VCM 合成熱水塔余熱利用可行性研究與實踐

曹國玉

（陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團股份有限公司 （簡稱北元化工）100 萬t/a 聚氯乙烯綜合循環利用項目配套4 條VCM 轉化工序， 每條轉化裝置單獨設一套熱水塔，熱水塔初始開車使用低壓蒸汽加熱 （T≥80 ℃），主要用于合成轉化器、預熱器、精餾再沸器和公用工程板換換熱，正常運行時，轉化器列管內氯化氫和乙炔在裝填觸媒的催化下反應產生大量熱量， 熱量通過熱水塔內的熱水進行自然循環和強制循環換熱，換熱后的部分熱水閃蒸為低壓蒸汽（乏汽），通過管道回至熱水塔頂部冷卻器與精餾回水進行換熱， 少部分低壓蒸汽冷凝為液態回至熱水塔內， 而大部分低壓蒸汽排至大氣中，每條線約3 t/h，造成資源浪費、熱量損失、生產消耗升高。

1 工藝流程

化工分公司聚氯乙烯分廠VCM 合成工序每條線熱水塔設4 臺熱水泵（見圖1），單臺泵供水流量為800 m3/h，正常運行時用3 備1，熱水塔溫度為94～96 ℃，熱水塔出口管與4 臺泵連接，各臺泵出口匯至一根總管進行熱水分配，熱水主要給合成轉化器、預熱器、精餾再沸器和公用工程板換換熱。因轉化裝置熱水需要量較大，地勢相對高，而公用工程地勢偏低，在實際操作過程中，供公用工程熱水閥門打開后影響轉化和精餾用水量，對轉化器影響比較明顯，越到用戶末端， 影響越嚴重。 轉化器溫度控制要求90～180 ℃、預熱器溫度≥80 ℃。 VCM 合成 AB 線熱水塔給一期公用工程供熱水，CD 線熱水塔給二期公用工程供熱水，熱水回水可以相互切換調節使用。每臺熱水塔初始補水約600 t。

圖1 VCM熱水塔工藝流程圖

2 生產運行中存在的問題

一般情況下，VCM 合成根據精餾和轉化用水情況給公用工程調節供水。

（1）在實際運行過程中，VCM 合成給公用工程供的熱水流量較小，無法滿足設計運行條件，影響熱水型溴化鋰機組的制冷效率，通過測量及數據分析，熱水型溴化鋰機組制冷能力為60%~70%；夏季室外溫度高的情況下， 公用工程熱水型和蒸汽型溴化鋰機組不得不全部開啟運行， 導致7 ℃水冷凍機組無備機，同時7 ℃水上水溫度比較高，造成合成精餾系統運行不穩定，尾排壓力上升，溴化鋰機組蒸汽消耗增加。

（2）VCM 合成轉化、 精餾和公用工程熱水管道在一個分配臺上，若增大給公用工程供水量，精餾和轉化供水壓力和循環流量就會下降，影響轉化、精餾換熱，并影響轉化后總管指標和單體質量。

（3）VCM 合成熱水塔熱水溫度較高的情況下，經轉化器換熱后部分熱水閃蒸變為低壓蒸汽排放（乏汽），目前尚無有效的回收措施，造成資源浪費、環境污染并增加生產成本。

（4）公用工程熱水型溴化鋰機組全部運行時，單臺溴化鋰機組熱水循環流量減少，不能滿足設計要求（設計熱水泵2 臺，1 用1 備，單臺泵設計流量為1 800 m3/h，溴化鋰熱水循環量設計為440 m3/h），導致制冷效率下降。

3 熱水分配可行性

結合目前運行情況，提高公用工程熱水供用量，進一步提高溴化鋰機組制冷效率， 適當降低合成熱水塔溫度，減少熱水在換熱過程中的乏汽排放量。化工一二期公用工程冷凍站各設4 臺熱水型溴化鋰機組， 使用的熱量大部分為VCM 合成熱水塔熱水提供的熱量，熱水型溴化鋰機組熱水通過泵自身循環，與合成熱水進行熱交換，實現循環換熱制冷。

3.1 可行性分析

現場收集數據： 公用工程溴化鋰機組合成熱水供水溫度t1=96.5 ℃，回水溫度t2=71.5 ℃，溴化鋰機組進水溫度t3=78.6 ℃，出水溫度t4=72 ℃，熱水的比熱容 CP=4.2×103J/（kg·℃）。 公用工程熱水泵流量V1=1 800 m3/h。 計算過程如下（不考慮傳熱系數對換熱的影響）。

通過理論計算可知，正常情況下化工VCM 合成熱水塔給公用工程供的熱水理論流量約為475 m3/h，而設計要求為1 000 m3/h，同時溴化鋰機組設計進出水溫度為95 ℃和85 ℃，而實際運行為78 ℃和72 ℃。

若單獨給公用工程增加1 臺熱水泵， 流量控制在1 000 m3/h，則溴化鋰機組進出水溫差能達到設計要求，換熱效率大大提高，可以減少蒸汽溴化鋰機組運行臺數，降低蒸汽型溴化鋰機組蒸汽消耗。

3.2 提高公用工程熱水供應流量后，熱水塔熱水溫度變化情況

目前合成熱水塔溫度一般為96 ℃，熱水塔熱水循環量約為2 100 m3/h，VCM 合成精餾、轉化大概需要熱水循環量為1 650 m3/h，公用工程供水450 m3/h。按照給公用工程1 000 m3/h 供水流量計算， 即在現有基礎上增加550 m3/h 供水流量， 溴化鋰機組進出水溫差按照設計要求進行計算， 得出合成熱水塔熱水經過換熱后的溫度。

熱水塔熱水經過公用換熱后的溫度為96-18=78 （℃）。

經過換熱的熱水回至熱水塔后熱水溫度的變化為：

96 ℃熱水循環量為 3 300 m3/h，78 ℃熱水循環量為1 000 m3/h（原運行基礎上增加550 m3/h），兩種不同溫度熱水混合后溫度變化根據熱平衡方程：

得出 I2=384.6 （kJ/kg）。

查焓熵圖可得I2對應的溫度為91.7 ℃。

3.3 轉化、精餾熱水供水循環量調整

現轉化和精餾單條線熱水循環量約為1650m3/h，溫度為 94~96 ℃，需要的熱量為663.63×106kJ。若滿足公用工程1 000 m3/h 供水流量， 熱水塔溫度變為91.7 ℃。

根據熱平衡方程G2I2=G1I1

91.7 ℃熱水焓值為 I2=384.6 （kJ/kg），

得出 G2=1 725 （m3/h）。

即熱水溫度降低至91.7 ℃后，轉化和精餾需要的熱水循環量需要增加至1 725 m3/h，可以滿足換熱要求。

4 測試情況

2020 年 3 月 25 日-5 月 25 日， 北元化工根據《VCM 合成熱水塔余熱利用可行性分析報告》及《合成熱水塔熱量分配測試方案》， 組織對VCM 合成A線熱水塔熱量進行分配測試。 本次測試考慮到熱水溫度的變化對觸媒活性的影響， 每個階段的調試時間相對比較長， 目的是防止轉化器后總管含酸和含乙炔超標，測試過程中記錄相關數據。

4.1 測試思路

在確保生產穩定運行的前提下進行余熱分配測試。利用熱量平衡的原理，通過調整熱水塔供采鹵公用溴化鋰機組熱水量來降低合成熱水塔熱水溫度即閃蒸溫度， 也就是通過熱量分配調整尋找熱量平衡點，實現熱水塔不補水也不排汽，余熱完全被利用。

4.2 測試目標

通過熱水分配調整使其既能滿足采鹵公用熱水型溴化鋰機組制冷需求的熱量，提高制冷效率，實現7 ℃水制冷機組備用， 同時減少蒸汽溴化鋰機組的投運臺數， 降低蒸汽消耗， 也可實現降低熱水塔溫度，減少閃蒸蒸汽量，即補水量。 化工一二期公用工程冷凍站各設4 臺熱水型溴化鋰機組， 使用的熱量大部分為VCM 合成熱水塔熱水提供的熱量， 熱水型溴化鋰機組熱水通過泵自身循環， 與合成熱水進行熱交換，實現循環換熱制冷。

4.3 測試步驟及要求

（1）本次測試的溫度控制點分別為94 ℃、93 ℃、92 ℃和91 ℃。 第一階段下調溫度為2 ℃，后續階段為1 ℃，每個階段測試時間不低于20 天，保證觸媒有過渡期和適應期。

（2）根據熱水塔溫度變化情況調整供采鹵公用的閥門開度，轉化、精餾的熱水閥門保持不變，分階段進行調整，要求熱水塔溫度依次達到94 ℃、93 ℃、92 ℃和 91 ℃。

（3）采鹵公用保持原運行方式，根據7 ℃水指標變化情況，逐步關小蒸汽板換的閥門開度，做好相關記錄。

（4）每次調整后溫度保持不變，密切跟蹤VCM轉化、 采鹵公用的指標變化情況， 詳細記錄相關數據。

（5）測試期間，指定專人負責，如發現轉化后總管及單臺轉化器指標整體有明顯上漲的趨勢， 分廠及時反饋，可提出申請，停止測試，恢復原運行方式。

4.4 測試過程

（1）3 月 25 日對轉化 A 線單條線進行測試，轉化B 線供采鹵上回水閥門關閉，第一次調整轉化A線供采鹵公用一期閥門開度，實現A 線熱水塔溫度控制在94.0~95.0 ℃，通過調整穩定后，供采鹵公用一期熱水閥門開度25%。 采鹵公用一期小板換蒸汽閥門開度調整至55%。4 月9 日，再次調整供采鹵公用一期熱水閥門，將閥門開度由之前的25%調整至40%， 轉化A 熱水塔溫度控制在 93.0~94.0 ℃，采鹵公用一期小板換蒸汽閥門調整至35%， 測試直至 6 月 9 日。

（2）6 月 9 日對轉化 A/B/C/D 線同時開始測試，測試前， 轉化A/B/C/D 線供采鹵的熱水閥門開度分別為40%、0、0 和20%，熱水塔溫度分別為93.8 ℃、96.9 ℃、96.9 ℃和 96.7 ℃。 調整后，供采鹵的熱水閥門開度分別45%、50%、45%和70%， 熱水塔溫度分別為 93.5 ℃、96.5 ℃、96.6 ℃和 96.5 ℃。 采鹵公用一期小板換蒸汽閥門開度未進行調整， 公用二期小板換蒸汽閥門未調整。 6 月 17 日，B 線、C 線原來的3臺熱水泵運行調整為4 臺運行， 供采鹵熱水閥門開度分別調整至60%、53%、25%和38%。 熱水塔溫度分別為 93.8 ℃、95.5 ℃、96.9 ℃和 96.3 ℃， 采鹵一二期公用小板換蒸汽閥門開度由原來的20%調整至10%。7 月8 日，針對二期合成熱水塔溫度無明顯變化， 公司組織分廠排查并做了進一步調整，7 月11日至7 月13 日，C/D 線熱水塔溫度最低分別降至93.1 ℃、92.1 ℃。

（3）8 月 4 日將 A/B 線熱水泵各啟動 4 臺進行測試， 轉化A/B 線熱水供水閥門開度分別為30%，25%，熱水塔溫度分別由原來的96.5 ℃、96.9 ℃降至93.3 ℃、94.3 ℃。 采鹵蒸汽小板換蒸汽流量由原來的1 304 kg/h 降至 703 kg/h。

4.5 測試數據

（1）一線后總管樣（見圖 2）

圖2 轉化A線01后總管含氯化氫、乙炔

01 線后總管含酸及乙炔在控制范圍之內，中間有上漲趨勢，主要是A 線有部分轉化器未及時抽翻觸媒，單臺設備含乙炔偏高。

（2）二線后總管樣（見圖 3）

圖3 轉化A線02后總管含氯化氫、乙炔

02 線后總管含乙炔有下降趨勢，后期運行相對穩定，含乙炔在1.5%之內。

同理，BCD 線測試1 個多月以來， 轉化后總管指標含氯化氫基本穩定，轉化D 線氯化氫整體有下降，主要是測試前期，02 線無汞觸媒投用2 臺，后總管指標偏高；含乙炔略微上漲，和轉化A 線測試前期相似，調整前期指標有波動。

（3）熱水塔溫度（見圖 4）

圖4 熱水塔溫度/℃

未調整前熱水塔溫度為96.3 ℃，第一階段調整至94 ℃能維持運行，第二階段溫度不好控制，出現波動現象，最低溫度為92.6 ℃，熱水塔基本實現不排汽，達到熱量利用的平衡點。熱水塔溫度和壓力偶爾變化會出現少量排汽現象。

同理， 一二期兩條線同時給采鹵公用工程供水時，熱水塔溫度沒有明顯變化，當B、C 線分別增加1 臺熱水泵投用后，B 線溫度明顯下降，降至95.5 ℃，C、D 線溫度略微下降，但下降不明顯。 說明C、D 線供往公用工程的水量增加不明顯。

（4）供采鹵公用熱水閥門開度（見圖5）

圖5 供采鹵公用閥門開度/%

供采鹵公用熱水閥門開度由25%調整為45%，因熱水塔溫度不好控制， 將供水閥門調整為40%，供水流量有所增加。 另采鹵公用蒸汽型溴化鋰機組使用蒸汽閥門開度由52%調整為35%，蒸汽使用量有所減少。

（5）溴化鋰機組板換蒸汽閥門開度（見圖6）

圖6 一期蒸汽板換閥門開度

一期合成熱水塔熱量分配期間， 采鹵公用工程一期小板換蒸汽閥門開度調小20%左右， 公用工程二期小板換蒸汽閥門開度無明顯變化， 調節閥門故障， 顯示開度12.5%， 崗位人員用旁路手動閥門調節，閥門開度根據溴化鋰機組進口熱水溫度在10%~20%調整。二期合成多啟用1 臺熱水泵后，相對閥門開度調至最小。

5 存在的問題

（1）因超聲波流量計故障，合成熱水塔供采鹵公用的熱水流量未定量檢測，達到熱量利用平衡點時，不能獲得供水量相關數據。

（2）合成熱水塔補水改為蒸汽冷凝液，無法實現計量，影響熱水塔補水變化情況分析。

（3）熱水塔溫度調至第二階段時，供采鹵熱水回水分別回至AB 線熱水塔，現場手閥不好控制，熱水塔液位、溫度出現波動。

（4）轉化預熱器溫度有所下降，分廠未及時調整熱水在轉化與精餾之間的循環量。

（5）采鹵公用熱水循環量增大時，溴化鋰機組使用的蒸汽計量不準確，影響分析核算。

（6）VCM 合成熱水塔單線給采鹵公用供熱水，溴化鋰機組制冷效率變化不明顯， 需要對另一條線熱水分配進行測試，測試結束后，2 條熱水線同時給采鹵公用供熱水， 觀察溴化鋰機組制冷效率變化情況。

（7）熱水分配臺閥門有內漏現象，導致熱水塔液位、溫度不好控制，調整頻繁。

（8）熱水塔溫度調至 93 ℃左右時，A 線熱水塔基本實現不補水，而B 線熱水塔液位通過A 線補水來維持穩定運行，脫吸停車后，熱水塔只能補純水進行液位調節，溫度下降比較快。

（9）一期（二期）熱水換熱完成后回至AB 線熱水塔（CD 線），一二期回水管線各設1 臺調節閥，崗位人員為方便操作，通過調節閥控制回水量，導致熱水塔液位、溫度頻繁波動，崗位人員調整過于頻繁。

（10）熱水出水總管與溴化鋰機組使用點存在較大的落差，通過測量一二期，分別為12 m 和25 m，落差較大，壓力損耗較多，熱水塔出口閥門調整供水量，變化不明顯。

6 經濟效益

乏汽溫度約104 ℃， 熱水溫度降至93 ℃運行，ABCD 線合成熱水塔共回收12 t/h 二次乏汽及除鹽水， 系統按年運行 8 000 h， 依據國家標準 GB/T 2589-2008 綜合能耗計算，熱力（當量值）折標準煤系數0.034 12 kgce/MJ， 則回收的熱量折合標煤約為：7 510 t/a，折合原煤為9 063 t，每噸廠用原煤按800 元計算， 每年節省的廠用原煤折合人民幣約為725 萬元。

回收的除鹽水按成本價10 元/t 計算，每年回收的除鹽水折合人民幣約為96 萬元，同時減少乏汽排放，降低環境污染。

7 結論

（1）通過此次的調整測試，熱水塔乏汽外排明顯減少，基本實現不排汽，不補水，合成熱水塔溫度控制在93 ℃左右，即達到熱量利用平衡點，第三階段測試無需再進行， 轉化器后總管含乙炔均維持在控制范圍之內，未發生超指標的情況。熱水塔的余熱充分被溴化鋰機組利用， 經濟效益顯著， 達到預期效果。

（2）在其他工況不變的情況下，通過降低合成熱水塔溫度來降低熱水閃蒸溫度，降低乏汽排放量，最終降低純水的消耗。

（3）建議一二期合成熱水塔單獨設泵給公用工程供熱水，流量提至1 000 m3/h，可以滿足熱水型溴化鋰機組制冷需求，提高制冷效率，實現7 ℃水制冷機組備用，同時減少蒸汽溴化鋰機組的投運臺數，降低蒸汽消耗，經濟效益顯著。

（4）提高給公用工程供水流量后，熱水塔溫度發生變化，為了保證轉化和精餾熱量需求，需提高供水流量滿足工藝需求。

（5）建議供往采鹵公用工程的熱水回水管道進A、C 線熱水塔需增加調節閥，均勻控制回水量，維持熱水塔溫度和液位穩定，提高余熱利用，實現降本增效的目的。

（6）熱水塔溫度下降后，轉化A 后總管指標在4個月內未發生明顯變化， 但轉化B 線后總管含乙炔有明顯上漲趨勢， 轉化C、D 線測試1 個多月，后總管含一期也未出現明顯變化，需長期觀察、整體分析， 而且熱水塔溫度降低后對觸媒使用是否影響暫未得出具體結論。