1)接触盐水(含微量游离氯)的设备，一般应采用碳钢衬鳞片玻璃钢树脂或采用整体玻璃钢的材质；泵的材料多选用钛泵或铸铁衬聚四氟乙烯。

树脂塔等几台设备，应采用碳钢衬低Ca2+、Mg2+的橡胶，以保证人电解槽盐水的高纯性；对于氯化钠盐水管线大多采用钢衬聚烯烃管道、非金属管道等。

(2)电解工序，主要是阳极液、阴极液系统设备的防腐及离子膜电解槽的防腐。

接触淡盐水的设备、泵的材质，一般采用钛材，如阳极液循环槽，主要是阳极液的腐蚀，所以选用钛材，其后的淡盐水泵、脱氯塔也选用钛材。

而接触阴极液设备，由于碱的浓度较高、温度较高，所以使用SUS310S不锈钢；阀门、管道、管件材料较多采用非金属材料如聚偏二氟乙烯(PVDF)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、硬聚氯乙烯(PVC)、玻璃钢(FBP)等，既降低了工程造价，又保证了防腐蚀效果。

(3)氯处理工序，接触介质为氯气、水的设备一般选用玻璃钢，换热器选用钛材；经洗涤、冷却后的氯气用浓硫酸进行干燥，接触浓硫酸、氯气的设备采用PVC，外部用FRP加强；接触质量分数为75%-92%的浓硫酸(含微量的溶解氯)的换热器应采用哈氏合金；接触质量分数为92%以上的浓硫酸的换热器采用316L；因为浓硫酸能使碳钢表面形成致密的保护膜，其他设备采用碳钢，可以达到防腐目的。

(4)离子膜法烧碱装置所涉及的设备及其附件(平台、支座、楼梯、扶手等，但不包括土建钢结构)和管道、管道组件、管架等需要外部防腐设计。

1.2防火防爆措施离子膜法烧碱装置的电解厂房、氢气处理等场所均存在氢气。

如果设备、管路、阀门有泄漏点，操作条件控制不当，都可造成氢气逸出或者设备内进入空气，使氢气与空气混合，形成爆炸性混合物，一旦遇到明火、电气火花、机械火花、雷击、高热等都会发生火灾爆炸事故。

①由于爆炸危险气体介质为氢气，爆炸和火灾危险环境区域的电气设备、开关、仪表系统、照明及其线路的防爆等级不低于dIICT1(其中：d--隔爆；II-工厂用；C--防爆等级；T1--引燃温度组别，T1高于450℃)级。

②爆炸和火灾危险环境区域的设备、管线(包括采暖管线，上下水管线等)及厂房的金属构件应有良好的静电接地。

设备、管道、金属框架按规定设置防雷、防静电接地。

③厂房必须有良好的防雷电装置。

④设备、管道选择有效密封件，保证密闭。

⑤氢气的放空管顶部设置阻火器。

1.3防毒、防窒息氯气是电解产物之一，在氯气以及含氯溶液的处理、输送、储存等的过程中，若设备、管线、法兰等处泄漏，未能及时排散，将会发生中毒危险。

脱氯真空塔、氯气吸收塔等设备均在负压条件下运行，当设备结构不合理、壁厚腐蚀减薄或负压过大时，就会发生失稳，使塔器、容器等设备及管道变形、抽瘪甚至破裂，而导致氯气外溢等重大事故的发生。

氢气是电解产物之一，氮气是安全保护性气体，当这些气体泄漏在工作环境中，一旦形成充满上述气体的缺氧小环境，生产操作人员误人此处，可能发生窒息伤亡事故。

(1)由于离子膜法烧碱生产过程中有剧毒物质氯气产生，所以选用的设备、管道、法兰管件等均按比设计条件高一个等级选取，氯气压缩机后氯气管道所有法兰选用凹凸面法兰。

(2)加强设施的自然通风。

在电解和氢气压缩机厂房中，利用氢气密度小于空气密度的特性在电解厂房顶部设天窗，使氢气一旦泄漏，也不能在厂房中集聚。

在自然条件允许的情况下，氯气、氢气处理工序宜采用露天化布置，利用良好的自然通风，使有毒和可燃的危险气体不发生聚集。

1.4防触电措施电气设备、设施、线路、开关等，若质量不佳、绝缘性能不好、运行不当、机械损伤和绝缘老化，易导致漏电；违章操作、安全措施不完备、保护失灵时，人体不慎接近或触及正常带电体和意外带电部位都有可能发生触电事故。

特别是高压设备和线路，触电的危险性更大，后果更严重。

①低压电气线路采取三相五线制，电气设备设有保护接零措施。

②设置可靠的过负荷、短路保护设施。

③保护接地、接零安装连接可靠，电阻值符合规范要求。

④按规定对电气设备线路设置漏电保护器。

1.5防烫措施表面温度超过60℃的设备和管道，在距地面或工作平台高度2.1 m范围内或距操作平台周围0.75m范围内设防烫伤隔热层。

1.6供电措施离子膜法烧碱装置中电解、氯氢处理、整流的关键设备用电负荷以及中控室DCS电源为一级负荷，其余用电负荷为二级负荷。

一级负荷采用双回路供电电源加事故备用应急电源的供电方式，以保证供电的可靠性。

对于不能中断供电的DCS，还增设不间断电源装置(UPS)。

1.7作业场所的防护设施装置室内外楼梯和走廊设有牢固的栏杆，栏杆高1.1 m，防止操作人员从高处坠落；工业水池、废水处理池及盐泥池等周围架设防护栏，防止淹溺事故发生；转动设备都设置防护罩，防止机械伤害；在电解工序、氢气处理工序等危险部位设置“禁止烟火”等安全禁止标志；在一次盐水助剂储存配制区、氯气处理工序等有毒物质聚集的地方设置“有剧毒”等安全警告标志；在安全消防通道处设置“消防通道”等指示标志；对需要迅速发现并引起注意以防发生事故的场所、部位均涂安全色；在阀门附近标明输送介质的名称、符号或设置明显的标志，避免因误操作而引发事故。

2基本过程控制保证正常运行的过程控制，包括各种过程操作和程序控制。

在氯碱工业中氯气中含氢量过高或氢气中含氯量过高都会导致火灾、爆炸事故的发生。

为确保离子膜法烧碱装置能安全、可靠地运行，必须严格控制各项生产重要指标，对流量、压力、液位、电位差、温度和物料分析等检测仪表的测量精度、稳定性和可靠性，都有很高的要求。

例如，在电解工序，氢气的压力由安装在氢气总管线上的调节阀控制，并与氯气压力串级按比例调节控制，以便把氢气和氯气之间的压力差保持在设定值。

离子膜法烧碱装置一般设1个中央控制室，二次盐水及电解、脱氯、氯氢处理等工序采用1套DCS系统，一次盐水膜过滤采用独立的PLC控制。

其他辅助生产装置根据工艺需要设置必要的就地操作、监控和管理系统。

3监测报警系统当某个或多个参数超过规定值时报警，提醒操作者采取措施消除隐患。

在电解和氯氢处理工序设置可燃(氢)、有毒(氯)气体探测器和传感变送器，变送器变送输出4-20 mA信号进入DCS系统，并在主控室DCS操作站上设置报警。

设氯压机动力电源断电报警装置。

在电解工序和氢处理工序安装火灾报警系统。

4安全连锁系统安全连锁系统由传感器、逻辑模块和执行部分组成。

当工艺控制参数达到极限值时，紧急停车，开启处理装置，防止事故扩大。

离子膜法电解工艺过程十分复杂，对控制方面也提出了很高的要求。

为了确保工艺过程安全，须设置1套紧急连锁系统。

4.1单台电解槽整流器的自动关闭每台电解槽的整流器在下列条件下自动关闭。

①电解槽的电压差出现异常(超出±1 V)时，连锁关闭整流器。

在每台电解槽的槽头、槽中心和槽尾设置3个测试点，将电解槽划分为上下两个半区。

上下半区的电压实际上不相等，所以在开车前先将上下半区的的电压差调整为零。

当单元槽在生产运行中出现离子膜微漏或者其他异常情况时，该电压差就会偏离零点。

当该电压差达到±0.5 V时系统报警，电压差达到±1 V时，须停掉整流器(整个系统连锁停车)。

②进电解槽盐水或碱液的流量不足时，自动关闭整流器。

③电解槽的直流电流超过正常电流的最大值时，自动关闭整流器。

④电解槽接地(来自整流工序)。

电解槽的中心和地面有相同的电位，如果电解槽的某些位置接地，接地电压表显示波动，当波动超过规定范围时自动关闭整流器。

4.2全部整流器的自动关闭①电解槽阳极室和阴极室的氯气、氢气的压力过高时，全部整流器通过连锁自动关闭。

②氯气和氢气之间的压差影响阳极室和阴极室之间的压差，氯气和氢气之间的压差异常时，自动关闭全部整流器。

③按紧急停止整流器按钮时，自动关闭全部整流器。

4.3下游工序故障氯气压缩机或氢气压缩机停止时，自动关闭全部整流器。

4.4 1个整流器或全部整流器停止后的连锁①当1个整流器停止时，对应的盐酸供应阀的模式改为手动，该阀通过电磁阀快速关闭，以防止酸液对膜的腐蚀。

②当1个整流器停止时，对应的盐水供应阀的模式由串级改为自动，保持正常流量，并且在流量控制阀上上限报警时关闭。

③当1个整流器停止时，对应的盐水供应切断阀关闭，精盐水切断阀打开，以保证阳极室中氯气的消除。

④当所有整流器停止时，下面的设备同时工作。

淡盐水供应阀的模拟输出信号小于1.25 mA时将阀关闭；盐酸主，管道阀通过电磁阀快速关闭，并且信号保持在小于1.25 mA时该阀关闭；纯水阀的模式改为手动，模拟输出信号小于1.25 mA时将该阀关闭；氮气阀打开。

无论出现哪一个事故状态，都可通过连锁系统切断电解槽直流供电，关闭加盐酸阀，完成与连锁相关的动作。

5安全附件防护在上述4个防护层皆失效的情况下，可通过安全附件防止引起二次事故。

例如，在氢气分配台上设置防爆膜。

6结构防护在事故状态下，防护堤、防护沟、防爆墙等各类结构性防护措施可切断对环境的破坏或污染，进行污染物的收集、处置，防止危险事故进一步扩大。

(1)离子膜法烧碱新建装置要满足国家和所在地区的安全防护间距要求。

根据氯碱厂(电解法制碱)卫生防护距离标准(GB 18071-2000)，离子膜法烧碱装置至居住区边界的最小距离符合氯碱厂的卫生防护距离(见表1)的要求，即按其所在地区近5年的平均风速确定离子膜法烧碱装置至居住区边界的最小距离。

(2)离子膜法烧碱生产所用的电解装置、氢气处理装置为甲类生产装置，氯气处理装置和事故氯气处理设施由于氯的助燃性而设置于乙类火灾危险区，变配电所设置于丙类火灾危险区，一次盐水精制工序等其他建筑物均设置于戊类火灾危险区。