液氯氣化節能工藝的優化

王利，吳建楊

（南通江山農藥化工股份有限公司，江蘇南通226006）

液氯氣化節能工藝的優化

王利，吳建楊

（南通江山農藥化工股份有限公司，江蘇南通226006）

介紹了氯氣氣化節能裝置及其優化方案，并對優化前后的節能效果進行了分析。

氯氣；液氯；節能；氣化

在氯堿生產中，氯氣液化消耗冷量，液氯氣化需要熱量，將這2個過程結合起來使能量充分利用，將達到節能降耗目的。南通江山農藥化工股份有限公司結合技術改造，對液氯氣化節能工藝進行了探索。

用溫度比液氯高的原氯做為熱源，與液氯進行熱交換，得到由液氯氣化的氯氣，同時降低原氯溫度，其中一部分達到液化溫度變成液氯。這一過程可以通過氯氣節能器實現。

1 國內在氯氣液化、氣化節能方面的現狀

（1）利用原化工部組織編寫的《氯堿生產技術》一書介紹的液氯熱交換器，制造相應的液氯可節約能量40%，其優點是單位面積氣化量大，缺點是流程比較復雜，為濕式氣化，存在三氯化氮積聚風險，需要定期排污，損耗一定量的液氯，且排污過程易發安全事故，流程示意見圖1。

國內氯堿企業有將低壓氯氣液化所釋放出的熱量通過制冷介質氟利昂提供給液氯氣化使用，有效地改善了能源利用狀況。

2 改造前液化及氣化工藝現狀及能耗分析

2.1 工藝流程概況

圖1 外加熱式帶氣化室的液氯氣化工藝簡圖

該公司16萬t/a離子膜燒堿二期工程于2008年12月投入運行，液氯產量12.6萬t/a（15.75 t/h，按8 000 h計算）。經壓縮后0.45MPa左右的氯氣用液化器和溴化鋰機組6℃的冷凍水進行熱交換，液氯進液氯貯槽，尾氣去合成鹽酸。因下游產品三氯化磷生產工藝要求高純度氯氣，必須通過液氯氣化才能達到要求，采用熱水加熱干式氣化工藝路線，氣化量為6 t/h，氣化工藝流程圖見圖2。

2.2 能耗分析

原氯液化及三氯化磷所需液氯氣化總能耗為：

圖2 液化及熱水氣化工藝流程簡圖

式中：Q1為原氯液化所需冷量；Q2表示液氯氣化所需熱量；P表示制冷所需電耗；Q11為氯氣液化顯熱；Q12表示氯氣液化潛熱；Q13表示液氯過冷所需冷量；Q21為液氯氣化顯熱；Q22表示液氯氣化潛熱；Q23表示氣氯過熱所需熱量。

（1）氯氣液化顯熱計算（以下均以每小時計算）

氯氣壓縮后運行壓力約0.45MPa，溫度30℃左右，氯氣純度99%，對應的比熱容約為0.46kJ/（kg·℃），液化溫度約13.4℃。

Q11=0.46×15.75×1 000×（30-13.4）=12.03（萬kJ）

（2）氯氣液化潛熱

對照上述條件，潛熱為260.40 kJ

Q12=15.75×1 000×260=409.50（萬kJ）

（3）液氯過冷所需冷量

此時液氯的比熱約為0.92 kJ/（kg·℃），液氯和冷凍水溫差按照4℃考慮。

Q13=0.92×15.75×1 000×（13.4-10）=4.93（萬kJ）

所以Q1=Q11+Q12+Q13=426.45（萬kJ）

（4）液氯汽化顯熱

三氯化磷需要的氯氣送出壓力為0.12MPa左右，正常用量約6 t/h，對應的氣化溫度為-15℃，液氯氣化潛熱為277 kJ/kg。

Q21=0.22×6×1 000×[10-（-15）]=3.3（萬kJ）

（5）液氯氣化潛熱

Q22=6×1 000×277=166.20（萬kJ）

（6）氣氯過熱所需熱量

氣化器運行循環熱水溫度40℃左右，出口氯氣和熱水的溫差按照10℃考慮，對應的氯氣比熱容約為0.46 kJ/（kg·℃）：

Q23=0.46×6×1 000×[30-（-15）]=12.42（萬kJ）

所以Q2=Q21+Q22+Q23=181.92（萬kJ）

（7）制冷所需電耗

根據原氯液化所需理論冷量426萬kJ，考慮冷損及氯處理等工序用冷負荷，溴化鋰制冷機組（制冷量627萬kJ，6℃上水）需2臺同時運行，溴化鋰溶液泵2×（0.75+1.5）kW，冷凍水需2×55 kW+1×132 kW的循環泵運行，循環水流量約1 000m3/h，對應的循環水泵約為220 kW，2臺機組運行負荷按照80%考慮。

P=[2×（0.75+1.5）+2×55+1×132+220]×80%= 373.2（kW·h），折134.16（萬kJ）

所以總能耗為Q=Q1+Q2+P=742.53（萬kJ）

3 改造后工藝流程及能耗分析

3.1 工藝流程概況

來自液氯儲槽的液氯在壓差的作用下，通過調節閥后進入1#、2#液氯節能器、過熱器的管程與來自氯氣壓縮的氯氣逆向換熱，氣化后壓力約0.12MPa的氯氣進入氯氣緩沖罐，送三氯化磷使用，氯氣、液氯進入氣液分離器后，液氯進液氯儲槽，未液化的氣氯進液化器進一步液化后進液氯儲槽。原有的液氯熱水氣化裝置繼續使用，作為節能器的補充。正常生產運行時，節能器負荷約4 t/h，熱水氣化器負荷約2 t/h。氯氣節能器工藝流程圖見圖3。

3.2 能耗分析

圖3 氯氣節能器工藝流程簡圖

在氯氣節能器投入運行后，液氯和氣氯充分進行熱交換，特別是液氯減壓所釋放出的冷量和相變潛熱得到了充分利用，熱水氣化器負荷減至2 t/h，有4 t/h左右的氯氣在節能器液化，減少了溴化鋰制冷機組的負荷，因此總能耗同比節約。

（1）氯氣液化所需冷量

因節能器投用，氯氣液化所需冷量降低，1臺溴化鋰機組能夠滿足生產要求，根據氯堿線用冷凍水流量需要，需1×55 kW+1×132 kW冷凍水泵運行，機組循環水量減少500m3/h，機組運行負荷按照80%考慮。

所以改造后總能耗為：Q=Q1+Q2+P=117.0（萬kJ）

3.3 運行后存在的問題

節能裝置投運后，運行比較穩定，也起到了很好的節能效果，但是也發現如下問題。

（1）2#節能器底部封頭結霜

在節能器逐步提升產量，超過4 t/h后發現了此現象，這說明2#節能器底部氯氣過冷或者存有液氯，進行排污操作時確認積存液氯。試車時恰逢冬天，環境溫度較低，因為沒有足夠的熱量，一旦存有液氯，就很難氣化。這樣就存在三氯化氮積聚，并有達到濃度后爆炸的隱患。當時生產上采取了增加排污頻次，并在2#節能器底部封頭用蒸汽伴熱管加熱等措施，暫時緩解了這一問題。

出現此問題的根本原因是2#節能器傳熱推動力不足，液氯在1#節能器經過減壓后，釋放出大量的冷量，并能在列管成膜，得到殼程熱量氣化并釋放潛熱，使殼程氯氣降溫并有部分液化，因此熱交換在1#節能器循環高效進行，少量未氣化的液氯進入2#節能器后不能有效成膜，無論是殼程氯氣還是管程液氯都很難有相變產生，因此液氯在底部封頭積聚。

（2）進節能器液氯量受限

由于上述問題的存在，進入節能器的液氯量受到限制，不能超過4 t/h，1#節能器的換熱面積得不到充分利用，仍有2 t/h的液氯需要用熱水氣化，也無法使殼程氯氣進一步降溫液化。

4 節能裝置的優化及能耗分析

4.1 節能裝置的優化

為了徹底解決節能裝置存在的問題，結合現場情況討論，決定對原節能氣化裝置和熱水氣化裝置進行整合，取消2#節能器，所有的液氯進入1#節能器，使液氯和氯氣充分進行熱交換，將少量沒有氣化的液氯利用位差進入熱水氣化裝置全部氣化，2套氣化裝置的氯氣并入總管供三氯化磷使用。優化后工藝流程見圖4。

該流程的優點：（1）氣化系統不存在三氯化氮積聚問題，消除三氯化氮爆炸風險；（2）所有三氯化磷用的液氯可全部進入1#節能器，換熱面積得到充分利用，減少液化用冷量；（3）所有液氯通過壓力調節閥控制，供氯壓力穩定。

4.2 能耗分析

（1）氯氣液化所需冷量。

（2）液氯氣化所需熱量。因1#節能器設計的換熱面積足以保證6 t/h的液氯氣化量，因此正常運行時，熱水氣化站僅起到把關作用，把極少量液氯氣化并過熱，所需熱量基本可以忽略不計。這一點從實際生產運行情況已經得到驗證。

（3）制冷所需電耗。因節能器效果得到充分利用，氯氣液化所需冷量進一步降低，減少1臺液化器，機組運行負荷按照60%考慮：

所以優化后總能耗為Q=Q1+Q2+P=362.85（萬kJ）

5 節能效果分析及探討

5.1 3種工藝能耗及技術指標對比

根據上述流程對比及能耗分析，結合生產實際運行情況，整理數據見表1。

圖4 節能裝置優化后工藝流程簡圖

表1 工藝改造前后能耗對比

5.2 安全可靠性分析

在原有液氯熱交換器模型的基礎上，結合公司生產實際，實施節能裝置改造，實現干式氣化，并通過改造消除三氯化氮積聚問題，減少液化器運行臺數，提高了裝置本質安全度。

5.3 經濟效益分析

（1）從表1能耗對比可以看出，采用氯氣節能裝置，能耗是原工藝路線的64%，經優化后，能耗進一步降低，僅為原工藝的48%。

根據生產實際運行數據計算，裝置優化后同比節約情況如下。

（1）溴化鋰機組蒸汽節約：（2.5-1.1）×8 000 h× 100.0=1 120 000（元/a）；

（2）減少冷凍水泵運行臺數節約：（242-187）× 8 000 h×0.5=220 000（元/a）；

（3）熱水氣化裝置節約蒸汽：（1.1-0.0）×8 000× 100.0=880 000（元/a）；

（4）減少循環水泵運行臺數節約：（4-3）×220× 8 000 h×0.5=880 000（元/a）；

（5）合計節約310萬元/a。

6 結論

在實行節能汽化裝置技術改造后，氯氣生產成本得到明顯降低，解決了三氯化氮積聚問題，經濟效益和安全效益明顯提高，并且隨著下游產品三氯化磷用氯量的增加，節能氣化裝置將發揮更大的作用。

[1]氯堿生產技術（上冊）[M]，化工部化工司，1985：360-361.

[2]王世榮等，淺談氯氣液化系統技改運行情況[J]，中國氯堿，1999（1）：27-28.

[3]王武等，高純氯氣生產過程中能量的循環利用[J]，中國氯堿，2009（8）：29-30.

[4]氯堿工業理化常數手冊[M]，北京，化學工業出版社，1989：337-343.

Optim ization ofgasification of chlorinegas

WANG Li,WU Jian-yang
(Nantong Jiangshan Agrochemical&ChemicalsCo.,Ltd.,Nantong,226006.China)

The energy-saving device of chlorine gasification and its optimization program was introduced, and the energy savingefficiency beforeand afteroptimizationwasanalyzed.

chlorine gas;liquid chlorine;energy-saving;gasification

book=24,ebook=245

TQ083+.4

B

1009－1785(2010)11－0024-04

2010-04-14