氯氣液化生產(chǎn)中制冷系統(tǒng)的優(yōu)化

吳紅忠，郭 鵬

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）開(kāi)元化工有限責(zé)任公司，河南 焦作 454191）

焦作煤業(yè)（集團(tuán)）開(kāi)元化工有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“開(kāi)元化工”）成立于2009年10月，隸屬于河南能源化工集團(tuán)。已形成20萬(wàn)t/a離子膜燒堿、2萬(wàn)t/a三氯氫硅、3萬(wàn)t/a環(huán)氧氯丙烷、4萬(wàn)t/a環(huán)氧樹(shù)脂生產(chǎn)能力。

一期20萬(wàn)t/a離子膜燒堿裝置于2011年10月正式投產(chǎn)，目前生產(chǎn)穩(wěn)定，形成了產(chǎn)、供、銷(xiāo)一體的運(yùn)營(yíng)模式，是河南能源骨干企業(yè)之一。

開(kāi)元化工通過(guò)利用合成爐副產(chǎn)蒸汽，優(yōu)化氯氣液化制冷系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行情況，在節(jié)能降耗方面取得了較好的效果。

1 氯氣的物化性質(zhì)及用途

氯氣，化學(xué)式為Cl2。常溫常壓下為黃綠色，是具有強(qiáng)烈刺激性氣味的劇毒氣體，具有窒息性，密度比空氣大，可溶于水和堿溶液，易溶于有機(jī)溶劑（如二硫化碳和四氯化碳），易壓縮，可液化為黃綠色的油狀液體，是氯堿工業(yè)的主要產(chǎn)品之一，可用作強(qiáng)氧化劑。

氯氣能與有機(jī)物、無(wú)機(jī)物進(jìn)行取代反應(yīng)或加成反應(yīng)生成多種氯化物。主要用于生產(chǎn)塑料、合成纖維、染料、農(nóng)藥、消毒劑、漂白劑溶劑以及各種氯化物。

氯氣液化單元是燒堿裝置中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)裝置生產(chǎn)起到重要的平衡緩沖作用。

2 氯氣液化生產(chǎn)工藝

氯氣壓力與溫度的平衡關(guān)系[1]見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下液氯的蒸氣壓

氯氣液化的方法主要有3種：高溫高壓法、中溫中壓法和低溫低壓法[2]。

2.1 高溫高壓法

高溫高壓法氯氣液化壓力不小于0.8 MPa，液化溫度約32℃，通常可直接采用冷凍水作為冷卻介質(zhì)。該方法采用了一步壓縮無(wú)冷凍工藝實(shí)現(xiàn)氯氣的液化。優(yōu)點(diǎn)是工藝先進(jìn)、流程簡(jiǎn)單、冷量損耗少、能耗低、經(jīng)濟(jì)效果好。缺點(diǎn)是系統(tǒng)操作壓力較高，對(duì)儀表控制、設(shè)備及工藝管路系統(tǒng)的要求較高。

2.2 中溫中壓法

中溫中壓法氯氣液化壓力控制在0.4 MPa，液化溫度通常控制在0～10℃。中溫中壓法流程與高溫高壓法相似，只是冷凝溫度低，需用專(zhuān)用的制冷機(jī)組液化。目前常用的制冷機(jī)組有螺桿冷水機(jī)組和溴化鋰制冷機(jī)組，該機(jī)組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，安裝方便，占地面積小，易損件少，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，震動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。該工藝裝置操作壓力低，安全、環(huán)保性較高。

2.3 低溫低壓法

低溫低壓法氯氣液化壓力控制在不高于0.20 MPa，液化溫度通常控制在-20℃左右。目前，大部分氯堿企業(yè)采用此工藝，氯氣液化機(jī)組采用與中溫中壓法相同的冷凍機(jī)組。該工藝具有流程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

由于該公司目前使用的是副產(chǎn)蒸汽的鹽酸合成爐，每臺(tái)合成爐副產(chǎn)蒸汽2.5 t/h。可充分利用此副產(chǎn)蒸汽作為溴化鋰制冷機(jī)組的制冷動(dòng)力。故采用中壓液化工藝，該工藝具有安全、環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。

3 工藝流程概述

從氯壓機(jī)過(guò)來(lái)的原料氯氣，進(jìn)入液化器液化，在液化器中大部分氯氣被冷凝變?yōu)橐郝龋ㄒ夯室话憔S持在94%），進(jìn)入氣液分離器，經(jīng)過(guò)氣液分離，液相流入液氯儲(chǔ)槽。儲(chǔ)槽中的液氯經(jīng)過(guò)液下泵輸送至包裝區(qū)包裝，進(jìn)行裝瓶或充裝槽車(chē)，少量未液化的氯氣排入尾氯系統(tǒng)，送至鹽酸合成單元與氫氣合成制成氯化氫氣體或高純鹽酸。氯氣液化工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

4 生產(chǎn)現(xiàn)狀

4.1 現(xiàn)有設(shè)備配置

開(kāi)元化工氯氣液化制冷裝置設(shè)計(jì)為3臺(tái)RHSCW-275×2J（T）A 螺桿機(jī)，1臺(tái)螺桿機(jī)分為 2組冷水機(jī)組，1組冷水機(jī)組包括2個(gè)壓縮機(jī)，每個(gè)壓縮機(jī)功率為110 kW，系統(tǒng)共有12臺(tái)壓縮機(jī)，總功率為1 320 kW，1臺(tái)螺桿機(jī)制冷量為1 700 kW，總制冷量為5 100 kW。1臺(tái)16JH057溴化鋰機(jī)組，制冷量為1 900 kW。正常生產(chǎn)運(yùn)行需開(kāi)1臺(tái)溴化鋰機(jī)組和1組螺桿冷水機(jī)組，基本滿足生產(chǎn)系統(tǒng)冷卻水的需求。

4.2 工藝改進(jìn)原因

根據(jù)市場(chǎng)需求，該公司在2007年調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，由原來(lái)生產(chǎn)31%的高純酸改為生產(chǎn)38%的高純酸，因此需要將合成爐降膜吸收器冷卻水由原來(lái)的循環(huán)水冷卻改為7℃水進(jìn)行冷卻。因此需要在運(yùn)行溴化鋰機(jī)組的情況下增開(kāi)2組螺桿式制冷機(jī)組對(duì)冷凍水進(jìn)行制冷，才能滿足生產(chǎn)所需的冷卻水量、每年耗電3 520 000 kW·h。

4.3 螺桿式冷水機(jī)組和溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組對(duì)比

螺桿式冷水機(jī)組和溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組是目前國(guó)內(nèi)制冷系統(tǒng)中常用的冷源設(shè)備，其各具優(yōu)缺點(diǎn)。

4.3.1 螺桿冷水機(jī)組的特點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)

a.由于直接水冷式螺桿冷水機(jī)組以電力為動(dòng)力，一般產(chǎn)品能效比大于4，是一種節(jié)能產(chǎn)品；

b.設(shè)備初投資小，維修率低；

圖1 氯氣液化工藝簡(jiǎn)圖

c.設(shè)計(jì)壽命高，使用年限長(zhǎng)，能量衰減可忽略。

（2）缺點(diǎn)

螺桿冷水機(jī)組以電力為動(dòng)力，對(duì)于電力緊張地區(qū)而言，單位電價(jià)較高，造成整機(jī)運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高。

4.3.2 溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組的特點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)

a.溴化鋰機(jī)組的制冷劑為水，是對(duì)環(huán)境污染較少且價(jià)格便宜的制冷劑；

b.溴化鋰制冷機(jī)組可利用工業(yè)廢余熱蒸氣為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)，對(duì)電力的需求量不大，僅需要電能來(lái)驅(qū)動(dòng)溶液泵和溶劑泵，所以它的耗電量很小（僅為壓縮式的2%左右），故對(duì)電力資源較為緊張的地區(qū)，該產(chǎn)品有較大的優(yōu)勢(shì)，且運(yùn)行能源費(fèi)用較螺桿冷水機(jī)組要低。制冷劑為水以及溴化鋰溶液對(duì)環(huán)境不構(gòu)成破壞等優(yōu)點(diǎn)，在化工、冶金等行業(yè)使用范圍比較廣泛。

（2）缺點(diǎn)

a.由于所用溴化鋰溶液在有空氣的情況下，對(duì)普通碳鋼有較強(qiáng)的腐蝕性，使設(shè)備在使用地段時(shí)間以后出現(xiàn)較明顯的能量衰減，從而降低了整臺(tái)機(jī)組的實(shí)際產(chǎn)冷量，影響了使用效果，并且降低了機(jī)組的使用壽命；

b.設(shè)備造價(jià)較高，初投資費(fèi)用大；

c.因?yàn)闄C(jī)組在高真空狀態(tài)下工作，空氣容易滲入，實(shí)踐證明，即使只有極微量的空氣滲入，也會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的性能，因此，機(jī)組對(duì)密封性要求很高；

d.設(shè)備外形體積龐大，需配備專(zhuān)用機(jī)房（溴化鋰還需配備專(zhuān)用冷媒及備用冷媒）；

e.溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組對(duì)冷卻水的水質(zhì)要求很高，且冷卻水用量一般為水冷螺桿式冷水機(jī)組的1.5倍左右，對(duì)于淡水資料較為缺乏的地區(qū)，投資及運(yùn)行成本較高。

此外，螺桿制冷機(jī)組使用動(dòng)力電，制冷可以制出0℃以下的冷水，使用范圍廣。而溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組使用蒸汽為動(dòng)力，使用一次蒸汽時(shí)費(fèi)用高，僅能制出4℃以上的冷水，范圍狹窄，因此使用溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組必須采用利用回收蒸汽，才能降低生產(chǎn)成本。

結(jié)論：開(kāi)元化工使用的是5臺(tái)副產(chǎn)蒸汽的鹽酸合成爐，每臺(tái)合成爐每小時(shí)副產(chǎn)蒸汽2.5 t，正常生產(chǎn)時(shí)運(yùn)行3臺(tái)合成爐，每小時(shí)副產(chǎn)蒸汽7.5 t。現(xiàn)在運(yùn)行的1臺(tái)溴化鋰機(jī)組消耗蒸汽4.2 t/h，還有3.3 t/h蒸汽富裕，未能回收利用，造成能源浪費(fèi)，同時(shí)還消耗大量動(dòng)力電，增加生產(chǎn)成本。

因此如何利用合成爐副產(chǎn)蒸汽，降低動(dòng)力電消耗是優(yōu)化制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵。

由于集團(tuán)內(nèi)部多晶硅生產(chǎn)線受市場(chǎng)影響，一直處于停頓狀態(tài)。為優(yōu)化氯氣液化制冷系統(tǒng)，利用副產(chǎn)蒸汽、降低設(shè)備動(dòng)力耗電、提高設(shè)備利用率，由公司組織生產(chǎn)部、設(shè)備部以及分廠的相關(guān)人員到多晶硅生產(chǎn)線進(jìn)行考察了解。2017年5月內(nèi)部調(diào)劑閑置C-360AST和XI-330 2臺(tái)溴化鋰機(jī)組，制冷量分別為1 220 kW和3 300 kW，因此不需要重新購(gòu)買(mǎi)新的溴化鋰機(jī)組。

新增溴化鋰機(jī)組在運(yùn)行時(shí)所需蒸汽不足時(shí)可由公司氫氣鍋爐副產(chǎn)8～10 t/h 0.1MPa的低壓蒸汽進(jìn)行補(bǔ)充，確保溴化鋰機(jī)組動(dòng)力源正常供給。

根據(jù)以上條件：該公司使用溴化鋰機(jī)組比螺桿制冷機(jī)組更節(jié)能、節(jié)效、環(huán)保。

4.4 優(yōu)化方案

根據(jù)生產(chǎn)需求及時(shí)組織機(jī)電部、生產(chǎn)部和生產(chǎn)分廠形成項(xiàng)目實(shí)施小組，對(duì)所測(cè)量的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、結(jié)合設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)出新增的溴化鋰機(jī)組廠房選址、設(shè)備管道安裝、所需材料、具體施工方案。

本著新增廠房與原廠房盡可能接近，充分利用原設(shè)備及管路的原則，最終確定在原有冷凍水廠房東側(cè)空地上根據(jù)所測(cè)量的溴化鋰基礎(chǔ)尺寸，新建溴化鋰機(jī)組廠房。在原冷凍水廠房北面循環(huán)水進(jìn)、出口管道上開(kāi)口，增加一趟DN500的循環(huán)水管道；將原有的蒸汽管道延長(zhǎng)至新建廠房旁邊；新增加的溴化鋰?yán)鋬鏊M(jìn)、出口管道在原冷凍水廠房?jī)?nèi)與舊冷凍水管道連接。

5 項(xiàng)目實(shí)施及驗(yàn)收

該項(xiàng)目在2017年8月開(kāi)始實(shí)施，2018年8月完成。2018年9月10日開(kāi)始運(yùn)行，9月14日驗(yàn)收結(jié)果參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 項(xiàng)目驗(yàn)收結(jié)果參數(shù)

6 項(xiàng)目效果

在不改變現(xiàn)有制冷系統(tǒng)工藝流程的前提下，通過(guò)增加2臺(tái)溴化鋰機(jī)組，利用開(kāi)元化工現(xiàn)有的富裕蒸汽量，實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)蒸汽的回收利用以降低動(dòng)力電消耗的目的。

其中1臺(tái)制冷量為3 300 kW的溴化鋰機(jī)組，正常運(yùn)行即可滿足全廠冷凍水的需求，另外2臺(tái)制冷量分別為1 900 kW和1 300 kW的溴化鋰機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行也可滿足生產(chǎn)需求，公司2大1小3臺(tái)溴化鋰機(jī)組帶運(yùn)行及備用，不需要額外開(kāi)啟螺桿制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻，可降低用電量，回收副產(chǎn)蒸汽及冷凝水，節(jié)約生產(chǎn)成本。

7 效益計(jì)算

項(xiàng)目含調(diào)劑設(shè)備、土建、材料、安裝等費(fèi)用合計(jì)213萬(wàn)元，項(xiàng)目完成后節(jié)能情況如下。

（1）節(jié)約動(dòng)力電

1組螺桿冷水機(jī)組2臺(tái)壓縮機(jī)，1臺(tái)壓縮機(jī)額定功率110 kW，2組螺桿冷水機(jī)組包含4臺(tái)壓縮機(jī)，每年節(jié)約電量（每年按8 000 h計(jì)算）：

110 kW×4 臺(tái)×8 000 h=3 520 000（kW·h）

電費(fèi)按0.54元/kW·h（不含稅）計(jì)算，

每年可節(jié)約用電費(fèi)用：

3 520 000 kW·h×0.54元/kW·h=190.08（萬(wàn)元）

（2）回收蒸汽冷凝水

溴化鋰機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)每小時(shí)產(chǎn)6.5 t蒸汽冷凝水，每年可產(chǎn)生約5.2萬(wàn)t蒸汽冷凝水。現(xiàn)將冷凝水按純水全部回收回用，純水按每噸10元計(jì)算，每年可創(chuàng)效52萬(wàn)元。

以上兩項(xiàng)每年節(jié)約創(chuàng)效合計(jì)：242.08萬(wàn)元

（3）投資回收期

213萬(wàn)元（總投入）÷｛〔190.08萬(wàn)元（年節(jié)約用電費(fèi)用）+52萬(wàn)元（回收冷凝水費(fèi)用）〕÷12月｝

=10.558（月）≈10.56（月）。

8 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行氯氣液化制冷系統(tǒng)的優(yōu)化方案，充分利用合成爐副產(chǎn)蒸汽代替動(dòng)力電的消耗，將閑置溴化鋰設(shè)備調(diào)劑使用，不但提高設(shè)備利用率，減少設(shè)備投入、降低生產(chǎn)成本，既環(huán)保節(jié)能又有較大的經(jīng)濟(jì)效益，具有明顯的利用價(jià)值。