液氯氣化節(jié)能工藝的優(yōu)化

王利，吳建楊

（南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司，江蘇南通226006）

液氯氣化節(jié)能工藝的優(yōu)化

王利，吳建楊

（南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司，江蘇南通226006）

介紹了氯氣氣化節(jié)能裝置及其優(yōu)化方案，并對優(yōu)化前后的節(jié)能效果進(jìn)行了分析。

氯氣；液氯；節(jié)能；氣化

在氯堿生產(chǎn)中，氯氣液化消耗冷量，液氯氣化需要熱量，將這2個(gè)過程結(jié)合起來使能量充分利用，將達(dá)到節(jié)能降耗目的。南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司結(jié)合技術(shù)改造，對液氯氣化節(jié)能工藝進(jìn)行了探索。

用溫度比液氯高的原氯做為熱源，與液氯進(jìn)行熱交換，得到由液氯氣化的氯氣，同時(shí)降低原氯溫度，其中一部分達(dá)到液化溫度變成液氯。這一過程可以通過氯氣節(jié)能器實(shí)現(xiàn)。

1 國內(nèi)在氯氣液化、氣化節(jié)能方面的現(xiàn)狀

（1）利用原化工部組織編寫的《氯堿生產(chǎn)技術(shù)》一書介紹的液氯熱交換器，制造相應(yīng)的液氯可節(jié)約能量40%，其優(yōu)點(diǎn)是單位面積氣化量大，缺點(diǎn)是流程比較復(fù)雜，為濕式氣化，存在三氯化氮積聚風(fēng)險(xiǎn)，需要定期排污，損耗一定量的液氯，且排污過程易發(fā)安全事故，流程示意見圖1。

國內(nèi)氯堿企業(yè)有將低壓氯氣液化所釋放出的熱量通過制冷介質(zhì)氟利昂提供給液氯氣化使用，有效地改善了能源利用狀況。

2 改造前液化及氣化工藝現(xiàn)狀及能耗分析

2.1 工藝流程概況

圖1 外加熱式帶氣化室的液氯氣化工藝簡圖

該公司16萬t/a離子膜燒堿二期工程于2008年12月投入運(yùn)行，液氯產(chǎn)量12.6萬t/a（15.75 t/h，按8 000 h計(jì)算）。經(jīng)壓縮后0.45MPa左右的氯氣用液化器和溴化鋰機(jī)組6℃的冷凍水進(jìn)行熱交換，液氯進(jìn)液氯貯槽，尾氣去合成鹽酸。因下游產(chǎn)品三氯化磷生產(chǎn)工藝要求高純度氯氣，必須通過液氯氣化才能達(dá)到要求，采用熱水加熱干式氣化工藝路線，氣化量為6 t/h，氣化工藝流程圖見圖2。

2.2 能耗分析

原氯液化及三氯化磷所需液氯氣化總能耗為：

圖2 液化及熱水氣化工藝流程簡圖

式中：Q1為原氯液化所需冷量；Q2表示液氯氣化所需熱量；P表示制冷所需電耗；Q11為氯氣液化顯熱；Q12表示氯氣液化潛熱；Q13表示液氯過冷所需冷量；Q21為液氯氣化顯熱；Q22表示液氯氣化潛熱；Q23表示氣氯過熱所需熱量。

（1）氯氣液化顯熱計(jì)算（以下均以每小時(shí)計(jì)算）

氯氣壓縮后運(yùn)行壓力約0.45MPa，溫度30℃左右，氯氣純度99%，對應(yīng)的比熱容約為0.46kJ/（kg·℃），液化溫度約13.4℃。

Q11=0.46×15.75×1 000×（30-13.4）=12.03（萬kJ）

（2）氯氣液化潛熱

對照上述條件，潛熱為260.40 kJ

Q12=15.75×1 000×260=409.50（萬kJ）

（3）液氯過冷所需冷量

此時(shí)液氯的比熱約為0.92 kJ/（kg·℃），液氯和冷凍水溫差按照4℃考慮。

Q13=0.92×15.75×1 000×（13.4-10）=4.93（萬kJ）

所以Q1=Q11+Q12+Q13=426.45（萬kJ）

（4）液氯汽化顯熱

三氯化磷需要的氯氣送出壓力為0.12MPa左右，正常用量約6 t/h，對應(yīng)的氣化溫度為-15℃，液氯氣化潛熱為277 kJ/kg。

Q21=0.22×6×1 000×[10-（-15）]=3.3（萬kJ）

（5）液氯氣化潛熱

Q22=6×1 000×277=166.20（萬kJ）

（6）氣氯過熱所需熱量

氣化器運(yùn)行循環(huán)熱水溫度40℃左右，出口氯氣和熱水的溫差按照10℃考慮，對應(yīng)的氯氣比熱容約為0.46 kJ/（kg·℃）：

Q23=0.46×6×1 000×[30-（-15）]=12.42（萬kJ）

所以Q2=Q21+Q22+Q23=181.92（萬kJ）

（7）制冷所需電耗

根據(jù)原氯液化所需理論冷量426萬kJ，考慮冷損及氯處理等工序用冷負(fù)荷，溴化鋰制冷機(jī)組（制冷量627萬kJ，6℃上水）需2臺同時(shí)運(yùn)行，溴化鋰溶液泵2×（0.75+1.5）kW，冷凍水需2×55 kW+1×132 kW的循環(huán)泵運(yùn)行，循環(huán)水流量約1 000m3/h，對應(yīng)的循環(huán)水泵約為220 kW，2臺機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷按照80%考慮。

P=[2×（0.75+1.5）+2×55+1×132+220]×80%= 373.2（kW·h），折134.16（萬kJ）

所以總能耗為Q=Q1+Q2+P=742.53（萬kJ）

3 改造后工藝流程及能耗分析

3.1 工藝流程概況

來自液氯儲槽的液氯在壓差的作用下，通過調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入1#、2#液氯節(jié)能器、過熱器的管程與來自氯氣壓縮的氯氣逆向換熱，氣化后壓力約0.12MPa的氯氣進(jìn)入氯氣緩沖罐，送三氯化磷使用，氯氣、液氯進(jìn)入氣液分離器后，液氯進(jìn)液氯儲槽，未液化的氣氯進(jìn)液化器進(jìn)一步液化后進(jìn)液氯儲槽。原有的液氯熱水氣化裝置繼續(xù)使用，作為節(jié)能器的補(bǔ)充。正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，節(jié)能器負(fù)荷約4 t/h，熱水氣化器負(fù)荷約2 t/h。氯氣節(jié)能器工藝流程圖見圖3。

3.2 能耗分析

圖3 氯氣節(jié)能器工藝流程簡圖

在氯氣節(jié)能器投入運(yùn)行后，液氯和氣氯充分進(jìn)行熱交換，特別是液氯減壓所釋放出的冷量和相變潛熱得到了充分利用，熱水氣化器負(fù)荷減至2 t/h，有4 t/h左右的氯氣在節(jié)能器液化，減少了溴化鋰制冷機(jī)組的負(fù)荷，因此總能耗同比節(jié)約。

（1）氯氣液化所需冷量

因節(jié)能器投用，氯氣液化所需冷量降低，1臺溴化鋰機(jī)組能夠滿足生產(chǎn)要求，根據(jù)氯堿線用冷凍水流量需要，需1×55 kW+1×132 kW冷凍水泵運(yùn)行，機(jī)組循環(huán)水量減少500m3/h，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷按照80%考慮。

所以改造后總能耗為：Q=Q1+Q2+P=117.0（萬kJ）

3.3 運(yùn)行后存在的問題

節(jié)能裝置投運(yùn)后，運(yùn)行比較穩(wěn)定，也起到了很好的節(jié)能效果，但是也發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）2#節(jié)能器底部封頭結(jié)霜

在節(jié)能器逐步提升產(chǎn)量，超過4 t/h后發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象，這說明2#節(jié)能器底部氯氣過冷或者存有液氯，進(jìn)行排污操作時(shí)確認(rèn)積存液氯。試車時(shí)恰逢冬天，環(huán)境溫度較低，因?yàn)闆]有足夠的熱量，一旦存有液氯，就很難氣化。這樣就存在三氯化氮積聚，并有達(dá)到濃度后爆炸的隱患。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)上采取了增加排污頻次，并在2#節(jié)能器底部封頭用蒸汽伴熱管加熱等措施，暫時(shí)緩解了這一問題。

出現(xiàn)此問題的根本原因是2#節(jié)能器傳熱推動力不足，液氯在1#節(jié)能器經(jīng)過減壓后，釋放出大量的冷量，并能在列管成膜，得到殼程熱量氣化并釋放潛熱，使殼程氯氣降溫并有部分液化，因此熱交換在1#節(jié)能器循環(huán)高效進(jìn)行，少量未氣化的液氯進(jìn)入2#節(jié)能器后不能有效成膜，無論是殼程氯氣還是管程液氯都很難有相變產(chǎn)生，因此液氯在底部封頭積聚。

（2）進(jìn)節(jié)能器液氯量受限

由于上述問題的存在，進(jìn)入節(jié)能器的液氯量受到限制，不能超過4 t/h，1#節(jié)能器的換熱面積得不到充分利用，仍有2 t/h的液氯需要用熱水氣化，也無法使殼程氯氣進(jìn)一步降溫液化。

4 節(jié)能裝置的優(yōu)化及能耗分析

4.1 節(jié)能裝置的優(yōu)化

為了徹底解決節(jié)能裝置存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場情況討論，決定對原節(jié)能氣化裝置和熱水氣化裝置進(jìn)行整合，取消2#節(jié)能器，所有的液氯進(jìn)入1#節(jié)能器，使液氯和氯氣充分進(jìn)行熱交換，將少量沒有氣化的液氯利用位差進(jìn)入熱水氣化裝置全部氣化，2套氣化裝置的氯氣并入總管供三氯化磷使用。優(yōu)化后工藝流程見圖4。

該流程的優(yōu)點(diǎn)：（1）氣化系統(tǒng)不存在三氯化氮積聚問題，消除三氯化氮爆炸風(fēng)險(xiǎn)；（2）所有三氯化磷用的液氯可全部進(jìn)入1#節(jié)能器，換熱面積得到充分利用，減少液化用冷量；（3）所有液氯通過壓力調(diào)節(jié)閥控制，供氯壓力穩(wěn)定。

4.2 能耗分析

（1）氯氣液化所需冷量。

（2）液氯氣化所需熱量。因1#節(jié)能器設(shè)計(jì)的換熱面積足以保證6 t/h的液氯氣化量，因此正常運(yùn)行時(shí)，熱水氣化站僅起到把關(guān)作用，把極少量液氯氣化并過熱，所需熱量基本可以忽略不計(jì)。這一點(diǎn)從實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況已經(jīng)得到驗(yàn)證。

（3）制冷所需電耗。因節(jié)能器效果得到充分利用，氯氣液化所需冷量進(jìn)一步降低，減少1臺液化器，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷按照60%考慮：

所以優(yōu)化后總能耗為Q=Q1+Q2+P=362.85（萬kJ）

5 節(jié)能效果分析及探討

5.1 3種工藝能耗及技術(shù)指標(biāo)對比

根據(jù)上述流程對比及能耗分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行情況，整理數(shù)據(jù)見表1。

圖4 節(jié)能裝置優(yōu)化后工藝流程簡圖

表1 工藝改造前后能耗對比

5.2 安全可靠性分析

在原有液氯熱交換器模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)施節(jié)能裝置改造，實(shí)現(xiàn)干式氣化，并通過改造消除三氯化氮積聚問題，減少液化器運(yùn)行臺數(shù)，提高了裝置本質(zhì)安全度。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）從表1能耗對比可以看出，采用氯氣節(jié)能裝置，能耗是原工藝路線的64%，經(jīng)優(yōu)化后，能耗進(jìn)一步降低，僅為原工藝的48%。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，裝置優(yōu)化后同比節(jié)約情況如下。

（1）溴化鋰機(jī)組蒸汽節(jié)約：（2.5-1.1）×8 000 h× 100.0=1 120 000（元/a）；

（2）減少冷凍水泵運(yùn)行臺數(shù)節(jié)約：（242-187）× 8 000 h×0.5=220 000（元/a）；

（3）熱水氣化裝置節(jié)約蒸汽：（1.1-0.0）×8 000× 100.0=880 000（元/a）；

（4）減少循環(huán)水泵運(yùn)行臺數(shù)節(jié)約：（4-3）×220× 8 000 h×0.5=880 000（元/a）；

（5）合計(jì)節(jié)約310萬元/a。

6 結(jié)論

在實(shí)行節(jié)能汽化裝置技術(shù)改造后，氯氣生產(chǎn)成本得到明顯降低，解決了三氯化氮積聚問題，經(jīng)濟(jì)效益和安全效益明顯提高，并且隨著下游產(chǎn)品三氯化磷用氯量的增加，節(jié)能氣化裝置將發(fā)揮更大的作用。

[1]氯堿生產(chǎn)技術(shù)（上冊）[M]，化工部化工司，1985：360-361.

[2]王世榮等，淺談氯氣液化系統(tǒng)技改運(yùn)行情況[J]，中國氯堿，1999（1）：27-28.

[3]王武等，高純氯氣生產(chǎn)過程中能量的循環(huán)利用[J]，中國氯堿，2009（8）：29-30.

[4]氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊[M]，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，1989：337-343.

Optim ization ofgasification of chlorinegas

WANG Li,WU Jian-yang
(Nantong Jiangshan Agrochemical&ChemicalsCo.,Ltd.,Nantong,226006.China)

The energy-saving device of chlorine gasification and its optimization program was introduced, and the energy savingefficiency beforeand afteroptimizationwasanalyzed.

chlorine gas;liquid chlorine;energy-saving;gasification

book=24,ebook=245

TQ083+.4

B

1009－1785(2010)11－0024-04

2010-04-14