高效節能全自動化鹽酸合成裝置的研發及應用

郭啟林 何志峰 劉仍禮 王曉梁

（1. 南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226541；2. 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 226011）

0 引言

鹽酸作為化工生產中最基礎的原料，廣泛應用在染料、醫藥、食品、印染、皮革、冶金等行業。改革開放以來，經濟發展越來越迅速，導致目前對鹽酸的需求量逐步上升，而目前生產鹽酸的設備及裝置普遍存在產能小、自動化程度低、安全性差、能量浪費等缺點；隨著國家對生產裝置安全高效、節能降耗要求的提高，研發高效節能及全自動控制的裝備成為當務之急。

1 高效節能全自動化鹽酸合成裝置

1.1 裝置介紹

本裝置是通過集成自主研發的高性能石墨材料技術、高效節能鹽酸合成與余熱利用技術、高效氯氫混合燃燒技術、高導熱系數的改性石墨復合材料、高換熱效率的石墨換熱器等技術，研發出一種更高效、節能石墨鹽酸合成爐，并能充分利用燃燒反應的熱能副產高溫高壓蒸汽（175℃、0.8MPaG）。該產品具有高節能、零排放、長壽命、高附加值等特點。

1.2 主要設備及工藝流程

該系統（圖1）主要由燃燒合成區、副產蒸汽區、冷卻緩沖區、氣體冷卻區、蒸汽閃蒸罐等設備組成。

原料氫氣、氯氣經穩壓、計量、自動閥控制進入合成爐，在燃燒器上燃燒，生成的HCL氣體與來自尾氣塔的稀酸一起經合成爐頂部石墨塊冷卻、吸收后生產高純鹽酸。合成爐合成段采用高壓純水移熱產生過熱水，過熱水進蒸汽閃蒸罐閃發出不同壓力的飽和水蒸汽，用于其它工序使用。

蒸汽閃蒸罐是蒸汽發生及氣液分離裝置。由合成爐副產蒸汽段輸送來的過熱水在罐內閃蒸出飽和水蒸汽及飽和水，通過分離裝置輸出蒸汽，閃蒸罐配有液位監測和控制儀表，以確保閃蒸罐在運行過程中保持一定的液位。

1.3 自動控制及聯鎖保護系統

石墨鹽酸合成爐系統副產蒸汽要求集散控制系統集中控制，現場無人值守。主要控制分為自動點火系統、自動聯鎖保護系統、自動配比系統、液位及壓力自動控制、自動制酸控制。

主要自動聯鎖保護電路有：低原料壓力、低冷卻水流量、低閃蒸罐水位、在線火焰聯鎖保護等在線檢測保護，當聯鎖條件觸發時，應立即執行停車保護程序。

1.3.1 自動點火系統

自動點火系統由在線火焰監測裝置、自動切斷閥裝置、高頻高壓點火裝置和PCL程序控制組成。

1.3.2 自動聯鎖保護系統

該裝置配備的氫氣和氯氣應、同時裝置要求低流量的冷卻水。該裝置配備了閃蒸罐壓力、閃蒸罐液位、氫氣流量和氯氣流量的比例聯鎖、在線火焰聯鎖保護等在線監測保護系統。當條件滿足聯鎖開啟時，系統立即執行停車保護程序，同時在合成裝置中進行自動充氮保護。

1.3.3 氫氣、氯氣自動配比控制

該系統實現氫氣和氯氣的自動配比控制。通過配比控制可以對氫氣和氯氣的流量精確控制，在生產控制中根據對鹽酸的純度分析及時調整合適的氫氣與氯氣的比例。如果在生產過程中氫氣和氯氣的純度發生了波動，可以及時通過分析氯化氫的純度，而調整氫氣、氯氣的比例，該系統實現了兩者的自動控制，使得裝置安全、節能、環保。

1.3.4 汽包部分的自動控制

該裝置研發了汽包部分的自動控制，汽包的控制包括水蒸汽部分的閃蒸罐液位的自動控制、輸出飽和水蒸汽壓力的自動控制、低閃蒸罐液位及水蒸汽超壓的聯鎖保護。

1.3.5 制酸自動控制

該裝置的制酸制備實現了自動控制，主要是通過鹽酸濃度的在線檢測和自動配比吸收水流量等在線分析來實現控制鹽酸產品的濃度。通過以上措施，實現裝置的安全、高效運行，避免環保和安全事故的發生。

圖1 高效節能全自動化鹽酸合成裝置

2 高效節能全自動化鹽酸合成裝置關鍵技術

2.1 下點火技術

傳統石墨鹽酸合成爐采用上部點火結構，集合成、冷卻及吸收于一體。本裝置的鹽酸合成爐采用下部點火結構，巧妙地將合成、冷卻段與冷卻吸收段結合起來。合成段屬于高溫區，鍋爐給水帶走熱量并副產水蒸汽。冷卻及吸收部分預熱鍋爐給水。

2.2 進爐氯氣均勻分布技術

根據熱力學原理模擬氯氫氣體燃燒，設計出多孔式噴嘴+石墨旋風結構的復合燃燒器，將氯氫燃燒比由原來的1:1.08下降為1:1.05，提高了氯化氫純度（≥97%）及氯氣轉化率（99.999%），降低了氯化氫氣體中的游離氯（≤10ppm），充分利用原材料，實現了高效節能。不裝置在單位流量范圍內，先通過增加氫氣分配環，控制氫氣的流速及流向，使氫氣與氯氣充分混合燃燒；再通過優化氯氣管孔數及角度，使氯氣在預定的流向與氫氣充分混合，提高燃燒率；最后優化燃燒器結構，降低火焰高度，避免破壞爐內換熱塊。

2.3 特殊材料加工燃燒器技術

燃燒器采用特殊材料，加工更加方便，使用壽命更長。傳統的燃燒器均為石墨材料制作而成，雖能耐高溫但很容易破損，尤其是遇到急冷的情況時瞬間爆裂。

2.4 耐高溫樹脂的研發應用

石墨主要是由石油焦煅燒后形成煅后焦與瀝青按照一定的比例混捏、成型后，再經過高溫碳化、石墨化后形成的。所以本裝置通過改進煅后焦與瀝青之間的配比、經過磨粉后得到超細顆粒原料，采用等靜壓成型方式，在180～200MPa壓力下得到需要的成型尺寸，經過焙燒、石墨化后得到了所需求的石墨材料，（如圖2所示），各項性能都得到明顯提升，主要體現在石墨的機械強度和導熱性（如圖3所示）。

圖2 未浸漬石墨材料改進前后對比圖

圖3 浸漬后的石墨材料改進前后對比圖

傳統的合成爐石墨筒體用常規樹脂浸漬石墨本體，極限工作溫度約為180℃。通過改進石墨原材料和浸漬劑，提高材料的機械強度、導熱性能（130～160W/mk）和耐溫性（250℃），解決了目前市場上氯化氫合成爐材料導熱低、強度差的問題，使得全石墨制合成爐成為可能，從而保證合成爐在高溫工況下能長期穩定運行。

2.5 設備耐高壓的研發應用

副產蒸汽段石墨筒體采用細顆粒兩浸三焙石墨材料加工而成，并用碳纖維增強的方法加強筒體的耐壓強度，鋼制外殼選用高強度材料制造，并接收國家監檢部門的監督檢查，確保了合成爐安全穩定的運行。

2.6 分液頭多孔技術

分液頭上開有多種不同孔徑的孔，可以滿足不同產量下的吸收效果，使得吸收液可以通過分液頭均勻分布，在分液頭內形成旋流形式，彌補了僅靠分液錐不能均勻分液的缺陷，提高了吸收效率。

2.7 分布液相水槽技術

液相介質經過每一節吸收塊的同心圓分布水槽再次分布，使每個縱向孔形成均勻的液膜，減少液相竄流，進一步提高相同面積石墨塊的吸收效率[1]。

2.8 介質孔采用螺紋結構技術

本裝置設計了一種環形腔體結構，安裝在氯化氫合成段頂部的冷卻段。通過在水側增加強制循環，解決了橫向孔中熱水汽化造成的石墨爆裂的問題；并設計了換熱塊內部中孔結構，增加氯化氫行走流程，使之形成雙流程設計，相比之前的單流程，氯化氫的流速更快，同時與外側的循環水逆流接觸，增大傳熱溫差，冷卻效果更好。

2.9 進液封頭液相分布技術

料液分布質量對鹽酸吸收效果尤為重要。采用內旋轉環壁液相分布技術，實現介質的一次性均勻分布，有利于保證成品酸的質量。

3 結語

本文介紹的高效節能全自動化鹽酸合成裝置通過自主研發的自動點火系統以及配套系統，實現了合成爐從點火開車、運行、緊急停車、事故聯鎖等全自動操作，現場可無人職守，保證了合成爐長期、穩定、安全運行，自投入市場以來，副產蒸汽壓力適中，蒸汽產量大，運行安全平穩可靠。副產蒸汽可并入用戶的蒸汽管網，廣泛應用于制冷、鹽酸解析、堿濃縮、伴熱、物料加熱等工藝用汽。

該裝置實現了氯化氫合成及余熱利用的一體化，使石墨材料導熱系數達130～160w/mk、氯氫反應單程轉化率達99.999%、余熱回收率達70。