氯堿裝置副產氫氣在冀衡化肥公司的回收利用

孫鳳徐

［河北冀衡（集團）化肥有限公司，河北 衡水 053400］

0 引 言

河北冀衡集團有限公司循環經濟工業園（以下簡稱冀衡循環經濟園），是2005年10月由國家發改委、環保總局等七部委批準，列入全國第一批循環經濟試點單位，現已形成以冀衡化學公司消毒劑為核心的鹽化工主線和以氰尿酸為核心的煤化工主線，及廢棄物綜合利用配套系統，實現了上下游產品相互利用、副產品綜合利用、廢棄物綜合利用，產品資源循環化、產品物流管道化、能源消耗最低化。目前，冀衡循環經濟園內主要有生產鹽化工產品（消毒劑、燒堿、氯氣、氫氣、氰尿酸等）的冀衡化學公司，生產煤化工產品（液氨、甲醇、尿素）的冀衡化肥公司；生產硫酸、苯胺、復合肥產品的冀衡藍天公司等化工企業；以及在建的化學公司加氫化工項目，在建的冀衡威武公司用氫氣、氯氣化工項目，在建的冀衡藥業公司加氫制藥項目。

氫氣是氯堿電解生產出的一種副產品，冀衡化學公司以前的老生產區隔膜法燒堿裝置產出氫氣除合成鹽酸外，大部分氫氣被排放了，2005年建設冀衡循環經濟園后，化學公司離子膜法燒堿裝置產出的氫氣得到了有效的利用，2011年前用它來合成鹽酸、壓縮氫氣裝瓶后運到冀衡藥業制藥和輸送到就近的藍天公司生產苯胺，氫氣基本上全部得到利用。2011年化學公司新擴建的150kt／a離子膜法燒堿裝置投產后，燒堿產能達300kt／a，氫氣除滿足以上幾種用途外，尚有超過4 000m3／h的氫氣排空，每天造成7萬多元的經濟損失。為此，集團公司要求把這部分剩余氫氣輸送到冀衡化肥公司生產合成氨。電解產生的氫氣純度為98.5%，還有1.5%的其他氣體（水蒸氣、O2、N2等），而合成氨的原料氣為半水煤氣，其主要成分為CO27.5%、O20.4%、CO 30%、H242.6%、N217.4%、CH42.1%；經查找有關資料，用氯堿裝置電解副產的氫氣生產合成氨是完全可行的。但是，由于電解產生的氫氣含有飽和水蒸氣，并夾帶少量其他雜質，在輸送過程中會因溫度降低而出現冷凝水，特別是冬季氣溫達零度以下時，若管道保溫不好和排水不及時，極易造成冷凝水結冰而堵塞管道；氫氣屬于易燃易爆氣體，其防火、防雷、防靜電等級要求特別高；而且，化學公司氫氣分配站到化肥公司氣柜有1 300多米，如此長距離輸送氫氣，安全方面有一定的難度。為了實現安全輸送氫氣，我們查閱了大量關于氫氣輸送的資料，采取了一系列措施，成功將其引入合成氨裝置回收利用，現簡介如下。

1 氫氣輸送方案

1.1 管道路線

將化學公司氫處理崗位的氫氣分配臺作為起點，沿氯堿裝置南北大管廊再向東1 300多米到化肥公司10 000m3半水煤氣大氣柜。為減少投資，管道盡量走原有管道管廊支架，并用部分較好的舊管道做支架；氫氣管道與熱載體管道要離開300mm的距離。

1.2 輸送壓力、阻力分析

輸送管道擬選用400mm的管徑；化學公司離子膜電解槽氫氣壓力為45kPa，氫氣出來經鹽水預熱器—噴淋塔—水霧捕集器進入氫氣分配臺，壓力降為19kPa，系統壓力比較穩定；化肥公司氣柜的最高控制壓力是3.92～4.12kPa（400～420mmH2O）；氫氣的管道輸送阻力很小（DN400的管道，阻力小于1kPa），因此，不用加壓設備便可輸送到化肥公司半水煤氣氣柜。

1.3 流速的確定

化學公司離子膜燒堿裝置生產氫氣的總量按9 000m3／h，合成鹽酸和壓縮氫氣用1 000m3／h、藍天公司苯胺用4 000m3／h，剩下4 000m3／h輸送到化肥公司10 000m3氣柜。其流速選擇根據《氫氣站設計規范》（GB50177—2005—12）的規定：碳素鋼管，設計壓力在0.1～3.0MPa時，氫氣的最大流速為15m／s；我們的輸送壓力為19kPa（0.019MPa）以下，最大流速應取15m／s以下。

1.4 管徑的確定

若氫氣的流速按U＝15m／s計算，化學公司輸送到化肥公司氫氣量Q≈4 000m3／h＝1.11 m3／s，由公式Q＝3.14×R2×U，計算出輸送管道直徑D＝0.308m。所以，氫氣管道直徑最小應選φ325×8mm；為了保證安全，選用φ426×10mm的無縫鋼管。

再驗算一下流速，U＝Q／（3.14×R2）＝8.6 m／s，在氫氣的安全流速范圍內；φ426×10mm的管道，氫氣最大安全流量為Q＝3.14×R2×U×3 600＝6 987m3／h。

2 安全措施

2.1 入氣柜前安全水封

入氣柜前的水封直徑為1.2m、高2.0m，進出口管道通徑為426×10mm，水封高度為500mm。當氯堿生產系統停電、緊急停車時，氫氣突然消失，此處氫氣水封內的水會在氣柜的壓力下進入水封進口氫氣管道，與水封內的水面高度差達420mm時，管道內的水不再上升，而氣柜內的最高壓力為4 120Pa（420mmH2O），保證了氣柜內的半水煤氣不進入氫氣管道。同時，氯堿調度用對講機馬上通知化肥調度采取應急生產措施，并且化肥公司氣柜水封槽自動補水保證水封水位高度，防止半水煤氣倒入氫氣管道引起事故，確保氯堿生產系統的安全。

2.2 半水煤氣氣柜自動放空

半水煤氣氣柜有效容積為10 000m3。其進口設有自動放空裝置，當氣柜壓力達到4 120Pa（420mmH2O）時，氣動放空閥自動打開，實現半水煤氣的自動放空，確保氣柜壓力穩定在3 920～4 120Pa，從而確保輸送管道內氫氣壓力的穩定，保證氣柜內的氣體不進入氫氣管道，確保氯堿生產系統的安全。

2.3 氫氣分配臺安全水封

安全水封設在化學公司氫氣分配臺輸送的起點，安全水封直徑為2.0m、高3.0m，進出口管通徑為400mm，水封有效高度為2 200mm。如遇化肥生產突然停電或合成氨生產系統緊急停車時，致使突然停止使用氫氣，氫氣輸送管道內壓力將急劇升高，壓力達21560Pa（2200mmH2O）以上時，氫氣將沖破安全水封自動放空；出現突然停車時，化肥調度要立即用對講機通知化學調度落實切斷氫氣閥門，確保氯堿系統壓力的穩定。

2.4 防火、防靜電、防雷

氫氣輸送管道水平距離15m內禁止動火，并有禁火標識。防靜電措施，我們沿氫氣管道每隔25m處，用40×4mm的扁鐵做接地線接地，其電阻小于6Ω，直接焊接在管道上，把靜電導入地下；有閥門法蘭處用6mm2銅線把兩個法蘭接通，防止靜電積存；維修工具和開關閥門的扳手必須是銅工具。防雷措施，在已有避雷針防護不能覆蓋的區域，增設避雷針。

2.5 管道防堵塞防凍

氫氣管道用較好的80mm厚巖棉保溫，外皮用3布4油玻璃鋼糊皮保護。從化學公司氫氣分配臺到化肥公司10 000m3氣柜之間的氫氣輸送管路上，增設多個氫氣冷凝水導淋裝置，每隔30～50m設排水導淋插入安全水封中，閥門小開隨時排水，以防管路積水影響生產；在氫氣管道的各個龍門高點上設置氫氣放空閥，并裝有阻火器，以利于開停車及檢修時置換氫氣。

2.6 閥 門

大部分閥門采用襯膠蝶閥，防止閥芯和閥體因摩擦而產生靜電。

此外，為了保證安全穩定運行，在氫氣成功輸送后，我們制定了 《冀衡園區氫氣生產使用安全操作規程》，并對相關崗位人員進行嚴格的培訓，以保證化學公司氯堿系統和化肥公司合成氨系統的安全穩定運行。2011年10月22日投用至今，氫氣輸送管道均運行正常。

3 效益分析

整個氫氣輸送系統的管道、支架、土建、保溫、閥門、排水裝置等共投資80多萬元。氫氣的輸送量按4 000m3／h，化肥裝置運行330d／a計，則可回收化學公司排放的氫氣4 000×24×330＝31 680 000m3／a，大大減少了環境污染，可為化學公司創造效益950萬元／a。

此項目完成后，化學公司為化肥公司提供濃度為98.5%的氫氣4 000m3／h，氫氣平均價格0.55元／m3（不含稅價格為0.47元／m3）；化肥公司用煤氣化制氫氣的成本為0.52元／m3，則購買化學公司的氫氣可節省（0.52－0.47）×4 000×24×330＝158.4萬元／a。同時，減少了大量SO2和廢渣的排放。項目正常運行后，一年就可收回投資。

合成氨是由氮氣、氫氣在高溫、高壓、催化劑的作用下合成的，利用空氣中的氮氣為合成氨的原料，有充分的保障；而氫氣是由白煤和蒸汽、空氣在煤氣爐中生產的，主要原材料為白煤，隨著白煤價格的升高，合成氨成本越來越高，節能降耗迫在眉睫。將氯堿裝置排空的氫氣引入合成氨裝置回收利用，符合循環經濟的發展理念，可充分利用有效資源，且其投資少見效快。

4 結束語

冀衡化學公司電解鹽水副產氫氣用在合成氨生產和其他產業中，實現了冀衡循環經濟園內鹽化工和煤化工等產業的優勢互補，上下游產品相互利用、副產品綜合利用、廢棄物綜合利用，產品資源循環化、產品物流管道化、能源消耗最低化，不僅有利于節能減排，而且取得了較大的經濟效益。

［1］周建軍.電解氫氣的長距離輸送 ［J］.中國氯堿，2001，21 （12）：41～42.

［2］周脈友，趙朝興.氫氣在合成氨生產中的應用 ［J］.氯堿工業，2008，44 （2）：29～30.