全自控副产中压蒸汽HCl合成炉工业化的应用

王文生，王振华，邬永胜

（内蒙古晨宏力化工集团有限责任公司，内蒙古阿拉善盟750336）

全自控副产中压蒸汽HCl合成炉工业化的应用

王文生，王振华，邬永胜

（内蒙古晨宏力化工集团有限责任公司，内蒙古阿拉善盟750336）

介绍了全自控副产中压蒸汽HCl合成炉的原理、结构、优点，以及对全自控系统进行了表述，并对该合成炉装置在氯碱企业中推广产生的经济效益进行了评价。

氯化氢合成炉；中压蒸汽

1 氯化氢合成炉副产蒸汽原理与特点

1.1 氯化氢合成系统副产中低压蒸汽基本原理

氯气与氢气反应生成氯化氢时伴随释放出大量反应热：

1/2H2+1/2Cl2=HCl+22.063 kca1／mol，即每合成1 kg气态氯化氢放出605.11 kcal热量。氯气与氢气在合成炉内以燃烧形式反应生成氯化氢，火焰中心区温度达到2 500℃以上，生成的氯化氢气体温度在2 000℃以上，这些热量完全可以用来副产蒸汽。

1.2 国内氯化氢合成炉副产蒸汽现状及特点

对于氯化氢合成中的热能利用，国内主要有2种方法。一种是使用钢制水夹套氯化氢合成炉副产热水。这种钢合成炉在炉顶部和底部容易受腐蚀，使用寿命短，副产的热水应用范围有限，目前已经基本被淘汰；另一种是使用石墨制的氯化氢合成炉副产热水或0.20～0.30 MPa压力的蒸汽。另外国内部分厂家通过改进石墨材质，提供其承压能力，将副产的蒸汽压力提高到约0.5 MPa。

由于石墨是非金属脆性材料，受强度和使用温度的限制，在副产蒸汽时石墨炉筒作为产汽的受压部件，安全上存在一定隐患，而且热能的利用率只能达到30%～40%。采用该方法副产的热水或低压蒸汽应用范围同样有限。通过改进石墨材质，也只能在一定程度上提高产出蒸汽压力，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，为防止石墨炉筒受热升温过快导致爆裂，合成炉点火开车后，要小负荷运行约2小时后才能提升负荷，给生产负荷的调整带来了不便。

1.3 新型副产蒸汽氯化氢合成炉的特点

新设计制造的氯化氢合成炉在热能利用中克服以上2种方法的缺点，采用三段式结构：在合成炉的中间高温区段，使用钢制水冷壁炉筒；在合成段顶部和底部钢材容易受腐蚀的区段，采用石墨材料制作。这种方法既克服了石墨炉筒强度低和使用温度受限制的缺点，又克服了合成段的顶部和底部容易腐蚀的缺点。由于产汽承压段采用钢制水冷壁炉筒，从而使氯化氢合成的热能利用率提高到70%，其承压能力也大大提高，目前，产出蒸汽压力最高达到1.4 MPa，从而使副产蒸汽压力可在0.2～1.4 MPa间任意调节，可并入中、低压蒸汽管网使用，使热能得到充分利用。

2 合成炉及附属设备结构

该系统主要设备包括副产蒸汽氯化氢合成炉、汽包、预热器。

（1）副产蒸汽氯化氢合成炉。蒸汽合成炉自下而上分3个部分：下部为石墨制合成燃烧段，由石英灯头与水夹套组成，石英灯头安装在石墨炉底座上，钢制外壳与底座相连的石墨炉筒间通冷却水，氢气和氯气从底部进入并燃烧；中部为钢制水冷壁蒸汽发生段，炉筒内中空，炉筒外侧采用管排式换热器，管内副产蒸汽，汽包通过管道与蒸汽发生段相连组成蒸汽发生系统；上部为石墨制冷却段，冷却水从底部进入，从顶部流出，合成气体通过具有中间流道的块孔式石墨换热块。

（2）汽包。汽包为蒸汽发生分离装置。由钢制炉筒过来的过热水在汽包内闪蒸出蒸汽输出。汽包上设置有水位检测控制仪表，运行时通过自动补加软水保证汽包内维持一定液位。

（3）预热器。预热器是一台列管式换热器，设置在汽包回水管与炉筒进水管之间，开车时采用预热系统内软水，停车期间用来保持钢制炉筒温度维持在110℃以上，防止产生冷凝酸腐蚀。

3 副产蒸汽氯化氢合成炉系统工艺流程

副产蒸汽氯化氢合成炉系统从物料上分为3部分流程，即氯化氢合成及冷却流程、副产蒸汽流程和循环冷却水流程。

（1）氯化氢合成及冷却流程。原料氯气、氢气从炉底进入，在石英制的燃烧器内混合反应燃烧，反应后的高温氯化氢气体向上经过蒸汽发生段和氯化氢冷却段至45℃以下后输出。

（2）副产蒸汽流程。软水经过高压水泵加压进入汽包，通过管道（汽包与蒸汽发生段有一定的液位差）进入预热器，再通过下部环形集水箱进入水冷壁炉筒钢管内，吸收氯化氢气体的反应热后上升，通过上部环形集水箱汇集进入汽包，部分水汽化成蒸汽产出，部分水与补充软水一道循环回流。

（3）循环水流程。循环水进入下部燃烧段的夹套内（用于冷却石墨内筒，防止其过热），再通过连接工艺管进入上部的氯化氢冷却段内（用于冷却氯化氢气体），经出口输出。

4 自动控制系统

自动化控制方面，针对该合成炉的结构特点，配备了可靠的远程自动点火、过程自动控制及安全的连锁保护系统，实现了从点火开车、过程控制到停车的全过程的DCS操作，提高了装置的自动化控制水平及本质安全。控制系统由以下5部分组成。

4.1 自动点火系统

自动点火系统自动点火系统包括点火程控柜、高压发生装置、点火枪燃烧器、燃气控制装置、助燃气控制装置及其他监测装置，并配合系统安全连锁装置。在工艺允许点火条件满足的前提下启动点火程序，装置自动进行以下操作：首先是进行系统置换，然后通过点火专用的氢气、压缩空气点燃小火，最后引燃石墨炉主灯头。此后操作人员可以根据生产负荷的需要逐步提升负荷，既安全又便捷。

4.2 自动联锁保护系统

该装置设有氢气压力低、氯气压力低、冷却水流量低、汽包压力、汽包液位、氢气流量与氯气流量比值、火焰在线监测、防爆膜在线监测及VCM合成系统紧急停车等9个联锁保护，当任何一个联锁条件满足时，系统立即自动执行停车保护程序，并进行自动充氮保护，同时还设置了DCS及现场紧急停车按扭，以备特殊情况下使用，确保装置的安全。另外，企业还可根据自己的需求，安装在线游离氯检测仪，用于检测氯化氢气体中游离氯含量是否过高来进行相应的调整和联锁。

4.3 氢气、氯气自动配比控制

根据生产控制中HCl的纯度分析来设定氢气、氯气适合的比值，该系统可以通过精确的氢气、氯气流量测量与调节实现氢气与氯气的自动配比控制。可以根据生产氯化氢的纯度分析来设定氯气、氢气的比值。生产中氢气、氯气的纯度发生较大的变动时，则要及时分析氯化氢纯度来修正氢气与氯气的比值实现两者的自动控制。若有条件也可通过对出口氯化氢中游离氯的检测来控制调节氢气与氯气的比值。

4.4 汽包部分的自动控制

蒸汽分离的控制包括汽包液位的自动控制和蒸汽压力自动控制。即通过调节进软水调节阀的开度来控制汽包液位，对出口蒸汽阀的调节来控制产出蒸汽的压力。另外，为保护合成炉产蒸汽设备的安全，做了汽包液位低的联锁保护以及对蒸汽压力高后的排放泄压。

5 副产蒸汽氯化氢合成炉优点

5.1 蒸汽压力高，产汽量大

由于副产中压蒸汽氯化氢合成炉的产汽承压段采用直径为Ø57×4钢管做水冷壁炉筒，其承压能力也大大提高，同时，产汽承压段的长度可达9 m，使热能得到充分利用，从而使氯化氢合成的热能利用率提高到70%，每生产1 t氯化氢可产0.8 MPa蒸汽0.60～0.70 t。而石墨炉存在着产汽压力和产汽量的矛盾，即要想产汽压力高，则炉筒壁厚增加，产汽量大大减少。石墨合成炉蒸汽压力为0.2 MPa时，产蒸汽量为0.20～0.25 t。以产150 t/d氯化氢合成炉为例计算，低压蒸汽炉产蒸汽量为30t/a（压力为0.2MPa）。而中压蒸汽合成炉产蒸汽量为90t/d（压力为0.8 MPa计），若以0.2 MPa的压力下的热焓做一换算，则中压蒸汽的产量97 t。则产汽量是低压蒸汽石墨炉的3.2倍。蒸汽单价以100.00元/t计，年开车330天，年创效益约303万元。而低压蒸汽石墨炉年创效益为99万元，则产生的经济效益相差近二百多万元。

5.2 设备维修量小，维修周期长

由于HCl气体从石墨冷却段底部的中心喇叭口状的石墨汇集腔内进入石墨换热块内腔，被石墨壁冷却后从顶部向四周分散进入石墨换热块的换热孔，与循环冷却水热交换冷却后从底部石墨汇集腔内汇集后从侧面出口进入HCl管道送出。石墨冷却段的设计结构巧妙，通过采用中心腔的结构，避免了高温HCl气体直接冲击石墨换热块。这也是避免HCl冷却段最下端石墨块因长时间直接接触高温气体而裂缝渗漏，带来维修量的增加。

同时由于蒸汽发生段获取的热量多，氯化氢气体到达蒸汽发生段顶部的温度也相对降低，冷却段的热量相对减少，避免冷却段下部石墨的换热块局部过热而爆裂导致停产。这样蒸汽发生段和冷却段都能保持长时间稳定的运行，企业可以按正常的检修计划作业，避免了非正常的停车检修，节省了大量的检修费用和非正常停车所造成的损失。

5.3 完善的自动化控制

在合成炉装置控制系统采用自动点火装置、自动联锁保护系统、氢气、氯气自动配比控制和汽包部分的自动控制，从而最大限度地保证氯化氢产品的质量，使生产装置安全运行。基本可以做到无人值守，大大减轻工人的劳动强度；避免了操作人员因误操作对氯化氢合成造成的危害；通过仪表及调节阀的精准计量及控制，能确保氢气与氯气的配比。克服了以往通过人工控制氯氢流量，观察火焰颜色可能造成的控制和观察失误，提高了整个生产系统的安全性。本系统中所使用的仪表、控制阀门及DCS控制系统，都要具有高测量精度、高灵敏度和高可靠性能。

6 经济效益评价

（1）热能利用率高。每合成1t氯化氢气体可副产低压或中压蒸汽0．60～0．70 t；以日产150 t氯化氢为例，氯化氢合成系统装置满负荷生产时日产蒸汽约91 t，蒸汽单价以100.00元/t计，年开车330天，年创效益303万元。

（2）由于氯化氢合成放热大部分用来发生蒸汽，与常规炉型相比，循环冷却水用量大幅减少。以150 t/d氯化氢合成炉来计算，每小时产出的热量为3.78×106（kcal），这部分热量70%左右以副产蒸汽的形式带走，若以循环冷却水的方式移热，则需消耗428 t/h的冷却水量（循环冷却水温升按6℃计），按一般循环水装置配置需约75 kW动力电，电价按0.5元/kW·h计，每年可节约动力电费用约三十万元。

（3）氯化氢合成系统副产的中、低压蒸汽可直接并入中、低压蒸汽管网，而副产0.20~0.30 MPa蒸汽的合成炉，需要建立单独的蒸汽用户网。该方案可以节省建立单独蒸汽管网的投资。

（4）本统炉筒列管与汽包之间的软水流动采用的是热水自循环方式，不需要消耗动力。单套合成炉正常运行时仅需一台7.5 kW软水补充泵的动力消耗，与软水强制循环的炉型单套需要15 kW的热水循环泵相比，每年节约的动力电费用约4万元。目前国内大多数副产0.20～0.30MPa，均采用强制循环炉型。

以日产150 t氯化氢为例采用副产中压蒸汽合成炉与普通炉相比每年可创造效益约327万元。新建项目还可以节省循环水的投资。

7 结语

副产中压蒸汽合成炉不仅解决了水夹套合成炉循环水负荷量大的问题，也克服了副产低压蒸汽炉产汽压力低、热能利用率低的问题，节能效果明显，设备运行稳定，检修周期长，企业经济效益显著，符合国家发展产业政策。在能源日趋紧张的形势下，推广使用中压蒸汽合成炉对于节能减排、提高企业竞争力和建设友好型社会具有十分重要的现实意义，值得在氯碱PVC行业大力推广。

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