梁國周

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢設(shè)計有限公司 廣西南寧 530000）

甲醛裝置安全生產(chǎn)及節(jié)能改造管窺

梁國周

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢設(shè)計有限公司 廣西南寧 530000）

生產(chǎn)甲醛時需要大量的熱量，與此同時還會產(chǎn)生大量的熱量。隨著環(huán)境和生態(tài)狀況的日益惡化，綠色的思想逐漸受到了人們的推崇，在這一思想的指導(dǎo)下，原有的生產(chǎn)工藝中對蒸汽的過量使用逐漸不再符合要求。本文對傳統(tǒng)甲醛裝置存在的問題進(jìn)行了探討，并提出了對傳統(tǒng)甲醛裝置進(jìn)行改造建議和工藝完善的方案。

甲醛裝置；改造；自動化控制；氧化器

常用的甲醛生產(chǎn)方法是銀法甲醛。這種生產(chǎn)方式是以甲醇為原料，在空氣的氧化作用和電解銀的催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)。由于在反應(yīng)的過程中，甲醇處于過量的狀態(tài)，經(jīng)過氧化脫氫生成甲醛。銀法甲醛的具體流程是：先在將蒸發(fā)器中加入甲醛，通過蒸汽間接加熱的方法對蒸發(fā)器中的甲醇進(jìn)行加熱，這樣能夠保證加熱的均衡。將風(fēng)機(jī)發(fā)出的空氣從蒸發(fā)器下部吹入，讓鼓泡與甲醇接觸，從而促使甲醇蒸發(fā)。蒸發(fā)出來的產(chǎn)物是甲醇與空氣的混合物，需要對混合物進(jìn)行預(yù)熱，然后再與配料蒸汽混合，經(jīng)過一系列的過濾、阻火作用在氧化器中的銀觸媒作用下形成甲醛。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體需要立即進(jìn)入氧化器進(jìn)行極速的冷卻，使溫度降低到150℃，再通入吸收塔中最后溶解形成甲醛溶液。甲醛溶液經(jīng)冷卻后通入儲槽中，用于吸收反應(yīng)后的尾氣。傳統(tǒng)的甲醛裝置是以電解銀作為觸媒，采用的是空氣鼓泡甲醇蒸發(fā)器，設(shè)備十分的簡單，只要必須的溫度儀，全部采用手動操作，沒有任何自動化管理的設(shè)備。具體如圖1。

圖1 甲醛生產(chǎn)裝置

1 改造前甲醛裝置存在的主要問題

1.1 沒有自動化控制

傳統(tǒng)的甲醛裝置只有必須的一些設(shè)備，如氧化器、蒸發(fā)器、溫度顯示儀，不包含任何自動化控制部分，也沒有連鎖系統(tǒng)，生產(chǎn)的安全性較低。而采用甲醇氧化制甲醛的方式是具有較高的危險性的，是國家安監(jiān)局重點(diǎn)監(jiān)控的對象，而這種傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝具有很多不安全的因素，因此，必須對其生產(chǎn)工藝進(jìn)行必要的調(diào)整。

盡管對于傳統(tǒng)的蒸發(fā)器而言，使用熱甲醛作為原料能夠有效的控制生產(chǎn)成本，但由于原來的裝置仍主要采用蒸汽加熱的方法，對能源的消耗量較大，不符合綠色生產(chǎn)的要求。

1.3 氧化器設(shè)計有缺陷

原來的裝置大主要采用花板支撐銀觸媒，但是支撐板周圍沒有加設(shè)絕熱層，這會導(dǎo)致熱量在支撐板周圍損耗較大，反應(yīng)溫度達(dá)不到要求，甲醇無法完全反應(yīng)。

2 改造方案

2.1 自動化控制方案

要實現(xiàn)甲醛反應(yīng)裝置的自動化控制可以考慮采用DCS控制系統(tǒng)。DCS控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對制備甲醛裝置的綜合監(jiān)控，其中包括對各個參數(shù)的監(jiān)控、自動警報、自動控制、連鎖等。具體如圖2。

圖2 DCS控制系統(tǒng)示意圖

此外，還可以考慮增設(shè)一些補(bǔ)充的測量表，如溫度測量表、壓力流量測量表、液體水位測量表以及自動報警裝置。對風(fēng)機(jī)的出口溫度、蒸發(fā)器溫度、蒸發(fā)器出口溫度等溫度也要進(jìn)行合理的控制。氧化器內(nèi)的溫度控制區(qū)域可以設(shè)置5～6；氧化器出口溫度、吸收塔溫度、冷凝后甲醛的溫度、循環(huán)水溫度等都要進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。

最后要設(shè)置好警報溫度，防止儀器因溫度過高而出現(xiàn)爆炸等安全問題。溫度蒸發(fā)器的溫度應(yīng)當(dāng)為低限報警值氧化器溫度的設(shè)置為高限報警。設(shè)置完溫度后就要設(shè)置設(shè)備中的壓力大小，其中包括風(fēng)機(jī)出口處的壓力、蒸發(fā)器出口壓力、氧化器壓力、蒸汽壓力等。其中氧化器出口壓力由三個方面的內(nèi)容所決定，分別是塔出口壓力、各泵出口壓力等。設(shè)置儀器中的各種液位，如蒸發(fā)器液位、汽包液位、吸收塔液位等。

在青藏高原北緣，有一個美麗富饒的地方，那里集林海、雪山、峽谷、冰川、草原為一體，擁有獨(dú)特而完整的原生態(tài)景觀，不但是天然的避暑勝地，還是我國西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)區(qū)。這就是素有“雪域天境”之稱的祁（qí）連縣。

2.2 設(shè)置自動控制回路和連鎖

生產(chǎn)甲醛的裝置是將加熱后的甲醛作為主要原料的，通過控制蒸發(fā)器的溫度，可調(diào)整和控制甲醇蒸發(fā)速率，也就是控制了甲醇在原料中的比例。因此，反應(yīng)裝置的溫度對反應(yīng)的結(jié)果和質(zhì)量有著極大的影響，只有保持反應(yīng)裝置的溫度合理，才能確保反應(yīng)的合理有效進(jìn)行。

在外界壓力相同的條件下，溫度越高甲醇蒸汽所受的壓力越大，相應(yīng)的，甲醇的蒸發(fā)量也就越大。而銀法甲醛法是甲醇在過量的情況下的反應(yīng)，只有確保蒸發(fā)器溫度大于某一限定值才能確保反應(yīng)的正常進(jìn)行，若對甲醇濃度沒有進(jìn)行合理的控制，使得甲醛的濃度超出了可控的范圍，就可能會引起爆炸。

氧化器觸媒的溫度應(yīng)當(dāng)控制在650℃以下，若超出這一限值將有可能導(dǎo)致銀觸媒熔化。風(fēng)機(jī)的電機(jī)應(yīng)設(shè)置變頻模式，從而確保氧化器溫度的恒定以及風(fēng)機(jī)變頻回路的有效性。

控制蒸發(fā)器與甲醇流量自動控制系統(tǒng)，其中包括吸收塔液位、甲醛流量回路等，以維持的穩(wěn)定液位。設(shè)置蒸發(fā)器液位最低限度，防止蒸發(fā)器液位降低導(dǎo)致甲醇蒸發(fā)量減少。甲醇蒸發(fā)量減少容易導(dǎo)致氧化器出現(xiàn)爆炸問題；設(shè)置氧化器汽包液位最低限制，防止因水位過低而破壞設(shè)備；設(shè)置氧化器溫度最高限值，防止銀觸媒熔化分解。

2.3 工藝流程節(jié)能改造方案

將加熱介質(zhì)從原本的蒸汽改為甲醇加熱，加熱時將甲醇溫度加熱到65℃以上。反應(yīng)完成后甲醛溶液的溫度從140℃降低到70℃，這樣不但可以節(jié)約加熱能源，而且可以有效的控制甲醛溫度，還減少了冷卻水的用量。改造后的甲醛生產(chǎn)過程如下：首先，將吸收泵輸出的甲醛通過氣動三通閥，然后通入蒸發(fā)器中對甲醇進(jìn)行加熱，再通入換熱器經(jīng)過冷卻后輸入塔頂部進(jìn)行循環(huán)使用；另外一部分氣體直接去輸入換熱器，在三通閥與蒸發(fā)器之間形成回路，以便于調(diào)節(jié)反應(yīng)裝置的溫度。

2.4 氧化器的局部改造

改用銅網(wǎng)來作為反應(yīng)中的觸媒支撐。原有的反應(yīng)裝置是采用花板作為觸媒支撐的，需要在厚度為6mm的不銹鋼板上打上直徑為6mm的孔，再在上面鋪上銅絲網(wǎng)，將銀觸媒均勻的鋪在上面。但這種不銹鋼板的一個顯著的缺陷是在600℃高溫作用下容易產(chǎn)生變形，從而引起觸媒出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致部分甲醇和空氣充分接觸反應(yīng)就直接經(jīng)過觸媒層，導(dǎo)致甲醛中甲醇的比例偏高，反應(yīng)后雜質(zhì)甲酸含量過多，材料的消耗量大，但產(chǎn)品純度低。具體的改良措施是用銅網(wǎng)替代花板作為觸媒框，并在上面鋪設(shè)一層粗銅網(wǎng)，再鋪1層普通的銅網(wǎng)。銅網(wǎng)與花板相比的優(yōu)勢在于，銅網(wǎng)在高溫下只會發(fā)生橫向的膨脹，此外銅的膨脹系數(shù)與銀的十分接近，觸媒不易出現(xiàn)開裂的問題。

此外，還可以在氧化器觸媒四周增設(shè)一層絕熱層。

傳統(tǒng)的反應(yīng)裝置中，氧化器觸媒框是直接暴露在空氣中的，這會導(dǎo)致觸媒框散熱快，甲醇與空氣無法充分接觸反應(yīng)，這會造成甲醛中甲醇和甲酸的含量偏高，能源消耗量也有所增加，而且產(chǎn)品的純度下降。改造后反應(yīng)裝置在觸媒框周圍增加了1個絕熱層，即不銹鋼板，不銹鋼上面與觸媒框四周焊接，限制了環(huán)內(nèi)氣體的流通，提高了絕熱效果。

3 改造后的經(jīng)濟(jì)效益

甲醛自動化反應(yīng)裝置改造后能有效地控制安全事故的發(fā)生頻率，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，確保了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，改造后的裝置用甲醛取代了蒸汽對甲醇進(jìn)行加熱，從而有效的節(jié)約了甲醛蒸汽，與此同時還減少了循環(huán)水用量。

氧化器觸媒框經(jīng)過改造后，每生產(chǎn)一噸甲醛消耗的甲醇可減少5kg，反應(yīng)完成后，甲醛中甲醇雜質(zhì)的含量可控制在0.5%以下，甲酸含量幾乎可以忽略不計，甲醛質(zhì)量可以得到更好的保障。

4 節(jié)能分析與措施

4.1 工藝路線的改造

甲醇一般的蒸發(fā)溫度為46℃，因此甲醇蒸發(fā)所需要的熱量并不高。甲醇氧化爐下部的氣體從180℃降低到100℃的過程中放出熱量，可以將冷卻水加熱到80℃上下，因此可以將它其來作為甲醇加熱的熱源，中間只需要加泵形成一個循環(huán)回路。采用這種加熱方式就不需再另外設(shè)置熱源，從而就可以有效的節(jié)約蒸汽。

4.2 甲醛氧化爐冷卻段的改進(jìn)

甲醛在氧化爐內(nèi)的反應(yīng)主要經(jīng)過兩個過程，第一個階段是氣體冷卻段，其作用有兩個：①在最短的時間內(nèi)將氣體進(jìn)行快速的冷卻，防止氣體長時間維持在450℃的時間，這樣就可以減少甲酸的生成量；②可以將換熱器吸收的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝＿@樣在保持氣體停留時間不變的情況下下，將增加了換熱面積，提高了熱傳導(dǎo)效果，增加了蒸汽的產(chǎn)生量。此外，由于吸收塔內(nèi)的水蒸汽含量減少了，循環(huán)水用量可以得到更好的控制，還節(jié)約了用電量。

4.3 其他措施

除了上述的措施外吸收塔還可以改用金屬板波紋材料，這樣就可以使系統(tǒng)阻力減少，減小風(fēng)機(jī)出口壓力，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行消耗的電能。對于吸收塔冷卻器的設(shè)計，可以采用傳熱效果更好的換熱器，從而降低了冷熱溫差，延長機(jī)組的使用年限減少，并降低電能損耗。

5 結(jié)論

通過以上一些技術(shù)的改進(jìn)方法，甲醛的生產(chǎn)裝置可以實現(xiàn)甲醛生產(chǎn)效率的提高，循環(huán)水損耗率和電能損耗量的減少，提高甲醛生產(chǎn)的水平，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)效益和社會效益的提高。

[1]邱永清.甲醛裝置安全生產(chǎn)及節(jié)能改造[J].河北化工，2014（02）：24～25.

[2]李春勝.鐵鉬法甲醛裝置節(jié)能降耗小結(jié)[J].化工設(shè)計通訊，2012（03）：36～37.

[3]宋昌倫.50kt/a銀法甲醛裝置生產(chǎn)問題及改進(jìn)[J].中氮肥，2011（05）：15～16.

TD79

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1004-7344（2016）09-0294-02

2015-12-28

梁國周（1982-），男，工程師，本科，主要從事石油化工醫(yī)藥工程工藝及管道設(shè)計等工作。