全自控副產(chǎn)中壓蒸汽HCl合成爐工業(yè)化的應用

王文生，王振華，鄔永勝

（內(nèi)蒙古晨宏力化工集團有限責任公司，內(nèi)蒙古阿拉善盟750336）

全自控副產(chǎn)中壓蒸汽HCl合成爐工業(yè)化的應用

王文生，王振華，鄔永勝

（內(nèi)蒙古晨宏力化工集團有限責任公司，內(nèi)蒙古阿拉善盟750336）

介紹了全自控副產(chǎn)中壓蒸汽HCl合成爐的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)點，以及對全自控系統(tǒng)進行了表述，并對該合成爐裝置在氯堿企業(yè)中推廣產(chǎn)生的經(jīng)濟效益進行了評價。

氯化氫合成爐；中壓蒸汽

1 氯化氫合成爐副產(chǎn)蒸汽原理與特點

1.1 氯化氫合成系統(tǒng)副產(chǎn)中低壓蒸汽基本原理

氯氣與氫氣反應生成氯化氫時伴隨釋放出大量反應熱：

1/2H2+1/2Cl2=HCl+22.063 kca1／mol，即每合成1 kg氣態(tài)氯化氫放出605.11 kcal熱量。氯氣與氫氣在合成爐內(nèi)以燃燒形式反應生成氯化氫，火焰中心區(qū)溫度達到2 500℃以上，生成的氯化氫氣體溫度在2 000℃以上，這些熱量完全可以用來副產(chǎn)蒸汽。

1.2 國內(nèi)氯化氫合成爐副產(chǎn)蒸汽現(xiàn)狀及特點

對于氯化氫合成中的熱能利用，國內(nèi)主要有2種方法。一種是使用鋼制水夾套氯化氫合成爐副產(chǎn)熱水。這種鋼合成爐在爐頂部和底部容易受腐蝕，使用壽命短，副產(chǎn)的熱水應用范圍有限，目前已經(jīng)基本被淘汰；另一種是使用石墨制的氯化氫合成爐副產(chǎn)熱水或0.20～0.30 MPa壓力的蒸汽。另外國內(nèi)部分廠家通過改進石墨材質(zhì)，提供其承壓能力，將副產(chǎn)的蒸汽壓力提高到約0.5 MPa。

由于石墨是非金屬脆性材料，受強度和使用溫度的限制，在副產(chǎn)蒸汽時石墨爐筒作為產(chǎn)汽的受壓部件，安全上存在一定隱患，而且熱能的利用率只能達到30%～40%。采用該方法副產(chǎn)的熱水或低壓蒸汽應用范圍同樣有限。通過改進石墨材質(zhì)，也只能在一定程度上提高產(chǎn)出蒸汽壓力，其提高程度有限，而且大幅提高了制造成本。另外，由于石墨材料的原因，為防止石墨爐筒受熱升溫過快導致爆裂，合成爐點火開車后，要小負荷運行約2小時后才能提升負荷，給生產(chǎn)負荷的調(diào)整帶來了不便。

1.3 新型副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐的特點

新設(shè)計制造的氯化氫合成爐在熱能利用中克服以上2種方法的缺點，采用三段式結(jié)構(gòu)：在合成爐的中間高溫區(qū)段，使用鋼制水冷壁爐筒；在合成段頂部和底部鋼材容易受腐蝕的區(qū)段，采用石墨材料制作。這種方法既克服了石墨爐筒強度低和使用溫度受限制的缺點，又克服了合成段的頂部和底部容易腐蝕的缺點。由于產(chǎn)汽承壓段采用鋼制水冷壁爐筒，從而使氯化氫合成的熱能利用率提高到70%，其承壓能力也大大提高，目前，產(chǎn)出蒸汽壓力最高達到1.4 MPa，從而使副產(chǎn)蒸汽壓力可在0.2～1.4 MPa間任意調(diào)節(jié)，可并入中、低壓蒸汽管網(wǎng)使用，使熱能得到充分利用。

2 合成爐及附屬設(shè)備結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要設(shè)備包括副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐、汽包、預熱器。

（1）副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐。蒸汽合成爐自下而上分3個部分：下部為石墨制合成燃燒段，由石英燈頭與水夾套組成，石英燈頭安裝在石墨爐底座上，鋼制外殼與底座相連的石墨爐筒間通冷卻水，氫氣和氯氣從底部進入并燃燒；中部為鋼制水冷壁蒸汽發(fā)生段，爐筒內(nèi)中空，爐筒外側(cè)采用管排式換熱器，管內(nèi)副產(chǎn)蒸汽，汽包通過管道與蒸汽發(fā)生段相連組成蒸汽發(fā)生系統(tǒng)；上部為石墨制冷卻段，冷卻水從底部進入，從頂部流出，合成氣體通過具有中間流道的塊孔式石墨換熱塊。

（2）汽包。汽包為蒸汽發(fā)生分離裝置。由鋼制爐筒過來的過熱水在汽包內(nèi)閃蒸出蒸汽輸出。汽包上設(shè)置有水位檢測控制儀表，運行時通過自動補加軟水保證汽包內(nèi)維持一定液位。

（3）預熱器。預熱器是一臺列管式換熱器，設(shè)置在汽包回水管與爐筒進水管之間，開車時采用預熱系統(tǒng)內(nèi)軟水，停車期間用來保持鋼制爐筒溫度維持在110℃以上，防止產(chǎn)生冷凝酸腐蝕。

3 副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐系統(tǒng)工藝流程

副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐系統(tǒng)從物料上分為3部分流程，即氯化氫合成及冷卻流程、副產(chǎn)蒸汽流程和循環(huán)冷卻水流程。

（1）氯化氫合成及冷卻流程。原料氯氣、氫氣從爐底進入，在石英制的燃燒器內(nèi)混合反應燃燒，反應后的高溫氯化氫氣體向上經(jīng)過蒸汽發(fā)生段和氯化氫冷卻段至45℃以下后輸出。

（2）副產(chǎn)蒸汽流程。軟水經(jīng)過高壓水泵加壓進入汽包，通過管道（汽包與蒸汽發(fā)生段有一定的液位差）進入預熱器，再通過下部環(huán)形集水箱進入水冷壁爐筒鋼管內(nèi)，吸收氯化氫氣體的反應熱后上升，通過上部環(huán)形集水箱匯集進入汽包，部分水汽化成蒸汽產(chǎn)出，部分水與補充軟水一道循環(huán)回流。

（3）循環(huán)水流程。循環(huán)水進入下部燃燒段的夾套內(nèi)（用于冷卻石墨內(nèi)筒，防止其過熱），再通過連接工藝管進入上部的氯化氫冷卻段內(nèi)（用于冷卻氯化氫氣體），經(jīng)出口輸出。

4 自動控制系統(tǒng)

自動化控制方面，針對該合成爐的結(jié)構(gòu)特點，配備了可靠的遠程自動點火、過程自動控制及安全的連鎖保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了從點火開車、過程控制到停車的全過程的DCS操作，提高了裝置的自動化控制水平及本質(zhì)安全?？刂葡到y(tǒng)由以下5部分組成。

4.1 自動點火系統(tǒng)

自動點火系統(tǒng)自動點火系統(tǒng)包括點火程控柜、高壓發(fā)生裝置、點火槍燃燒器、燃氣控制裝置、助燃氣控制裝置及其他監(jiān)測裝置，并配合系統(tǒng)安全連鎖裝置。在工藝允許點火條件滿足的前提下啟動點火程序，裝置自動進行以下操作：首先是進行系統(tǒng)置換，然后通過點火專用的氫氣、壓縮空氣點燃小火，最后引燃石墨爐主燈頭。此后操作人員可以根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要逐步提升負荷，既安全又便捷。

4.2 自動聯(lián)鎖保護系統(tǒng)

該裝置設(shè)有氫氣壓力低、氯氣壓力低、冷卻水流量低、汽包壓力、汽包液位、氫氣流量與氯氣流量比值、火焰在線監(jiān)測、防爆膜在線監(jiān)測及VCM合成系統(tǒng)緊急停車等9個聯(lián)鎖保護，當任何一個聯(lián)鎖條件滿足時，系統(tǒng)立即自動執(zhí)行停車保護程序，并進行自動充氮保護，同時還設(shè)置了DCS及現(xiàn)場緊急停車按扭，以備特殊情況下使用，確保裝置的安全。另外，企業(yè)還可根據(jù)自己的需求，安裝在線游離氯檢測儀，用于檢測氯化氫氣體中游離氯含量是否過高來進行相應的調(diào)整和聯(lián)鎖。

4.3 氫氣、氯氣自動配比控制

根據(jù)生產(chǎn)控制中HCl的純度分析來設(shè)定氫氣、氯氣適合的比值，該系統(tǒng)可以通過精確的氫氣、氯氣流量測量與調(diào)節(jié)實現(xiàn)氫氣與氯氣的自動配比控制?？梢愿鶕?jù)生產(chǎn)氯化氫的純度分析來設(shè)定氯氣、氫氣的比值。生產(chǎn)中氫氣、氯氣的純度發(fā)生較大的變動時，則要及時分析氯化氫純度來修正氫氣與氯氣的比值實現(xiàn)兩者的自動控制。若有條件也可通過對出口氯化氫中游離氯的檢測來控制調(diào)節(jié)氫氣與氯氣的比值。

4.4 汽包部分的自動控制

蒸汽分離的控制包括汽包液位的自動控制和蒸汽壓力自動控制。即通過調(diào)節(jié)進軟水調(diào)節(jié)閥的開度來控制汽包液位，對出口蒸汽閥的調(diào)節(jié)來控制產(chǎn)出蒸汽的壓力。另外，為保護合成爐產(chǎn)蒸汽設(shè)備的安全，做了汽包液位低的聯(lián)鎖保護以及對蒸汽壓力高后的排放泄壓。

5 副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐優(yōu)點

5.1 蒸汽壓力高，產(chǎn)汽量大

由于副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐的產(chǎn)汽承壓段采用直徑為?57×4鋼管做水冷壁爐筒，其承壓能力也大大提高，同時，產(chǎn)汽承壓段的長度可達9 m，使熱能得到充分利用，從而使氯化氫合成的熱能利用率提高到70%，每生產(chǎn)1 t氯化氫可產(chǎn)0.8 MPa蒸汽0.60～0.70 t。而石墨爐存在著產(chǎn)汽壓力和產(chǎn)汽量的矛盾，即要想產(chǎn)汽壓力高，則爐筒壁厚增加，產(chǎn)汽量大大減少。石墨合成爐蒸汽壓力為0.2 MPa時，產(chǎn)蒸汽量為0.20～0.25 t。以產(chǎn)150 t/d氯化氫合成爐為例計算，低壓蒸汽爐產(chǎn)蒸汽量為30t/a（壓力為0.2MPa）。而中壓蒸汽合成爐產(chǎn)蒸汽量為90t/d（壓力為0.8 MPa計），若以0.2 MPa的壓力下的熱焓做一換算，則中壓蒸汽的產(chǎn)量97 t。則產(chǎn)汽量是低壓蒸汽石墨爐的3.2倍。蒸汽單價以100.00元/t計，年開車330天，年創(chuàng)效益約303萬元。而低壓蒸汽石墨爐年創(chuàng)效益為99萬元，則產(chǎn)生的經(jīng)濟效益相差近二百多萬元。

5.2 設(shè)備維修量小，維修周期長

由于HCl氣體從石墨冷卻段底部的中心喇叭口狀的石墨匯集腔內(nèi)進入石墨換熱塊內(nèi)腔，被石墨壁冷卻后從頂部向四周分散進入石墨換熱塊的換熱孔，與循環(huán)冷卻水熱交換冷卻后從底部石墨匯集腔內(nèi)匯集后從側(cè)面出口進入HCl管道送出。石墨冷卻段的設(shè)計結(jié)構(gòu)巧妙，通過采用中心腔的結(jié)構(gòu)，避免了高溫HCl氣體直接沖擊石墨換熱塊。這也是避免HCl冷卻段最下端石墨塊因長時間直接接觸高溫氣體而裂縫滲漏，帶來維修量的增加。

同時由于蒸汽發(fā)生段獲取的熱量多，氯化氫氣體到達蒸汽發(fā)生段頂部的溫度也相對降低，冷卻段的熱量相對減少，避免冷卻段下部石墨的換熱塊局部過熱而爆裂導致停產(chǎn)。這樣蒸汽發(fā)生段和冷卻段都能保持長時間穩(wěn)定的運行，企業(yè)可以按正常的檢修計劃作業(yè)，避免了非正常的停車檢修，節(jié)省了大量的檢修費用和非正常停車所造成的損失。

5.3 完善的自動化控制

在合成爐裝置控制系統(tǒng)采用自動點火裝置、自動聯(lián)鎖保護系統(tǒng)、氫氣、氯氣自動配比控制和汽包部分的自動控制，從而最大限度地保證氯化氫產(chǎn)品的質(zhì)量，使生產(chǎn)裝置安全運行?；究梢宰龅綗o人值守，大大減輕工人的勞動強度；避免了操作人員因誤操作對氯化氫合成造成的危害；通過儀表及調(diào)節(jié)閥的精準計量及控制，能確保氫氣與氯氣的配比。克服了以往通過人工控制氯氫流量，觀察火焰顏色可能造成的控制和觀察失誤，提高了整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性。本系統(tǒng)中所使用的儀表、控制閥門及DCS控制系統(tǒng)，都要具有高測量精度、高靈敏度和高可靠性能。

6 經(jīng)濟效益評價

（1）熱能利用率高。每合成1t氯化氫氣體可副產(chǎn)低壓或中壓蒸汽0．60～0．70 t；以日產(chǎn)150 t氯化氫為例，氯化氫合成系統(tǒng)裝置滿負荷生產(chǎn)時日產(chǎn)蒸汽約91 t，蒸汽單價以100.00元/t計，年開車330天，年創(chuàng)效益303萬元。

（2）由于氯化氫合成放熱大部分用來發(fā)生蒸汽，與常規(guī)爐型相比，循環(huán)冷卻水用量大幅減少。以150 t/d氯化氫合成爐來計算，每小時產(chǎn)出的熱量為3.78×106（kcal），這部分熱量70%左右以副產(chǎn)蒸汽的形式帶走，若以循環(huán)冷卻水的方式移熱，則需消耗428 t/h的冷卻水量（循環(huán)冷卻水溫升按6℃計），按一般循環(huán)水裝置配置需約75 kW動力電，電價按0.5元/kW·h計，每年可節(jié)約動力電費用約三十萬元。

（3）氯化氫合成系統(tǒng)副產(chǎn)的中、低壓蒸汽可直接并入中、低壓蒸汽管網(wǎng)，而副產(chǎn)0.20~0.30 MPa蒸汽的合成爐，需要建立單獨的蒸汽用戶網(wǎng)。該方案可以節(jié)省建立單獨蒸汽管網(wǎng)的投資。

（4）本統(tǒng)爐筒列管與汽包之間的軟水流動采用的是熱水自循環(huán)方式，不需要消耗動力。單套合成爐正常運行時僅需一臺7.5 kW軟水補充泵的動力消耗，與軟水強制循環(huán)的爐型單套需要15 kW的熱水循環(huán)泵相比，每年節(jié)約的動力電費用約4萬元。目前國內(nèi)大多數(shù)副產(chǎn)0.20～0.30MPa，均采用強制循環(huán)爐型。

以日產(chǎn)150 t氯化氫為例采用副產(chǎn)中壓蒸汽合成爐與普通爐相比每年可創(chuàng)造效益約327萬元。新建項目還可以節(jié)省循環(huán)水的投資。

7 結(jié)語

副產(chǎn)中壓蒸汽合成爐不僅解決了水夾套合成爐循環(huán)水負荷量大的問題，也克服了副產(chǎn)低壓蒸汽爐產(chǎn)汽壓力低、熱能利用率低的問題，節(jié)能效果明顯，設(shè)備運行穩(wěn)定，檢修周期長，企業(yè)經(jīng)濟效益顯著，符合國家發(fā)展產(chǎn)業(yè)政策。在能源日趨緊張的形勢下，推廣使用中壓蒸汽合成爐對于節(jié)能減排、提高企業(yè)競爭力和建設(shè)友好型社會具有十分重要的現(xiàn)實意義，值得在氯堿PVC行業(yè)大力推廣。

Full automatic control，deputy during pressure steam HCL synthesis furnace industrial application

WANG Wen-sheng，WANG Zhen-hua，WU Yong-sheng
（Inner Mongolia morning hongli chemical group Co.,Ltd.,alashan 750336，China）

Introduced the whole vice during steam pressure control principle，structure，advantages of HCl synthesis furnace and full automatic control system for the statement.Of the synthetic furnace equipment in chlor-alkali enterprises were also to promote the economic benefit is evaluated.

HCl synthesis furnace；medium pressure steam

TQ124.4+2

B

1009－1785(2017)06-0007-03

2016-04-26