氯氣液化生產中制冷系統的優化

吳紅忠，郭 鵬

（焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司，河南 焦作 454191）

焦作煤業（集團）開元化工有限責任公司（以下簡稱“開元化工”）成立于2009年10月，隸屬于河南能源化工集團。已形成20萬t/a離子膜燒堿、2萬t/a三氯氫硅、3萬t/a環氧氯丙烷、4萬t/a環氧樹脂生產能力。

一期20萬t/a離子膜燒堿裝置于2011年10月正式投產，目前生產穩定，形成了產、供、銷一體的運營模式，是河南能源骨干企業之一。

開元化工通過利用合成爐副產蒸汽，優化氯氣液化制冷系統，通過系統運行情況，在節能降耗方面取得了較好的效果。

1 氯氣的物化性質及用途

氯氣，化學式為Cl2。常溫常壓下為黃綠色，是具有強烈刺激性氣味的劇毒氣體，具有窒息性，密度比空氣大，可溶于水和堿溶液，易溶于有機溶劑（如二硫化碳和四氯化碳），易壓縮，可液化為黃綠色的油狀液體，是氯堿工業的主要產品之一，可用作強氧化劑。

氯氣能與有機物、無機物進行取代反應或加成反應生成多種氯化物。主要用于生產塑料、合成纖維、染料、農藥、消毒劑、漂白劑溶劑以及各種氯化物。

氯氣液化單元是燒堿裝置中的重要環節，對裝置生產起到重要的平衡緩沖作用。

2 氯氣液化生產工藝

氯氣壓力與溫度的平衡關系[1]見表1。

表1 不同溫度下液氯的蒸氣壓

氯氣液化的方法主要有3種：高溫高壓法、中溫中壓法和低溫低壓法[2]。

2.1 高溫高壓法

高溫高壓法氯氣液化壓力不小于0.8 MPa，液化溫度約32℃，通常可直接采用冷凍水作為冷卻介質。該方法采用了一步壓縮無冷凍工藝實現氯氣的液化。優點是工藝先進、流程簡單、冷量損耗少、能耗低、經濟效果好。缺點是系統操作壓力較高，對儀表控制、設備及工藝管路系統的要求較高。

2.2 中溫中壓法

中溫中壓法氯氣液化壓力控制在0.4 MPa，液化溫度通常控制在0～10℃。中溫中壓法流程與高溫高壓法相似，只是冷凝溫度低，需用專用的制冷機組液化。目前常用的制冷機組有螺桿冷水機組和溴化鋰制冷機組，該機組具有結構簡單、緊湊，安裝方便，占地面積小，易損件少，運轉周期長，震動小，運行平穩等特點。該工藝裝置操作壓力低，安全、環保性較高。

2.3 低溫低壓法

低溫低壓法氯氣液化壓力控制在不高于0.20 MPa，液化溫度通常控制在-20℃左右。目前，大部分氯堿企業采用此工藝，氯氣液化機組采用與中溫中壓法相同的冷凍機組。該工藝具有流程結構簡單、安全性高等優點。

由于該公司目前使用的是副產蒸汽的鹽酸合成爐，每臺合成爐副產蒸汽2.5 t/h。可充分利用此副產蒸汽作為溴化鋰制冷機組的制冷動力。故采用中壓液化工藝，該工藝具有安全、環保、節能、運行可靠等特點。

3 工藝流程概述

從氯壓機過來的原料氯氣，進入液化器液化，在液化器中大部分氯氣被冷凝變為液氯（液化效率一般維持在94%），進入氣液分離器，經過氣液分離，液相流入液氯儲槽。儲槽中的液氯經過液下泵輸送至包裝區包裝，進行裝瓶或充裝槽車，少量未液化的氯氣排入尾氯系統，送至鹽酸合成單元與氫氣合成制成氯化氫氣體或高純鹽酸。氯氣液化工藝簡圖見圖1。

4 生產現狀

4.1 現有設備配置

開元化工氯氣液化制冷裝置設計為3臺RHSCW-275×2J（T）A 螺桿機，1臺螺桿機分為 2組冷水機組，1組冷水機組包括2個壓縮機，每個壓縮機功率為110 kW，系統共有12臺壓縮機，總功率為1 320 kW，1臺螺桿機制冷量為1 700 kW，總制冷量為5 100 kW。1臺16JH057溴化鋰機組，制冷量為1 900 kW。正常生產運行需開1臺溴化鋰機組和1組螺桿冷水機組，基本滿足生產系統冷卻水的需求。

4.2 工藝改進原因

根據市場需求，該公司在2007年調整產品結構，由原來生產31%的高純酸改為生產38%的高純酸，因此需要將合成爐降膜吸收器冷卻水由原來的循環水冷卻改為7℃水進行冷卻。因此需要在運行溴化鋰機組的情況下增開2組螺桿式制冷機組對冷凍水進行制冷，才能滿足生產所需的冷卻水量、每年耗電3 520 000 kW·h。

4.3 螺桿式冷水機組和溴化鋰冷水機組對比

螺桿式冷水機組和溴化鋰冷水機組是目前國內制冷系統中常用的冷源設備，其各具優缺點。

4.3.1 螺桿冷水機組的特點

（1）優點

a.由于直接水冷式螺桿冷水機組以電力為動力，一般產品能效比大于4，是一種節能產品；

b.設備初投資小，維修率低；

圖1 氯氣液化工藝簡圖

c.設計壽命高，使用年限長，能量衰減可忽略。

（2）缺點

螺桿冷水機組以電力為動力，對于電力緊張地區而言，單位電價較高，造成整機運行費用相對較高。

4.3.2 溴化鋰冷水機組的特點

（1）優點

a.溴化鋰機組的制冷劑為水，是對環境污染較少且價格便宜的制冷劑；

b.溴化鋰制冷機組可利用工業廢余熱蒸氣為動力，實現制冷循環，對電力的需求量不大，僅需要電能來驅動溶液泵和溶劑泵，所以它的耗電量很小（僅為壓縮式的2%左右），故對電力資源較為緊張的地區，該產品有較大的優勢，且運行能源費用較螺桿冷水機組要低。制冷劑為水以及溴化鋰溶液對環境不構成破壞等優點，在化工、冶金等行業使用范圍比較廣泛。

（2）缺點

a.由于所用溴化鋰溶液在有空氣的情況下，對普通碳鋼有較強的腐蝕性，使設備在使用地段時間以后出現較明顯的能量衰減，從而降低了整臺機組的實際產冷量，影響了使用效果，并且降低了機組的使用壽命；

b.設備造價較高，初投資費用大；

c.因為機組在高真空狀態下工作，空氣容易滲入，實踐證明，即使只有極微量的空氣滲入，也會嚴重影響機組的性能，因此，機組對密封性要求很高；

d.設備外形體積龐大，需配備專用機房（溴化鋰還需配備專用冷媒及備用冷媒）；

e.溴化鋰冷水機組對冷卻水的水質要求很高，且冷卻水用量一般為水冷螺桿式冷水機組的1.5倍左右，對于淡水資料較為缺乏的地區，投資及運行成本較高。

此外，螺桿制冷機組使用動力電，制冷可以制出0℃以下的冷水，使用范圍廣。而溴化鋰冷水機組使用蒸汽為動力，使用一次蒸汽時費用高，僅能制出4℃以上的冷水，范圍狹窄，因此使用溴化鋰冷水機組必須采用利用回收蒸汽，才能降低生產成本。

結論：開元化工使用的是5臺副產蒸汽的鹽酸合成爐，每臺合成爐每小時副產蒸汽2.5 t，正常生產時運行3臺合成爐，每小時副產蒸汽7.5 t。現在運行的1臺溴化鋰機組消耗蒸汽4.2 t/h，還有3.3 t/h蒸汽富裕，未能回收利用，造成能源浪費，同時還消耗大量動力電，增加生產成本。

因此如何利用合成爐副產蒸汽，降低動力電消耗是優化制冷系統的關鍵。

由于集團內部多晶硅生產線受市場影響，一直處于停頓狀態。為優化氯氣液化制冷系統，利用副產蒸汽、降低設備動力耗電、提高設備利用率，由公司組織生產部、設備部以及分廠的相關人員到多晶硅生產線進行考察了解。2017年5月內部調劑閑置C-360AST和XI-330 2臺溴化鋰機組，制冷量分別為1 220 kW和3 300 kW，因此不需要重新購買新的溴化鋰機組。

新增溴化鋰機組在運行時所需蒸汽不足時可由公司氫氣鍋爐副產8～10 t/h 0.1MPa的低壓蒸汽進行補充，確保溴化鋰機組動力源正常供給。

根據以上條件：該公司使用溴化鋰機組比螺桿制冷機組更節能、節效、環保。

4.4 優化方案

根據生產需求及時組織機電部、生產部和生產分廠形成項目實施小組，對所測量的具體數據進行分析、結合設計院設計出新增的溴化鋰機組廠房選址、設備管道安裝、所需材料、具體施工方案。

本著新增廠房與原廠房盡可能接近，充分利用原設備及管路的原則，最終確定在原有冷凍水廠房東側空地上根據所測量的溴化鋰基礎尺寸，新建溴化鋰機組廠房。在原冷凍水廠房北面循環水進、出口管道上開口，增加一趟DN500的循環水管道；將原有的蒸汽管道延長至新建廠房旁邊；新增加的溴化鋰冷凍水進、出口管道在原冷凍水廠房內與舊冷凍水管道連接。

5 項目實施及驗收

該項目在2017年8月開始實施，2018年8月完成。2018年9月10日開始運行，9月14日驗收結果參數見表2。

表2 項目驗收結果參數

6 項目效果

在不改變現有制冷系統工藝流程的前提下，通過增加2臺溴化鋰機組，利用開元化工現有的富裕蒸汽量，實現副產蒸汽的回收利用以降低動力電消耗的目的。

其中1臺制冷量為3 300 kW的溴化鋰機組，正常運行即可滿足全廠冷凍水的需求，另外2臺制冷量分別為1 900 kW和1 300 kW的溴化鋰機組聯合運行也可滿足生產需求，公司2大1小3臺溴化鋰機組帶運行及備用，不需要額外開啟螺桿制冷機組進行冷卻，可降低用電量，回收副產蒸汽及冷凝水，節約生產成本。

7 效益計算

項目含調劑設備、土建、材料、安裝等費用合計213萬元，項目完成后節能情況如下。

（1）節約動力電

1組螺桿冷水機組2臺壓縮機，1臺壓縮機額定功率110 kW，2組螺桿冷水機組包含4臺壓縮機，每年節約電量（每年按8 000 h計算）：

110 kW×4 臺×8 000 h=3 520 000（kW·h）

電費按0.54元/kW·h（不含稅）計算，

每年可節約用電費用：

3 520 000 kW·h×0.54元/kW·h=190.08（萬元）

（2）回收蒸汽冷凝水

溴化鋰機組正常運行時每小時產6.5 t蒸汽冷凝水，每年可產生約5.2萬t蒸汽冷凝水。現將冷凝水按純水全部回收回用，純水按每噸10元計算，每年可創效52萬元。

以上兩項每年節約創效合計：242.08萬元

（3）投資回收期

213萬元（總投入）÷｛〔190.08萬元（年節約用電費用）+52萬元（回收冷凝水費用）〕÷12月｝

=10.558（月）≈10.56（月）。

8 結語

根據實際運行氯氣液化制冷系統的優化方案，充分利用合成爐副產蒸汽代替動力電的消耗，將閑置溴化鋰設備調劑使用，不但提高設備利用率，減少設備投入、降低生產成本，既環保節能又有較大的經濟效益，具有明顯的利用價值。