HF反應轉爐高溫煙道氣與精餾、脫氣塔余熱利用實踐

繆明基

（江蘇梅蘭化工有限公司，江蘇泰州225300）

江蘇梅蘭化工有限公司通過技術改造，在HF反應轉爐高溫煙道氣余熱利用上取得了成功，在提高產品競爭力的同時，實現了節能減排[1]。

公司共有HF生產裝置三套，每套產能為1.5萬噸/年，使用氫氣燃燒方式對反應轉爐進行供熱，產生的煙道氣溫度高達450℃，長期以來通過煙囪高空排放，熱量一直沒有得到充分利用。生產裝置精餾塔和脫氣塔再沸器所需熱量由蒸汽供給，每噸產品需消耗蒸汽1.0噸，不僅增加了生產成本，同時因蒸汽溫度過高，精餾操作控制不穩定，再沸器因溫差較大設備而經常損壞。將轉爐煙道氣的余熱加以利用，進行節能改造是國內同行近年來積極研究的課題，梅蘭化工的工程技術人員對此也進行了深入研究，并實施了技術改造，形成了高溫煙氣與精餾、脫氣熱聯合工藝。

1 工藝路線

1.1 設計思路

技術人員借鑒類似產品的精餾加熱方式，將HF裝置中精餾塔、脫氣塔再沸器供熱方式進行改造，由蒸汽改為循環熱水，循環熱水需要的熱量一部分由反應轉爐煙道氣來提供，如不足則再由蒸汽進行補加。此技術方案的優點：（1）充分利用煙道氣余熱，節能減排，降低成本[2]；（2）精餾操作溫度波動較小，生產控制穩定；（3）再沸器溫差小，不易損壞，延長了設備壽命。

1.2 工藝流程

圖1 煙道氣與精餾、脫氣塔熱聯合

煙道氣余熱利用的流程敘述較為簡單，熱水槽的熱水通過泵循環輸送至再沸器進行加熱，流出再沸器的熱水經翅片換熱器與煙道氣進行熱交換。帶控制點工藝流程（PID）如圖2。

2 工藝設計

2.1 工程設計

該工藝流程中換熱的關鍵設備為翅片換熱器，選型時主要考慮以下幾點：

（1）傳熱效率高，由于翅片對流體的擾動使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱系數；同時由于隔板、翅片很薄，具有高導熱性，所以使得板翅式換熱器可以達到很高的效率。

（2）緊湊，由于板翅式換熱器具有擴展的二次表面，使得它的比表面積可達到1000m2/m3。

（3）輕巧，原因為緊湊且多為鋁合金制造，目前鋼制、銅制、復合材料等的也已經批量生產。

（4）適應性強，板翅式換熱器可適用于氣－氣、氣－液、液－液、各種流體之間的換熱以及發生集態變化的相變換熱。通過流道的布置和組合能夠適應逆流、錯流、多股流、多程流等不同的換熱工況。通過單元間串聯、并聯、串并聯的組合可以滿足大型設備的換熱需要。工業上可以定型、批量生產以降低成本，通過積木式組合擴大互換性。

（5）制造工藝要求嚴格，工藝過程復雜。

（6）容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修很困難，故只能用于換熱介質干凈、無腐蝕、不易結垢、不易沉積、不易堵塞的場合。

(2)混凝土底板對組合梁的變形具有一定的抑制作用，但溫度應力在某些部位仍然較大，所以應當重視組合箱梁溫度效應對結構安全的影響。

2.2 工藝控制設計與操作

通過對HF余熱利用流程進行工藝安全（PHA）分析，在煙道氣余熱利用實施后，生產過程中可能會出現以下問題，所以在進行工藝設計時，必須針對這些問題，提出相應的解決方法。

（1）若煙道氣熱量不能滿足HF生產所需。在工藝設計時，熱水槽內留有蒸汽加熱，當煙道氣的熱量不足時，蒸汽調節閥自動打開，通入蒸汽，控制熱水的溫度為一恒定值。

（2）若出現精餾塔或脫氣塔再沸器損壞。為防止再沸器損壞后HF進入熱水循環系統，熱水循環系統設置PH在線分析儀，一旦再沸器的回水管路PH值異常，精餾系統立即聯鎖緊急停車，熱水調節閥自動關閉，泵停止運轉。

（3）若煙道氣系統阻力變大。降低煙道氣溫度的同時還需注意系統的阻力，若阻力過大，則煙道氣不能正常排出煙囪，會產生安全隱患。經過計算采用較大換熱面積的翅片換熱器進行熱交換，可以滿足煙道氣的順利排放，同時翅片換熱器具有阻力小，體積緊湊，換熱效果好的優點[4]。

3 實施效果

工藝熱值理論計算[3]。為確保高溫煙道氣熱能利用的技術性和可行性，需對各相關參數進行研究，對煙道氣的組成進行分析，對煙道氣的量和可回收利用的熱量進行精心計算。

3.1 煙道氣組成

HF反應轉爐夾套出口的煙道氣是由氫氣燃燒后產生的過熱水蒸氣、氮氣和少量氧氣組成。按每小時進燃燒室H2量900Nm3、空氣量2700 Nm3計算，燃燒后生成的煙道氣組成及每小時重量：N2量2852Kg、水蒸汽量723Kg。爐尾夾套出風溫度為400℃～450℃。反應方程式：H2+1/2O2+N2＝H2O↑+N2↑+Q

3.2 可回收熱量計算

A） 煙道氣中水蒸氣從450℃降至100℃釋放的 熱 量 ： Q1=723Kg×0.48Kcal/Kg·℃ ×350℃ =121464Kcal。

B） 100℃水蒸氣冷凝成100℃水釋放的熱量（相變熱）：Q2=723Kg×0.7×539Kcal/Kg=272788Kcal（水蒸氣按冷凝量70%計算）。

C） 100℃水降溫至成90℃釋放的熱量：Q3=723Kg×1Kcal/Kg·℃×10℃=7230Kcal。

D） 煙道氣中氮氣從450℃降至90℃釋放的熱量：Q4=2852Kg×0.27Kcal/Kg·℃×360℃=277214Kcal。

可利用總熱量：Q=Q1+Q2+Q3+Q4=121464Kcal+272788Kcal+7230Kcal+277214Kcal=678696Kcal

3.3 生產所需熱量計算

HF的蒸發潛熱為53Kcal/Kg，按每小時生產2噸產品，精餾塔回流比為2計算。

精餾塔所需熱量：QA=4000Kg×53Kcal/Kg=212000Kcal

脫氣塔所需熱量：QB=2000Kg×53Kcal/Kg=106000Kcal

生產所需熱量：QN=QA+QB=212000Kcal+106000Kcal=318000Kcal

通過理論計算，可以看出煙道氣可回收利用的熱量為678696Kcal，生產所需熱量為318000Kcal，煙道氣可用熱量完全能夠滿足生產所需，從而實現節能減排、成本抑減的目標。

HF轉爐高溫煙道氣余熱工藝，不產生廢氣、廢水、廢渣，無污染問題，同時也使精餾塔和脫氣塔工況穩定，產品質量得到提高。工程技術人員對三套裝置進行余熱利用改造后，余熱利用系統運行平穩，節能顯著。余熱利用系統呈現出以下優點：

（1）節能減排，成本抑減。改造前每噸HF耗蒸汽1噸，改造后完全不需使用蒸汽，即每噸產品可節約1噸蒸汽，節能效果非常顯著。三套裝置產能共4.5萬噸/年，按每噸蒸汽200元計算，全年可節約蒸汽900萬元。

（2）工藝控制穩定[4]。用熱水循環來取代蒸汽，因熱水比蒸汽的溫差小，波動影響小，工藝指標易控制，大大提高了HF裝置精餾操作的穩定性，產品質量得到大幅提升，合格率從50%左右提升至95%以上。

（3）延長了再沸器的使用壽命。蒸汽因溫度過高，與工藝介質比溫差太大，再沸器易損壞，工廠2～3個月就需更換再沸器，用熱水取代蒸汽加熱后，再沸器的使用壽命從三個月延長到兩年，不但大大減少了再沸器的更換檢修費用（每更換、檢修一次再沸器需5萬元左右），又維持了生產裝置的長周期平穩運行。

4 結論

HF轉爐高溫煙道氣余熱利用的成功改造實施，節能效果非常顯著，同時使得精餾操作控制更加平穩，大幅延長了再沸器的使用壽命，顯著增加了企業的經濟效益，提高了產品的競爭力。

[1]莊貴陽.節能減排與中國經濟的低碳發展[J].氣候變化研究進展，2008，4（5）：303-305.

[2]盧聰景.工業企業節能減排問題研究[D].廈門:廈門大學，2008.

[3]管國鋒,趙汝溥.化工原理[M].北京:化工工業出版社，2003.

[4]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊[M].北京：化工工業出版社，2003.