全自控副產中壓蒸汽HCl合成爐工業化的應用

王文生，王振華，鄔永勝

（內蒙古晨宏力化工集團有限責任公司，內蒙古阿拉善盟750336）

全自控副產中壓蒸汽HCl合成爐工業化的應用

王文生，王振華，鄔永勝

（內蒙古晨宏力化工集團有限責任公司，內蒙古阿拉善盟750336）

介紹了全自控副產中壓蒸汽HCl合成爐的原理、結構、優點，以及對全自控系統進行了表述，并對該合成爐裝置在氯堿企業中推廣產生的經濟效益進行了評價。

氯化氫合成爐；中壓蒸汽

1 氯化氫合成爐副產蒸汽原理與特點

1.1 氯化氫合成系統副產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氣態氯化氫放出605.11 kcal熱量。氯氣與氫氣在合成爐內以燃燒形式反應生成氯化氫，火焰中心區溫度達到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蒸汽。

1.2 國內氯化氫合成爐副產蒸汽現狀及特點

對于氯化氫合成中的熱能利用，國內主要有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，副產的熱水應用范圍有限，目前已經基本被淘汰；另一種是使用石墨制的氯化氫合成爐副產熱水或0.20～0.30 MPa壓力的蒸汽。另外國內部分廠家通過改進石墨材質，提供其承壓能力，將副產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，在副產蒸汽時石墨爐筒作為產汽的受壓部件，安全上存在一定隱患，而且熱能的利用率只能達到30%～40%。采用該方法副產的熱水或低壓蒸汽應用范圍同樣有限。通過改進石墨材質，也只能在一定程度上提高產出蒸汽壓力，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，給生產負荷的調整帶來了不便。

1.3 新型副產蒸汽氯化氫合成爐的特點

新設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，采用三段式結構：在合成爐的中間高溫區段，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，產出蒸汽壓力最高達到1.4 MPa，從而使副產蒸汽壓力可在0.2～1.4 MPa間任意調節，可并入中、低壓蒸汽管網使用，使熱能得到充分利用。

2 合成爐及附屬設備結構

該系統主要設備包括副產蒸汽氯化氫合成爐、汽包、預熱器。

（1）副產蒸汽氯化氫合成爐。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生段，爐筒內中空，爐筒外側采用管排式換熱器，管內副產蒸汽，汽包通過管道與蒸汽發生段相連組成蒸汽發生系統；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。汽包為蒸汽發生分離裝置。由鋼制爐筒過來的過熱水在汽包內閃蒸出蒸汽輸出。汽包上設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維持一定液位。

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

3 副產蒸汽氯化氫合成爐系統工藝流程

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

（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混合反應燃燒，反應后的高溫氯化氫氣體向上經過蒸汽發生段和氯化氫冷卻段至45℃以下后輸出。

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

（3）循環水流程。循環水進入下部燃燒段的夾套內（用于冷卻石墨內筒，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（用于冷卻氯化氫氣體），經出口輸出。

4 自動控制系統

自動化控制方面，針對該合成爐的結構特點，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，實現了從點火開車、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安全。控制系統由以下5部分組成。

4.1 自動點火系統

自動點火系統自動點火系統包括點火程控柜、高壓發生裝置、點火槍燃燒器、燃氣控制裝置、助燃氣控制裝置及其他監測裝置，并配合系統安全連鎖裝置。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生產負荷的需要逐步提升負荷，既安全又便捷。

4.2 自動聯鎖保護系統

該裝置設有氫氣壓力低、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、火焰在線監測、防爆膜在線監測及VCM合成系統緊急停車等9個聯鎖保護，當任何一個聯鎖條件滿足時，系統立即自動執行停車保護程序，并進行自動充氮保護，同時還設置了DCS及現場緊急停車按扭，以備特殊情況下使用，確保裝置的安全。另外，企業還可根據自己的需求，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整和聯鎖。

4.3 氫氣、氯氣自動配比控制

根據生產控制中HCl的純度分析來設定氫氣、氯氣適合的比值，該系統可以通過精確的氫氣、氯氣流量測量與調節實現氫氣與氯氣的自動配比控制。可以根據生產氯化氫的純度分析來設定氯氣、氫氣的比值。生產中氫氣、氯氣的純度發生較大的變動時，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節氫氣與氯氣的比值。

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。即通過調節進軟水調節閥的開度來控制汽包液位，對出口蒸汽閥的調節來控制產出蒸汽的壓力。另外，為保護合成爐產蒸汽設備的安全，做了汽包液位低的聯鎖保護以及對蒸汽壓力高后的排放泄壓。

5 副產蒸汽氯化氫合成爐優點

5.1 蒸汽壓力高，產汽量大

由于副產中壓蒸汽氯化氫合成爐的產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1 t氯化氫可產0.8 MPa蒸汽0.60～0.70 t。而石墨爐存在著產汽壓力和產汽量的矛盾，即要想產汽壓力高，則爐筒壁厚增加，產汽量大大減少。石墨合成爐蒸汽壓力為0.2 MPa時，產蒸汽量為0.20～0.25 t。以產150 t/d氯化氫合成爐為例計算，低壓蒸汽爐產蒸汽量為30t/a（壓力為0.2MPa）。而中壓蒸汽合成爐產蒸汽量為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，則中壓蒸汽的產量97 t。則產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，年創效益約303萬元。而低壓蒸汽石墨爐年創效益為99萬元，則產生的經濟效益相差近二百多萬元。

5.2 設備維修量小，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進入石墨換熱塊內腔，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，與循環冷卻水熱交換冷卻后從底部石墨匯集腔內匯集后從側面出口進入HCl管道送出。石墨冷卻段的設計結構巧妙，通過采用中心腔的結構，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。

同時由于蒸汽發生段獲取的熱量多，氯化氫氣體到達蒸汽發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。這樣蒸汽發生段和冷卻段都能保持長時間穩定的運行，企業可以按正常的檢修計劃作業，避免了非正常的停車檢修，節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采用自動點火裝置、自動聯鎖保護系統、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品的質量，使生產裝置安全運行。基本可以做到無人值守，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；通過儀表及調節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，提高了整個生產系統的安全性。本系統中所使用的儀表、控制閥門及DCS控制系統，都要具有高測量精度、高靈敏度和高可靠性能。

6 經濟效益評價

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

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

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

（4）本統爐筒列管與汽包之間的軟水流動采用的是熱水自循環方式，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，與軟水強制循環的爐型單套需要15 kW的熱水循環泵相比，每年節約的動力電費用約4萬元。目前國內大多數副產0.20～0.30MPa，均采用強制循環爐型。

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

7 結語

副產中壓蒸汽合成爐不僅解決了水夾套合成爐循環水負荷量大的問題，也克服了副產低壓蒸汽爐產汽壓力低、熱能利用率低的問題，節能效果明顯，設備運行穩定，檢修周期長，企業經濟效益顯著，符合國家發展產業政策。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能減排、提高企業競爭力和建設友好型社會具有十分重要的現實意義，值得在氯堿PVC行業大力推廣。

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