氯化氫合成爐副產蒸汽回收利用

吳二寶

（安徽華塑股份有限公司，安徽 定遠233290）

安徽華塑股份有限公司一期工程為年產32 萬t燒堿和46 萬t PVC， 其中燒堿裝置于2010 年11 月開工建設，2012 年9 月一次開車成功； 共有8 臺氯化氫合成爐（7 開1 備），氯化氫合成爐單臺產能為135 t/d，氯化氫合成爐結構示意圖見圖1。

1 問題提出的背景及解決方案

氯氣和氫氣在氯化氫合成爐中反應生成氯化氫氣體，反應的過程中放出大量的熱量；華塑公司氯化氫合成爐結構分為三段，底部為燃燒段；中部高溫區域為副產蒸汽段，脫鹽水從底部進入，生成過熱水，在閃蒸罐內閃蒸得到低壓蒸汽；頂部為氯化氫冷卻段，將氯化氫氣體冷卻到40 ℃左右。

原設計合成爐生產的蒸汽壓力為0.25 MPa，用于驅動溴化鋰機組生產7 ℃水用。 經過一段時間運行，副產蒸汽產量能達到設計值，但因前期設計余量較大， 溴化鋰機組運行不能完全消化副產蒸汽，當系統滿負荷時，副產蒸汽約有7.5 t/h 的蒸汽無法利用，只能排空，造成脫鹽水及熱能的大量浪費。

圖1 合成爐結構示意圖

為了充分利用這部分副產蒸汽，經討論，提出兩個利用方向作為回收利用副產蒸汽的方案。

方案一： 將副產蒸汽送至一次鹽水及電解工序，供鹽水加熱用；方案二：提高副產蒸汽壓力到0.4 MPa（表壓），送至低壓蒸汽管網，供系統低壓蒸汽用戶使用。

方案一將副產蒸汽送至一次鹽水及電解工序加熱鹽水，因正常生產時鹽水溫度較高，加熱鹽水所需蒸汽需求不大，7.5 t/h 副產蒸汽無法用完，仍會有蒸汽放空。 因此該方案最終未被采用。 方案二將副產蒸汽提升壓力后并入低壓蒸汽管網；該方案對系統可能造成兩個影響：（1）蒸汽壓力提升后，氯化氫合成爐內部石墨塊能否安全運行需要確認。 （2）原設計中副產蒸汽送溴化鋰機組生產7 ℃水，溴化鋰機組減溫減壓閥能否耐受壓力較高的蒸汽需要確認。 經咨詢合成爐廠家，副產蒸汽壓力提升后，石墨塊的運行不受影響； 溴化鋰機組所配套的減溫減壓閥能夠將0.4 MPa 的低壓蒸汽降至機組所需的壓力。

2 流體力學計算

2.1 計算基準

（1）燒堿裝置共8 臺合成爐，正常7 開1 備，單臺合成爐滿負荷生產135 t/d 氯化氫， 生產1 t 氯化氫副產蒸汽0.6 t。

（2）蒸汽壓力P=0.4 MPa（G）；溫度T=151.7 ℃；蒸汽密度ρ=2.667 3 kg/m3；

2.2 阻力計算

（1）滿負荷生產蒸汽產量

Q=W×N×0.6/24=135 t/d×7×0.6/24=23.625（t/h）

V=Q/ρ=23.635 t/h×1 000 kg/t/2.66 kg/m3=8 881.58（m3）

（2）流速確定

根據《化工工藝設計手冊》提供常用介質流速主管30～40 m/s；支管流速20～30 m/s。 μ=0.0144 5 cp

確定回收管徑DN350 滿負荷u=v/3 600π r2=8 881.5/（3 600×3.14×0.175 2） =25.65（m/s）。符合工藝要求。

（3） 雷 諾 準 數 的 確 定：Re=duρ/μ=（0.35 m×25.65 m/s×2.66 kg/m3）/0.0144 5 mpa.s=1.653×106

（4）取鋼管管壁絕對粗糙度0.1

ε/d=0.1 mm/350 mm=2.857×10-4

（5）λ=0.014 5

（6）ΔP=λ （（1+∑le）/d） ρu2/2=0.014 5×（25+13.4+26.82+8.23×6+45.42+137.16×2）/d× 25.652×2.66/2=15.745（kPa）。

壓力降在15.745 kPa。 DN350 管線回收全部蒸汽沒有問題。

2.3 現有管徑回收計算

（1）如果選用現有DN200 管線實現在溴化鋰機組全部停運時回收全部7 臺合成爐滿負荷生產產生的蒸汽。 流速u=78 m/s，遠遠超出規范30～40 m/s的規范要求，不可取（現有管線只能回收部分氣體，如果實現全部回收需要將原有管徑DN200 放大到DN350。

（2）在2 臺溴化鋰機組滿負荷運行，7 臺合成爐運行。

V=V總-V溴化鋰=（23.625 t/h-16 t/h）/2.66 kg/m3=7.625 t/h=2 866.54 （m3）

u=v/3 600πr2=2 866.54/（3 600×3.14×0.01） =25.35（m/s）

Re=duρ/μ=（0.2 m×25.35×2.666 kg/m3）/0.014 45 mPa.s=0.933 3×106

取鋼管管壁絕對粗糙度0.1

ε/d=0.1 mm/200 mm=5×10-4

λ=0.018

ΔP=λ （1+∑le）/d） ρu2/2=0.018×（25+7.32+14.63+4.88×6+27.43+82.30×2）/d× 25.352×2.66/2=20.635（kPa）。

從輸送阻力來判斷可以順利進行回收。

（3）現有管徑回收全部蒸汽壓降情況。

u=v/3 600πr2=8 881.5/（3 600×3.14×0.01）=78.56（m/s）

Re=duρ/μ=（0.2m×78.56 m/s×2.66 kg/m3）/0.014 45 mpa.s=2.8×106

取鋼管管壁絕對粗糙度0.1

ε/d=0.1 mm/200 mm=5×10-4

λ=0.02

ΔP=λ （（1+∑le）/d） ρu2/2=0.02×（25+7.32+14.63+4.88×6+27.43+82.30×2）/d× 78.56×1.33=215 （kPa）。

輸送合成爐全部副產蒸汽需要2.15 kg/cm2的壓力差。 系統壓力以3.5 kg/cm2； 合成爐設計壓力5.6 kg/cm2；操作壓力最高4.5 kg/cm2。

2.15 kg/cm2+3.5 kg/cm2=5.65（kg/cm2）超過合成爐設計壓力。

所以要想實現全部回收合成爐副產蒸汽，并網管徑需要選擇DN350 的管徑。

上面的工藝計算已經說明， 經過合理的改造后，合成爐可以生產0.4 MPa 的低壓蒸汽。

3 改造中存在的問題

副產蒸汽回收改在中，當出現低壓蒸汽管網壓力上升時， 并網管路上需要設置放空管和止回閥，發生憋壓造成合成爐損壞。

副產蒸汽回收改造完成后，每小時能回收低壓蒸汽7.625 t，按照年運行時間8 000 h，0.4 MPa 低壓蒸汽價格按照100 元/t 計，每年可以節約600 萬元。

4 結語

副產蒸汽回收改造，經過近五年的運行，合成爐運行狀態穩定， 未出現合成爐因蒸汽壓力高造成設備內漏現象，除因管網壓力波動造成蒸汽放空外，系統運行正常，溴化鋰機組運行正常。為了降低蒸汽壓力上升對合成爐墊片壽命的影響， 需要重新調整合成爐循環檢修的周期，確保生產系統的安全穩定。