熱水型石墨合成爐改造

王 磊，彭召臣

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山063305）

唐山三友氯堿有限責任公司（以下簡稱“三友氯堿”）近年來經改擴建已達到燒堿50 萬t/a 的產能，共有熱水式二合一石墨合成爐14 臺，副產蒸汽合成爐6 臺，其中，熱水爐中Φ1200（石墨套內徑）型共9 臺，Φ1 500 型3 臺，另有2 臺Φ700 型鹽酸爐。 由于Φ1 200 熱水式合成爐冷卻器結構及循環水水質的原因， 原冷卻器在使用過程當中常有泄漏情況發生，2013 年對其中3 臺合成爐的冷卻器進行了改造。

1 氯化氫石墨合成爐

氯化氫合成爐是氯堿行業合成氯化氫的主要設備，現主要采用石墨材質作為主反應的設備材質，這基于石墨的耐高溫、易傳熱、化學性質穩定等諸多優點。行業普遍采用的是二合一石墨氯化氫合成爐，下段為燃燒合成段，用于氫氣、氯氣燃燒反應生成氯化氫氣體，上段為冷卻段，將氯化氫氣體使用循環水冷卻至40 ℃以下便于向外輸送。石墨合成爐的下段即氯氣與氫氣的反應段采用純水作為換熱介質，回收反應時產生的部分熱量，副產熱水或蒸汽用于其他物料的加熱，也可用于溴化鋰制冷機組制取冷凍水。冷卻段采用循環水冷卻氯化氫氣體，將生產的高溫氣體降溫冷卻，使其中的大部分水蒸氣冷凝，減少在輸送過程中產生冷凝酸。

2 改造前設備結構及運行情況

2.1 改造前設備運行情況

一期氯化氫合成爐自2005 年6 月運行以來，已經過數次維修，從損壞情況看，絕大多數為冷卻器下氣室破裂造成向爐內漏水。其中，9 臺Φ1 200 型熱水爐由于運行時間較長，經拆卸冷卻器檢查，發現冷卻器下氣室石墨塊處大多已被泥沙堵塞，該石墨換熱塊長期與高溫氯化氫接觸，無法與循環水進行有效的換熱，造成石墨塊干燒損壞泄漏，設備檢修頻繁，造成生產負荷被動，改造前合成爐冷卻器結構見圖1。

2.2 石墨冷卻器損壞原因分析

該公司地處華北地區，水資源緊張，循環水質較差，泥沙多，補水水質難以保證，循環水雖然閉路循環，但在涼水塔處是開放的，由于外界風塵大，會導致空氣中細小的沙塵進入，由于循環水系統沒有沉降池，過濾器等凈化設施，也無法徹底濾除，隨水流帶入冷卻器內，在冷卻器內因流速降低而分離沉降，而設備排污口因結構原因又不能將沉降的泥沙全部排出，日積月累，導致大量泥沙等細小顆粒積存在冷卻器下部。參照圖1，冷卻介質（循環冷卻水）由L 進水口進入，由P 出水口流出，為下進上出，循環水在進入冷卻器后在石墨換熱塊中經外壁折流板折流而上，（這與普通列管換熱器相同），被冷卻介質（氯化氫）從冷卻器下部進入，由上部F 口出，所以冷卻器最底部的石墨塊接觸的是高溫氯化氫氣體，而大量泥沙沉積在此處，造成循環水流通不暢，長期與高溫氯化氫氣體接觸干燒，造成石墨件破裂。

圖1 改造前的冷卻器結構

3 改造方案

3.1 合成段增加換熱塊

在Φ1 200 合成爐燃燒段頂部增加2 石墨換熱塊，總高約800 左右，通過石墨塊進一步冷卻的作用降低進爐頂冷卻器HCl 的溫度，可以大大延長水垢的結垢時間，殼體配套增加，并裝法蘭和現有爐相配。在現有熱水段的頂端對應增加石墨換熱塊孔兩塊和外部鐵套，增加合成爐高度，改造工作不僅施工簡單，而且可以部分提高合成爐運行負荷，如采用截短熱水套則可能造成合成爐負荷受限；改造后好處在于，高溫的氯化氫氣體在進入上部冷卻段時已經被熱水預冷降溫，避免高溫氯化氫氣體在淤堵的冷卻器石墨塊中造成干燒損壞。

3.2 更換新型冷卻器

在Φ1 200 合成爐現有的爐頂重新制作帶逆流冷卻結構的爐頂冷卻器（具體結構見圖2），進一步降低HCl 的溫度。更換新式冷卻器，將循環水與氯化氫氣體冷卻流程改為逆向換熱方式，可節約循環水的使用量，同時避免冷卻器下部石墨塊淤堵干燒，循環水下進上出，氯化氫氣體上進下出，雖然下部石墨塊易淤堵影響換熱，但上部塊孔不易出現淤堵，可以保持換熱效果，使氯化氫氣體溫度在到達下部石墨塊時已冷卻而不會燒壞下部淤堵的石墨塊，定期清理可保使用壽命遠遠超過現有冷卻器的壽命。

圖2 改造后冷卻器結構

4 改造后運行效果

改造完成后，氯化氫出口溫度有了明顯的下降，合成爐的熱水回水溫度升高了大約2 ℃，由此可計算出回收的熱量Q：

Q=CMΔT=4.2×100×1 000×2=840 000（kJ）

降低的氯化氫的溫度ΔT 為：

ΔT=Q/CM=840 000/（0.811×3.3×1 000）=314（℃）

注：進爐熱水流量為100 m3/h；氯化氫產量為3.3 t/h。

由以上數據可看出，增加2 個換熱塊后，增加了循環熱水與高溫氯化氫的接觸面積，使氯化氫進冷卻器時的溫度降低了大約314 ℃；

由于氫氣、氯氣燃燒反應所產生的熱量是一定的，在反應段上部增加了2 個石墨換熱塊后，一部分熱量被熱水吸收，可以減少冷卻器循環水的用量，降低生產成本。

冷卻器的換熱結構由原來的順向換熱變為逆向換熱，從而使氯化氫出冷卻器時接觸的是循環水進水，對氯化氫氣體來說可以降低其溫度，對冷卻器來說，由于氯化氫在冷卻器上部時已經被冷卻到了一定的溫度，到達下部時溫度已經降低，雖然泥沙易沉積在設備底部，但低溫的氯化氫不至于再將設備燒壞，延長了設備的使用壽命。

5 改造費用及效益分析

5.1 改造費用

每臺設備材料報價43.6 萬元；其余安裝等費用3～5 萬元。

5.2 效益分析

（1）回收熱量：高溫氯化氫氣體在熱水段新增換熱塊處預冷降溫，熱量被熱水回收，送至溴化鋰制冷，可節省制冷電耗和蒸汽消耗，每臺爐每年4 萬元左右；

（2）節約循環水：由熱水換熱塊的熱量回收，使冷卻器需要的循環水量減少，按每臺合成爐100 m3/h循環水計算，每年可節約15 萬元（廠家確認此節省循環水流量數據，設備原進水口為DN200，更新后為DN100 管口）；

（3）節省檢維修及備件費用：按現有合成爐，每兩三年進行1 次維修，維修冷卻器平均至少需花費15～20 萬元/臺（包含備件等），而新型冷卻器（二期合成5#合成爐，現運行4 年半，未發現任何問題）按五六年維修清理一次計算花費五六萬元，平均每年每臺可節約檢維修費3 萬元；

（4）安全效益：新結構形式冷卻器，由于不易發生冷卻器燒壞漏水事故，大幅增加了設備穩定運行周期，確保了生產的安全；每臺合成爐改造后，每年效益為22 萬元。

6 結語

從改造后的結果來看，該冷卻器能夠滿足生產需要，不僅降低了氯化氫的出口溫度，還可以回收一部分熱量供溴化鋰機組制取冷凍水使用，降低爐5 ℃水制取時的電消耗，在保證了生產安全的同時，也帶來了一定的經濟效益。