氯化氫和鹽酸生產(chǎn)的合成爐應(yīng)用介紹

聶日叢

（重慶三陽化工有限公司，重慶 萬州 404001）

用于氯化氫生產(chǎn)的合成爐的類型多種多樣；隨著氯化氫合成生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)以及生產(chǎn)用水、電、蒸汽成本的不斷上漲，綜合利用副產(chǎn)的熱能成為現(xiàn)實問題。

1 氯化氫產(chǎn)用的合成爐情況介紹

早期的氯化氫合成爐由碳鋼制成。1942年，美國人首次采用了石墨合成爐，從此，石墨材質(zhì)的合成爐成了制造氯化氫和鹽酸的主要設(shè)備。合成爐有多種分類法，按材質(zhì)可分為碳鋼制成的合成爐和石墨制成的合成爐；按散熱方式可分為空氣散熱合成爐和水冷式散熱合成爐；按點火方法可分為手動點火合成爐和自動控制點火合成爐，還可分成上點火和下點火爐；按用途分為氯化氫氣體合成爐和鹽酸合成爐；按功能、組合方式又可分為石墨制二合一爐、石墨制三合一爐、石墨制四合一爐、余熱回收型合成爐等。

1.1 合成爐的特點

1.1.1 碳鋼制合成爐

碳鋼制合成爐分為夾套爐、翅片爐和光面爐，該種爐投資省、爐體占地面積大，可使用2～6年。碳鋼制成的夾套合成爐工藝成熟，合成的氯化氫氣體出爐后在石墨冷卻器用循環(huán)水冷卻，石墨冷卻器的冷卻熱水靠位差進(jìn)入鋼制合成爐上部的夾套，可產(chǎn)生80～100℃熱水，可綜合利用熱能；翅片爐和光面爐是利用周圍空氣風(fēng)冷，產(chǎn)生的熱輻射使環(huán)境和操作條件變壞。

1.1.2 二合一石墨合成爐

二合一石墨合成爐將氯化氫合成、冷卻2個工序合并到1臺設(shè)備上完成，合成與冷卻同步為一體。按冷卻的方式分為浸沒式（也叫水套式）和噴淋式2種。浸沒式爐的石墨爐體浸在水中冷卻，噴淋式爐的石墨爐體靠設(shè)在爐體頂部的冷卻水分布器來形成水膜冷卻。

節(jié)能型二合一石墨合成爐 （也稱組合式石墨熱水爐）是二合一石墨合成爐產(chǎn)品的改進(jìn)型，可在夾套內(nèi)產(chǎn)生壓力熱水，副產(chǎn)的熱水供綜合利用熱能。

1.1.3 三合一石墨鹽酸合成爐

將鹽酸生產(chǎn)中的合成、冷卻、吸收3個工序合并到1臺設(shè)備上完成，該爐由合成段、吸收段、氣液分離段組成，1臺設(shè)備代替合成爐、冷卻器、膜式吸收塔，生產(chǎn)效率高、操作簡單。根據(jù)點火位置可分為上點火三合一石墨鹽酸合成爐 （也稱A型三合一爐）、下點火式三合一石墨鹽酸合成爐（也稱B型三合一爐）。

1.1.4 四合一石墨鹽酸合成爐

將鹽酸生產(chǎn)中的合成、吸收與冷卻及尾氣處理4個工序合并到1臺設(shè)備上完成，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品酸純度高、易于控制，具有較高的合成、吸收、冷卻綜合容積效率和較高的吸收強(qiáng)度，大大簡化了生產(chǎn)流程。四合一石墨鹽酸合成爐的點火位置一般是下點火式[1]。

1.1.5 余熱回收合成爐

氯氣與氫氣在合成爐內(nèi)以燃燒形式反應(yīng)生成氯化氫，火焰中心區(qū)溫度達(dá)2 500℃以上，生成的氯化氫氣體溫度在2 000℃以上，每合成1 kg氣態(tài)氯化氫會放出2 523.3 kJ熱量，這些熱量完全可以利用。

一般來說，凡是采用水冷方式的爐子都可以實現(xiàn)余熱回收。余熱回收型合成爐可分為副產(chǎn)熱水合成爐和副產(chǎn)蒸汽合成爐2種。該裝置包括爐的合成燃燒段、氯化氫冷卻段，冷卻段與相應(yīng)組件形成余熱回收系統(tǒng)。

（1）副產(chǎn)熱水合成爐。通過改造鋼制夾套鹽酸合成爐、石墨制二合一爐等，利用反應(yīng)熱制取熱水，送至溴化鋰制冷機(jī)組作為制冷機(jī)的熱源，制取10℃冷凍水；也可直接利用熱水供采暖、預(yù)熱物料。上海某氯堿化工廠即利用高溫?zé)崴鰟恿Γ圃靿嚎s氣體。

（2）全自控副產(chǎn)蒸汽合成爐。利用氯化氫合成時放出的高溫?zé)崮埽碑a(chǎn)壓力為0.3～1.6 MPa的蒸汽。副產(chǎn)蒸汽石墨合成爐可分成2種。一種是采用全石墨、改性樹脂加工成的石墨合成爐，可副產(chǎn)壓力為0.3～0.8 MPa的蒸汽；另一種是采用半石墨、半鋼制成的合成爐，副產(chǎn)蒸汽壓力為0.8～1.6 MPa。目前，國內(nèi)石墨設(shè)備廠家已實現(xiàn)了全自控副產(chǎn)0.3～1.6 MPa蒸汽二合一氯化氫石墨爐、三合一石墨爐、四合一石墨爐供貨。

副產(chǎn)蒸汽全石墨合成爐。該類型合成爐采用提高石墨材料強(qiáng)度的手段，結(jié)合石墨材料的耐腐蝕性及導(dǎo)熱性的優(yōu)點，保證了全石墨制副產(chǎn)蒸汽合成爐能在苛刻運(yùn)行條件下長期穩(wěn)定的運(yùn)行，使用壽命長，檢修方便簡捷，但副產(chǎn)蒸汽的壓力達(dá)不到1.6 MPa，對操作的自動化程度要求較高。

副產(chǎn)蒸汽半石墨（鋼制）合成爐。副產(chǎn)蒸汽合成爐段采用鋼制爐壁，包括合成爐合成燃燒段、合成燃燒段上方設(shè)置的鋼制水冷壁蒸汽發(fā)生段、水冷壁蒸汽發(fā)生段上方設(shè)置氯化氫冷卻段，水冷壁蒸汽發(fā)生段與汽包組成蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生的蒸汽壓力達(dá)到0.8～1.6 MPa。由于爐壁為鋼制，易腐蝕，對操作的自動化程度要求高、檢修較困難。

2 全自控副產(chǎn)蒸汽合成爐實例

某公司1.5萬t/a三氯氫硅工程，在氯化氫合成工序采用了08-50-30型二合一爐。該工程設(shè)計、安裝2臺氯化氫合成爐，1開1備，投入運(yùn)行后，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。主要設(shè)備包括副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐、蒸汽汽包、軟水預(yù)熱器和排污罐。在現(xiàn)場應(yīng)用了PLC安全控制系統(tǒng)并可連接DCS，實現(xiàn)安全信號連鎖，24 h在線監(jiān)測；PLC安全控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動點火程序、安全控制，點火失敗連鎖自動停車；運(yùn)行過程中DCS自動控制生產(chǎn)，火焰熄滅連鎖停車，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)裝置相比，該裝置操作安全可靠。

2.1 副產(chǎn)蒸汽08－50－30型合成爐的特點

該型合成爐主體分為3段，即合成段、副產(chǎn)蒸汽段、冷卻段。副產(chǎn)蒸汽段在合成爐的中間高溫區(qū)段，使用鋼制水冷壁爐筒，由鰭片鋼管焊接圍成，筒體上下端設(shè)有水集箱，通過管道與氣泡相連，組成熱水自循環(huán)系統(tǒng)；易受腐蝕的區(qū)段即合成段、冷卻段分別在合成爐的底部、頂部，采用石墨材料制作。

產(chǎn)汽承壓段采用鋼制水冷壁爐筒，使合成的熱能利用率提高到70%，副產(chǎn)蒸汽壓力可在0.8～1.4 MPa間任意調(diào)節(jié)，可并入中壓蒸汽管網(wǎng)，使熱能得到充分利用。但因副產(chǎn)蒸汽合成爐材料結(jié)構(gòu)多樣性，開車前需用外來蒸汽通過預(yù)熱器實現(xiàn)預(yù)熱，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)開車前要提前進(jìn)行煮爐，預(yù)熱時間長。

2.2 工藝流程簡介

該型合成爐的工藝流程，主要是蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、氯化氫合成系統(tǒng)、后序系統(tǒng)的配套。實現(xiàn)了從點火開車、過程控制、停車過程的DCS操作，大大提高了裝置的自動化控制水平及本質(zhì)安全。工藝流程示意圖見圖1。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)：自外管網(wǎng)來的軟水進(jìn)入軟水貯槽，經(jīng)泵加壓至1.2 MPa以上，送至蒸汽發(fā)生汽包，汽包中的軟水經(jīng)下降管進(jìn)入預(yù)熱器，再進(jìn)入合成爐蒸汽發(fā)生段的下部與氯化氫氣體進(jìn)行熱交換，富含熱值的水經(jīng)筒體上端管道回到汽包，在汽包內(nèi)產(chǎn)生壓力為0.8 MPa以上的蒸汽，蒸汽進(jìn)入緩沖罐后與蒸汽管網(wǎng)并網(wǎng)。

氯化氫合成系統(tǒng)：來自外界經(jīng)過調(diào)壓、除水的氯氣與氫氣分別經(jīng)過氯氣緩沖罐，氫氣緩沖罐、氫氣阻火器，由自控調(diào)節(jié)閥、程控切斷閥控制進(jìn)入合成爐底部的燃燒器。在合成爐合成段上，裝有自動點火器、火焰檢測器、火焰攝像儀。自動點火器分別與點火氫氣支管線、點火空氣管線相連。系統(tǒng)實現(xiàn)自動點火成功后，由爐前氯氣、氫氣自控調(diào)節(jié)閥自動配比控制流量后，進(jìn)入合成爐燃燒器的中心分配器和套管內(nèi)，在燃燒燈頭處混合后發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成氯化氫氣體，依次通過合成爐中部的副產(chǎn)蒸汽段、頂部的冷卻段后，通過自控調(diào)節(jié)閥控制壓力進(jìn)入一級降膜吸收器、二級降膜吸收器、尾氣吸收塔，廢氣通過水噴射泵抽出放空。三氯氫硅合成準(zhǔn)備好后，氯化氫切換到干燥系統(tǒng)，停制酸系統(tǒng)。

2.3 副產(chǎn)蒸汽08－50－30型合成爐的自控系統(tǒng)

該型合成爐的自控制系統(tǒng)分為蒸汽發(fā)生自控系統(tǒng)，自動點火控制系統(tǒng)，氯氣、氫氣自動配比調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、制酸控制系統(tǒng)、自動連鎖保護(hù)系統(tǒng)。各控制系統(tǒng)相對獨立，通過連鎖保護(hù)系統(tǒng)制約連成一體。

2.3.1 蒸汽發(fā)生部分的自控系統(tǒng)

蒸汽部分的控制包括汽包液位的自動控制、蒸汽壓力自動控制、汽包液位低和蒸汽壓力高的連鎖保護(hù)。主要是控制汽包的液位，通過汽包液位調(diào)節(jié)閥的開度控制軟水進(jìn)入量，液位穩(wěn)定后，汽包液位調(diào)節(jié)閥可投入自動。當(dāng)汽包水位高達(dá)60%時，DCS顯示并報警，此時，應(yīng)打開汽包排污水閥，將汽包污水排入排污罐，手動控制穩(wěn)定液位后再投入自動。通過對汽包出口蒸汽閥的調(diào)節(jié)來控制產(chǎn)出蒸汽的壓力。

2.3.2 自動點火控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、現(xiàn)場控制柜的操作顯示、火焰檢測和受控對象組成。點火程控柜裝有PLC可編程序控制器，由電腦置入程序到PLC，點火是由PLC程序控制器執(zhí)行，PLC邏輯控制部分是點火系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制整個點火過程的啟、停，能在全氮氣環(huán)境下點火，并配合系統(tǒng)安全連鎖裝置。關(guān)鍵技術(shù)點是合成爐的自控閥門、點火控制模塊、火焰檢測器、點火裝置等，在異常狀況下的自動保護(hù)程序也很關(guān)鍵。自動點火系統(tǒng)只在點火時運(yùn)行，不參與正常生產(chǎn)的過程控制，但火焰檢測器檢測到火焰熄滅信號，連鎖控制進(jìn)入停車狀態(tài)，按照程序停車。

自動點火裝置包括點火管線上的程控閥、氫氣和壓縮空氣導(dǎo)入管、高壓點火器、點火燃燒器、點火程控柜、火焰檢測裝置等。火焰檢測裝置包括火焰檢測器、攝像儀，其主要功能是，全自動點火程序啟、停，點火過程監(jiān)測，點火成功、失敗顯示，故障報警等。氫氣和氯氣的工藝管道上裝有快開閥、自動切斷閥、自控調(diào)節(jié)閥、手動閥。

DCS操作人員根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的工藝要求，確認(rèn)達(dá)到點火條件，即氯氣和氫氣的水分、純度、壓力等指標(biāo)合格；軟水液位、壓力正常；汽包液位、壓力正常；合成爐的冷卻循環(huán)水壓力、流量正常；合成爐、制酸系統(tǒng)置換取樣合格，制酸系統(tǒng)能正常運(yùn)行等，DCS操作人員按下點火確認(rèn)，現(xiàn)場控制箱上“允許點火”指示燈點亮。現(xiàn)場人員觀察到該信號后，對現(xiàn)場再一次確認(rèn)具備條件時，與DCS操作人員聯(lián)系后，按下控制箱上的 “現(xiàn)場啟動”按扭，PLC接收到點火信號，合成爐進(jìn)入自動點火程序。首先，打開限流的氮氣快開閥，用流量為400 m3/h的氮氣對爐內(nèi)吹掃4 min，若氮氣壓力波動，需手動調(diào)流量；高壓點火器輸出高壓電，使點火槍產(chǎn)生電弧，同時，打開限流的點火用的氫氣和壓縮空氣導(dǎo)入管上的程控快開閥，使帶壓氫氣、壓縮空氣按一定比例進(jìn)入點火槍混合，遇電弧被點燃，自點火槍燃燒管噴出火焰；打開工藝管線上限流的氫氣程控快開閥 （氫氣自控調(diào)節(jié)閥的旁路）及氫氣程控切斷閥，氫氣被引燃，同時，打開工藝管線上限流的氯氣程控快開閥 （氯氣自控調(diào)節(jié)閥的旁路）、氯氣程控切斷閥。當(dāng)氫氣和氯氣燃燒（反應(yīng)），火焰檢測器檢測到火焰后，現(xiàn)場控制箱上“爐運(yùn)行”指示燈點亮，關(guān)閉點火裝置的氫氣和壓縮空氣導(dǎo)入管上的程控快開閥，同時給DCS一個點火成功的信號。此時，DCS操作人員可通過手動分別打開工藝管道上氫氣和氯氣的自控調(diào)節(jié)閥，按流量體積比逐步加大產(chǎn)量，穩(wěn)定后投入自動，現(xiàn)場操作人員關(guān)閉點火裝置中的氫氣和壓縮空氣導(dǎo)入管上的程控快開閥的前后手動閥。

如火焰檢測器檢測不到火焰，則氫氣、氯氣、儀表氣程控快開閥全關(guān)閉，氫氣、氯氣的程控切斷閥關(guān)閉，氮氣快開閥打開對爐內(nèi)進(jìn)行置換。現(xiàn)場控制箱上“點火失敗”指示燈點亮，同時給DCS 1個點火失敗的信號。

2.3.3 氯氣、氫氣自動配比調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

氫氣、氯氣在各自的溫度、壓力、純度范圍下，通過精確的流量測量與調(diào)節(jié)實現(xiàn)氫氣與氯氣的自動配比控制，氫氣、氯氣適合的比值（1.05∶1.00～1.20∶1.00體積比）根據(jù)生產(chǎn)控制中HCI的純度來設(shè)定。及時分析氯化氫的純度很重要，若生產(chǎn)中氫氣、氯氣的純度發(fā)生較大的變動時，則可通過修正氫氣與氯氣的比值來保證自動控制的穩(wěn)定可靠。

2.3.4 氯化氫正壓輸送及制酸控制系統(tǒng)

氯化氫合成點火后，要實現(xiàn)鹽酸生產(chǎn)到氯化氫干燥氣體生產(chǎn)的平穩(wěn)過渡切換。氯化氫干燥、三氯氫硅合成生產(chǎn)不正常時，要切換到鹽酸吸收調(diào)節(jié)解決氯化氫氣體分配問題。

合成爐的氯化氫正壓輸送出口采用快開切斷閥切換，自控調(diào)節(jié)閥控制流量和壓力。為了節(jié)約投資，氯化氫去制酸系統(tǒng)采用手動切斷閥切換，自控調(diào)節(jié)閥控制流量進(jìn)入吸收系統(tǒng)，吸收水流量采用手動閥。

也有采用自動控制直觀地用稀酸溫度來控制吸收水流量，達(dá)到控制鹽酸濃度的目的，避免尾氣塔溫度過高，可方便地解決氯化氫氣體分配問題；或通過鹽酸濃度的在線檢測和進(jìn)吸收水流量的自動配比來控制鹽酸產(chǎn)品的濃度；也可以通過對鹽酸中游離氯的在線檢測，實現(xiàn)對制酸時氯氣、氫氣的配比情況的實時監(jiān)控。

2.3.5 自動連鎖保護(hù)系統(tǒng)

自動執(zhí)行停車保護(hù)程序，主要是關(guān)閉相關(guān)工藝閥門，并進(jìn)行自動充氮保護(hù)置換，置換有充氮流量顯示和報警。停車保護(hù)程序與開車的步驟相反，同時，DCS及現(xiàn)場緊還設(shè)置了急停車按扭，以備特殊情況下使用，確保裝置的安全。

（1）自動連鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置條件有氫氣壓力低限，氯氣壓力低限；進(jìn)汽包的軟水壓力低限，汽包液位低限，汽包壓力的高限；進(jìn)入合成爐合成段、冷卻段的冷卻水流量低限；火焰在線檢測無火焰；氯化氫輸送泵全停。當(dāng)上述任何一個條件滿足時，系統(tǒng)立即自動執(zhí)行停合成爐保護(hù)程序，連鎖關(guān)氯氣、氫氣的快速切斷閥、快開閥，開氮氣快開閥置換合成爐，氯化氫切換到吸收工序。

（2）當(dāng)合成爐點火失敗，立即執(zhí)行停車保護(hù)程序，連鎖保護(hù)關(guān)氯氣、氫氣的快速切斷閥、快開閥，開氮氣快開閥置換合成爐等。

（3）當(dāng)2臺合成爐火焰在線檢測無火焰時，連鎖停氯化氫輸送泵，關(guān)氯氣、氫氣的快速切斷閥、快開閥，開氮氣快開閥置換合成爐，氯化氫切換到吸收工序。

3 蒸汽型自控氯化氫合成爐使用中的問題

合成爐從在生產(chǎn)工藝上用循環(huán)冷卻水將熱量移走，使之轉(zhuǎn)化為蒸汽使氯堿化工企業(yè)實現(xiàn)了水資源的二次利用和副產(chǎn)熱能的綜合利用，可降低生產(chǎn)成本。但生產(chǎn)中要注意以下幾點。

（1）蒸汽型氯化氫合成爐進(jìn)爐的氫氣、氯氣管線上的爐閥組件要盡量靠近合成爐，控制在2 m以下，有利于管道置換。

（2）蒸汽型氯化氫合成爐產(chǎn)生的蒸汽要先進(jìn)入蒸汽緩沖罐，再與外蒸汽管網(wǎng)并網(wǎng)，有利于汽包壓力控制。外蒸汽管網(wǎng)的蒸汽壓力會影響氯化氫合成爐的產(chǎn)量，主要是合成爐產(chǎn)生的蒸汽如不能及時排走，合成爐的合成段、頂部的冷卻段溫度會超上限，故要控制合理的外蒸汽管網(wǎng)的蒸汽壓力。產(chǎn)蒸汽型合成爐副產(chǎn)蒸汽的壓力不同，可直接并入蒸汽管網(wǎng)，合成爐應(yīng)用要兼顧蒸汽管網(wǎng)的配套。

（3）蒸汽型自控氯化氫合成爐自動化水平高，其他工藝模塊的自動化控制硬件要配套，否則，不能達(dá)到現(xiàn)場無人值守，更無法體現(xiàn)裝置的自動化控制水平及裝置本質(zhì)安全要求。

（4）蒸汽型自控氯化氫合成爐自動化水平高、連鎖點多，全部儀表必須要質(zhì)量可靠、性能好、精度高。火焰檢測器是個關(guān)鍵點，信號正常或異常，自動啟動的程序不一樣。火焰檢測信號對程序控制的自動切換運(yùn)行步驟起著非常重要的作用，攝像頭只是將攝到的火焰圖像用于顯示終端供操作人員監(jiān)控，操作人員還要通過攝像儀觀查火焰燃燒狀態(tài)，及時做出正確判斷。

（5）使用鋼制水冷壁爐筒的蒸汽型氯化氫合成爐時，為了保護(hù)冷壁爐筒內(nèi)部，軟水的pH值要控制為10.0～11.0，同時，有必要考慮對使用的軟水進(jìn)行除氧；長時間停爐時，為了保護(hù)冷壁爐筒外部，在蒸汽系統(tǒng)冷卻過程中要保溫，確認(rèn)合成爐內(nèi)氯化氫氣體置換干凈，爐內(nèi)水分吹干，方可以停保溫蒸汽。

（6）現(xiàn)場控制箱、火焰監(jiān)測器都是重要附件，需要充少量氮使之處于氣體保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)氯化氫合成爐與三氯氫硅生產(chǎn)配套時，要注意氮氣壓力不能低于整個系統(tǒng)的壓力，若氮氣中串入氯硅烷，非常有害。氮氣壓力的穩(wěn)定，也可在點火過程中，幾分鐘內(nèi)使合成爐氮氣吹掃的流量穩(wěn)定。

［1］吳春森，伍明霞.石墨制合成爐的現(xiàn)狀和發(fā)展.中國氯堿，2007，（11）：20-21.