提高盐酸合成炉余热利用率

提高盐酸合成炉余热利用率

邓明芳

四川金路集团股份有限公司   四川德阳618000

摘要：由于生产盐酸时会产生很多反应，所以公司传统的盐酸合成炉都是用冷水把所有的余热给排掉，但这样不仅会造成热量的损失，而且还会消耗很多的冷却液。本文在对现行的盐酸合成生产技术进行改造的基础上，对合成炉及盐酸合成系统进行改造，使合成炉点炉实现自动控制，并利用其产生的热源生产蒸汽，从而减少能源消耗。

关键词： 盐酸合成炉；自动控制；余热回收；蒸汽

前言

近几年来，资源和能源的有效利用已经成为了实施可持续发展战略的关键，盐酸合成过程中会释放大量的热能，一般都是通过吸收冷却水来释放热能，然后再将冷却水排出，虽然这样可以解决盐酸合成炉释放大量热能的问题，但是这种方法需要耗费大量的水资源，这不符合我国可持续发展和资源节约型产业发展的目标。因此，本文在现行的合成技术进行改造的基础上，对其进行了改造，以希望能够提高盐酸合成炉余热利用率。

对于氯化氢合成的热能利用，国内现在主要有两种方式，一种采用石墨炉体配套石墨块在氯化氢合成炉高温段副产0.3MPa低压蒸汽，合成炉其余部分热能全部采用循环水冷却；另一种采用石墨炉体配套石墨块在氯化氢合成炉高温段副产0.8MPa中压蒸汽，合成炉其余部分热能全部采用循环水冷却。以上两种国内常用副产蒸汽的工艺中，合成炉中氢、氯气合成所产生的大量的热量均由凉水泵输送来的循环冷却水带走，循环水再由热水泵输送回凉水塔，通过凉水塔风机与空气热交换，使该部分热量交换到空气中，造成了热能损失，也消耗了大量的电能。目前大部分厂家采用分体式二合一石墨合成炉，仅能回用部分蒸汽，副产的蒸汽为低压蒸汽，供生产系统使用具有一定的局限性，一旦设备发生泄漏，炉筒体渗水和壳层漏水现象严重，设备使用寿命低，对生产造成一定的影响。

1.盐酸合成炉运行现状

1.1 原盐酸生产主要工艺流程

由液氯工序氯气分配台送来的氯气，经氯气缓冲罐，以Cl2、H2按比比例送入合成炉，与氢气均匀地混合燃烧，生成氯化氢气体，同时放出大量的反应热，热量由夹套中的冷却水移走或由水夹套中的冷却水吸收后产生大量的蒸汽送至其他工序使用。

合成炉顶部出口的氯化氢气体，温度降至600℃以内（二合一蒸汽石墨炉温度降至400℃以内），先进入石墨管用冷却水冷却，再进入石墨冷却器用水冷却，氯化氢气体被冷却至50℃以下，经氯化氢正压分配台送往PVC分厂使用或经氯化氢负压分配台送去降膜吸收器生产盐酸。

1.2 原盐酸合成工艺存在的问题

(1)HC1的制备需要释放大量的热，其中，在盐酸合成炉熔点1000多摄氏度时，由于原有的设计缺少对热的再利用，采用循环水系统进行循环，既造成了系统的热能的损失，又造成了大量循环水资源的浪费。

(2)石墨块不能承受高温高压，易导致石墨堵塞，合成炉停车后炉体夹套经常漏水。

（3）余热利用率低，回收的蒸汽压力约0.34MPa，仅能供小部分用热量小的地方使用，余热利用还存在不足。

2.盐酸合成炉改造

2.1盐酸合成炉改造方案

在碳达峰、碳中和的时代背景下，针对以上存在的问题，我公司研发团队研制了“ 一种大幅提高合成氯化氢副产蒸汽的装置及方法”并取得了实用新型专利专利，发明专利正在审查阶段；在石墨炉选型上，我公司与南通星球石墨股份有限公司达成合作协议，双方共同开发研制新型产品——副产1.0MPa压蒸汽全石墨二合一炉，该套装置于2021年在我公司C区2#炉成功运行。

本技术采用分段冷却、分梯度回收热能，实现了同一套装置在副产0.3MPa低压蒸汽的同时又副产了1.0MPa的中压蒸汽，将反应热的利用率从70%提高到超90%，既大幅提高了蒸汽产量，又节约了循环水用量，同时通过低温段预热，又起到了给水除氧的作用，延长了设备使用寿命，同时减少标煤的使用和大量二氧化碳外排。有效防止合成炉视镜段、过渡段因循环水水质差易结垢的弊病，延长了合成炉的使用寿命。

2.2 改造后盐酸合成炉工艺流程

H2与Cl2按规定容积比例=1.05-1.1:1从合成炉底的中央管路流入合成炉进行反应。在这个工艺中，氯气、氢气的流速由调节阀进行自动追踪调整，保证了氯气和氢气的混合，不会产生过多的氯气。该工程对三合一的二次生产装置进行了改进[2]。氯气和氢气发生化学反应，产生了大量的反应热量，可以用来生产副产物。二级产品的中压合成器在高温部分采用钢结构的水冷壁炉管；对合金件上部及下部易腐蚀的部分，选用了碳素。该工艺解决了由于石墨炉管的强度低、工作温度受限等问题，同时也解决了合成区上、下层易被侵蚀的问题，可以将三氯化氢气的利用率提升至70%，同时还可将副产品蒸汽的压力调整为0.2~1.4 MPa，可与中低压蒸汽网结合，实现了最大的利用。

2.2.1改造后的工艺优点

1、改进盐酸合成炉余热回收利用的工艺，采用分段冷却、分梯度回收热能。实现中、低压联产蒸汽，热回收率达90%以上；

2、优化了工艺控制，采用远程一键式密闭点炉操作、自动火检、炉顶防爆膜联锁，氯气、氢气调节远程操作，实现了水、汽系统运行过程全自动控制，开车点火时不再需要打开炉门，人员可在DCS操作，可有效避免氯化氢泄漏及燃爆伤人事故的发生，降低了员工的操作风险和劳动强度，避免了氯化氢外溢对环境的影响，提升了本质安全。

3、在该装置设计中因采用分段来回收氯化氢反应热，每段的温差大，导致设备及密封材料的膨胀、收缩量不一致，非常容易泄漏和窜水，通过设备结构的设计以及密封材料的选用，确保了设备的密封性；使合成炉的副产蒸汽压力提高到1.0MPa，无泄漏现象。

4、优化石墨炉制作工艺配方。石墨材料本身是透性的材料，需要使用浸渍剂进行填充来增加材料的耐压能力、耐腐蚀性能，石墨合成炉在副产1.0MPa蒸汽时壳程温度达到183℃，对设备主要原材料石墨要求极高，因此浸渍剂需要更高的温度；通过对浸渍剂配方的研发使其耐温性能能够达到300℃以及新型的石墨块压制技术，确保设备稳定运行。

5、研制新型燃烧器，根据氯、氢气体燃烧计算模拟，设计出新型复合燃烧器，使合成炉的燃烧热利用率大于90%；该装置填补国内空白。

3. 盐酸合成炉节能改造效果分析

3.1 节能减排效果分析

（1）余热回收利用效果

我公司原C区2#石墨炉为副产低压蒸汽分体式二合一合成炉，副产低压蒸汽炉只能产出0.20MPa的蒸汽，回收利用率仅70%，且该设备使用年限已久，筒体渗水和壳层漏水现象严重，存在一定安全风险。通过改造，C区2#石墨炉已更换为全石墨炉，通过分梯度回收余热，副产的蒸汽可满足后续工段的使用。

根据统计，C区2#石墨炉每天平均产蒸汽约144t，蒸汽压力为0.75MPa，蒸汽温度为165℃，每天消耗氯气总量约：46500Nm3；通过查表，蒸汽温度为165℃、压力为0.75MPa时的热焓为660kcal/Kg ；该工程对凝结水进行了循环利用，采用70摄氏度的给水， 查标准CJ128-2007得70℃热水热焓值为293.53KJ/Kg,折算为千卡293.53/4.182≈70.19 kcal/Kg，氯氢合成生产盐酸，氯氢合成过程中放出大量的热量，化学反应式为：

H2+Cl2→2HCl+44kcal/mol

氯气反应释放热量：46500×1000÷22.4×44=91339286kcal

蒸汽热量：140×1000×660= 92400000kcal

冷凝水带进系统的热量：140×1000×70.19=9826600kcal

热效率：（92400000－9826600）÷91339286×100%=90.4%

（2）降低原煤采购成本

2021年与2020年C区石墨炉副产蒸汽对比如下表：

从统计数据可以看出，改造后，每年可多产蒸汽29110t，每吨蒸汽耗原煤系数按照0.195t/t，则每年可节约原煤为：0.195*29110=5676.45t。

3.2 经济效益分析

（1）项目实施后年产生蒸汽29110吨，折算为原煤月5676.45t，原煤价格按617元/吨计算（2021年原煤受市场因素价格波动大，原煤价格按照2020年采购均价为617元/吨），年可节约原煤采购费用：

5676.45吨×617元/吨=3502369 元

（2）项目实施后需增加强制循环水泵，水泵电机功率为13kw，电费按价格0.55元/ kWh计算，一年按8000h计算，则年可运行电费：

13kWh×0.55元/ kWh ×8000=57200元

（3）项目设备总投资约465万元，按平均年限法折旧，折旧年限为10年，则每年折旧费：

465÷10=46.5万元

资金利率按照银行一年期贷款利率4.35计算，建设期为6个月，则资金占用利息为为

4650000×0.0435÷2=101137元

（5）设备维修费预估每年按照15万元计算，则项目实施后年可产生经济效益：

3502369-57200-465000-101137-150000=2729032=272.9万元。

4.结果

通过对盐酸合成炉及蒸汽回收系统的改造，实现了对盐酸合成炉的余热利用，改造后可多产生29110吨的工业蒸气，同时节约了循环冷却水，取得了良好的节能降耗效益。该工程总投入465万元，建成后产生了272.9元的效益，投资回收期不足两年，取得了显著的成效，同时为公司下一步“煤改电”工作奠定了良好的基础。

参考文献

[1]陈彦峰.三合一合盐酸成炉安全生产的探讨[B].中国氯碱，2010，12（12）.

[2]张波，边伟军，张国奇.氯化氢合成工艺技术改造[B].氯碱工业，2016，52（8）：38-39，45.

[3]吴二宝.氯化氢合成炉副产蒸汽回收利用.中国氯碱，2019,11:41-42,48

[4]许忠义，陈美岭，王中军，朱文忠，杨志新.青海盐湖氯化氢合成炉优化方案对比探究.盐科学与化工，2021,50（4）:32-34

作者简介：邓明芳，性别女，出生年月1982年1月，工学学士，材料科学与工程专业，工程师，从事聚氯乙烯树脂、烧碱生产工艺和技术管理工作