氯化氢和盐酸生产的合成炉应用介绍

聂日丛

（重庆三阳化工有限公司，重庆 万州 404001）

用于氯化氢生产的合成炉的类型多种多样；随着氯化氢合成生产设备的改进以及生产用水、电、蒸汽成本的不断上涨，综合利用副产的热能成为现实问题。

1 氯化氢产用的合成炉情况介绍

早期的氯化氢合成炉由碳钢制成。1942年，美国人首次采用了石墨合成炉，从此，石墨材质的合成炉成了制造氯化氢和盐酸的主要设备。合成炉有多种分类法，按材质可分为碳钢制成的合成炉和石墨制成的合成炉；按散热方式可分为空气散热合成炉和水冷式散热合成炉；按点火方法可分为手动点火合成炉和自动控制点火合成炉，还可分成上点火和下点火炉；按用途分为氯化氢气体合成炉和盐酸合成炉；按功能、组合方式又可分为石墨制二合一炉、石墨制三合一炉、石墨制四合一炉、余热回收型合成炉等。

1.1 合成炉的特点

1.1.1 碳钢制合成炉

碳钢制合成炉分为夹套炉、翅片炉和光面炉，该种炉投资省、炉体占地面积大，可使用2～6年。碳钢制成的夹套合成炉工艺成熟，合成的氯化氢气体出炉后在石墨冷却器用循环水冷却，石墨冷却器的冷却热水靠位差进入钢制合成炉上部的夹套，可产生80～100℃热水，可综合利用热能；翅片炉和光面炉是利用周围空气风冷，产生的热辐射使环境和操作条件变坏。

1.1.2 二合一石墨合成炉

二合一石墨合成炉将氯化氢合成、冷却2个工序合并到1台设备上完成，合成与冷却同步为一体。按冷却的方式分为浸没式（也叫水套式）和喷淋式2种。浸没式炉的石墨炉体浸在水中冷却，喷淋式炉的石墨炉体靠设在炉体顶部的冷却水分布器来形成水膜冷却。

节能型二合一石墨合成炉 （也称组合式石墨热水炉）是二合一石墨合成炉产品的改进型，可在夹套内产生压力热水，副产的热水供综合利用热能。

1.1.3 三合一石墨盐酸合成炉

将盐酸生产中的合成、冷却、吸收3个工序合并到1台设备上完成，该炉由合成段、吸收段、气液分离段组成，1台设备代替合成炉、冷却器、膜式吸收塔，生产效率高、操作简单。根据点火位置可分为上点火三合一石墨盐酸合成炉 （也称A型三合一炉）、下点火式三合一石墨盐酸合成炉（也称B型三合一炉）。

1.1.4 四合一石墨盐酸合成炉

将盐酸生产中的合成、吸收与冷却及尾气处理4个工序合并到1台设备上完成，设备结构紧凑、体积小、生产效率高、产品酸纯度高、易于控制，具有较高的合成、吸收、冷却综合容积效率和较高的吸收强度，大大简化了生产流程。四合一石墨盐酸合成炉的点火位置一般是下点火式[1]。

1.1.5 余热回收合成炉

氯气与氢气在合成炉内以燃烧形式反应生成氯化氢，火焰中心区温度达2 500℃以上，生成的氯化氢气体温度在2 000℃以上，每合成1 kg气态氯化氢会放出2 523.3 kJ热量，这些热量完全可以利用。

一般来说，凡是采用水冷方式的炉子都可以实现余热回收。余热回收型合成炉可分为副产热水合成炉和副产蒸汽合成炉2种。该装置包括炉的合成燃烧段、氯化氢冷却段，冷却段与相应组件形成余热回收系统。

（1）副产热水合成炉。通过改造钢制夹套盐酸合成炉、石墨制二合一炉等，利用反应热制取热水，送至溴化锂制冷机组作为制冷机的热源，制取10℃冷冻水；也可直接利用热水供采暖、预热物料。上海某氯碱化工厂即利用高温热水做动力，制造压缩气体。

（2）全自控副产蒸汽合成炉。利用氯化氢合成时放出的高温热能，副产压力为0.3～1.6 MPa的蒸汽。副产蒸汽石墨合成炉可分成2种。一种是采用全石墨、改性树脂加工成的石墨合成炉，可副产压力为0.3～0.8 MPa的蒸汽；另一种是采用半石墨、半钢制成的合成炉，副产蒸汽压力为0.8～1.6 MPa。目前，国内石墨设备厂家已实现了全自控副产0.3～1.6 MPa蒸汽二合一氯化氢石墨炉、三合一石墨炉、四合一石墨炉供货。

副产蒸汽全石墨合成炉。该类型合成炉采用提高石墨材料强度的手段，结合石墨材料的耐腐蚀性及导热性的优点，保证了全石墨制副产蒸汽合成炉能在苛刻运行条件下长期稳定的运行，使用寿命长，检修方便简捷，但副产蒸汽的压力达不到1.6 MPa，对操作的自动化程度要求较高。

副产蒸汽半石墨（钢制）合成炉。副产蒸汽合成炉段采用钢制炉壁，包括合成炉合成燃烧段、合成燃烧段上方设置的钢制水冷壁蒸汽发生段、水冷壁蒸汽发生段上方设置氯化氢冷却段，水冷壁蒸汽发生段与汽包组成蒸汽发生系统，产生的蒸汽压力达到0.8～1.6 MPa。由于炉壁为钢制，易腐蚀，对操作的自动化程度要求高、检修较困难。

2 全自控副产蒸汽合成炉实例

某公司1.5万t/a三氯氢硅工程，在氯化氢合成工序采用了08-50-30型二合一炉。该工程设计、安装2台氯化氢合成炉，1开1备，投入运行后，各项指标均达到设计要求。主要设备包括副产蒸汽氯化氢合成炉、蒸汽汽包、软水预热器和排污罐。在现场应用了PLC安全控制系统并可连接DCS，实现安全信号连锁，24 h在线监测；PLC安全控制系统实现自动点火程序、安全控制，点火失败连锁自动停车；运行过程中DCS自动控制生产，火焰熄灭连锁停车，与传统的生产装置相比，该装置操作安全可靠。

2.1 副产蒸汽08－50－30型合成炉的特点

该型合成炉主体分为3段，即合成段、副产蒸汽段、冷却段。副产蒸汽段在合成炉的中间高温区段，使用钢制水冷壁炉筒，由鳍片钢管焊接围成，筒体上下端设有水集箱，通过管道与气泡相连，组成热水自循环系统；易受腐蚀的区段即合成段、冷却段分别在合成炉的底部、顶部，采用石墨材料制作。

产汽承压段采用钢制水冷壁炉筒，使合成的热能利用率提高到70%，副产蒸汽压力可在0.8～1.4 MPa间任意调节，可并入中压蒸汽管网，使热能得到充分利用。但因副产蒸汽合成炉材料结构多样性，开车前需用外来蒸汽通过预热器实现预热，蒸汽发生系统开车前要提前进行煮炉，预热时间长。

2.2 工艺流程简介

该型合成炉的工艺流程，主要是蒸汽发生系统、氯化氢合成系统、后序系统的配套。实现了从点火开车、过程控制、停车过程的DCS操作，大大提高了装置的自动化控制水平及本质安全。工艺流程示意图见图1。

蒸汽发生系统：自外管网来的软水进入软水贮槽，经泵加压至1.2 MPa以上，送至蒸汽发生汽包，汽包中的软水经下降管进入预热器，再进入合成炉蒸汽发生段的下部与氯化氢气体进行热交换，富含热值的水经筒体上端管道回到汽包，在汽包内产生压力为0.8 MPa以上的蒸汽，蒸汽进入缓冲罐后与蒸汽管网并网。

氯化氢合成系统：来自外界经过调压、除水的氯气与氢气分别经过氯气缓冲罐，氢气缓冲罐、氢气阻火器，由自控调节阀、程控切断阀控制进入合成炉底部的燃烧器。在合成炉合成段上，装有自动点火器、火焰检测器、火焰摄像仪。自动点火器分别与点火氢气支管线、点火空气管线相连。系统实现自动点火成功后，由炉前氯气、氢气自控调节阀自动配比控制流量后，进入合成炉燃烧器的中心分配器和套管内，在燃烧灯头处混合后发生燃烧反应，生成氯化氢气体，依次通过合成炉中部的副产蒸汽段、顶部的冷却段后，通过自控调节阀控制压力进入一级降膜吸收器、二级降膜吸收器、尾气吸收塔，废气通过水喷射泵抽出放空。三氯氢硅合成准备好后，氯化氢切换到干燥系统，停制酸系统。

2.3 副产蒸汽08－50－30型合成炉的自控系统

该型合成炉的自控制系统分为蒸汽发生自控系统，自动点火控制系统，氯气、氢气自动配比调节控制系统、制酸控制系统、自动连锁保护系统。各控制系统相对独立，通过连锁保护系统制约连成一体。

2.3.1 蒸汽发生部分的自控系统

蒸汽部分的控制包括汽包液位的自动控制、蒸汽压力自动控制、汽包液位低和蒸汽压力高的连锁保护。主要是控制汽包的液位，通过汽包液位调节阀的开度控制软水进入量，液位稳定后，汽包液位调节阀可投入自动。当汽包水位高达60%时，DCS显示并报警，此时，应打开汽包排污水阀，将汽包污水排入排污罐，手动控制稳定液位后再投入自动。通过对汽包出口蒸汽阀的调节来控制产出蒸汽的压力。

2.3.2 自动点火控制系统

该系统由可编程逻辑控制器（PLC）、现场控制柜的操作显示、火焰检测和受控对象组成。点火程控柜装有PLC可编程序控制器，由电脑置入程序到PLC，点火是由PLC程序控制器执行，PLC逻辑控制部分是点火系统的核心，负责控制整个点火过程的启、停，能在全氮气环境下点火，并配合系统安全连锁装置。关键技术点是合成炉的自控阀门、点火控制模块、火焰检测器、点火装置等，在异常状况下的自动保护程序也很关键。自动点火系统只在点火时运行，不参与正常生产的过程控制，但火焰检测器检测到火焰熄灭信号，连锁控制进入停车状态，按照程序停车。

自动点火装置包括点火管线上的程控阀、氢气和压缩空气导入管、高压点火器、点火燃烧器、点火程控柜、火焰检测装置等。火焰检测装置包括火焰检测器、摄像仪，其主要功能是，全自动点火程序启、停，点火过程监测，点火成功、失败显示，故障报警等。氢气和氯气的工艺管道上装有快开阀、自动切断阀、自控调节阀、手动阀。

DCS操作人员根据系统状态的工艺要求，确认达到点火条件，即氯气和氢气的水分、纯度、压力等指标合格；软水液位、压力正常；汽包液位、压力正常；合成炉的冷却循环水压力、流量正常；合成炉、制酸系统置换取样合格，制酸系统能正常运行等，DCS操作人员按下点火确认，现场控制箱上“允许点火”指示灯点亮。现场人员观察到该信号后，对现场再一次确认具备条件时，与DCS操作人员联系后，按下控制箱上的 “现场启动”按扭，PLC接收到点火信号，合成炉进入自动点火程序。首先，打开限流的氮气快开阀，用流量为400 m3/h的氮气对炉内吹扫4 min，若氮气压力波动，需手动调流量；高压点火器输出高压电，使点火枪产生电弧，同时，打开限流的点火用的氢气和压缩空气导入管上的程控快开阀，使带压氢气、压缩空气按一定比例进入点火枪混合，遇电弧被点燃，自点火枪燃烧管喷出火焰；打开工艺管线上限流的氢气程控快开阀 （氢气自控调节阀的旁路）及氢气程控切断阀，氢气被引燃，同时，打开工艺管线上限流的氯气程控快开阀 （氯气自控调节阀的旁路）、氯气程控切断阀。当氢气和氯气燃烧（反应），火焰检测器检测到火焰后，现场控制箱上“炉运行”指示灯点亮，关闭点火装置的氢气和压缩空气导入管上的程控快开阀，同时给DCS一个点火成功的信号。此时，DCS操作人员可通过手动分别打开工艺管道上氢气和氯气的自控调节阀，按流量体积比逐步加大产量，稳定后投入自动，现场操作人员关闭点火装置中的氢气和压缩空气导入管上的程控快开阀的前后手动阀。

如火焰检测器检测不到火焰，则氢气、氯气、仪表气程控快开阀全关闭，氢气、氯气的程控切断阀关闭，氮气快开阀打开对炉内进行置换。现场控制箱上“点火失败”指示灯点亮，同时给DCS 1个点火失败的信号。

2.3.3 氯气、氢气自动配比调节控制系统

氢气、氯气在各自的温度、压力、纯度范围下，通过精确的流量测量与调节实现氢气与氯气的自动配比控制，氢气、氯气适合的比值（1.05∶1.00～1.20∶1.00体积比）根据生产控制中HCI的纯度来设定。及时分析氯化氢的纯度很重要，若生产中氢气、氯气的纯度发生较大的变动时，则可通过修正氢气与氯气的比值来保证自动控制的稳定可靠。

2.3.4 氯化氢正压输送及制酸控制系统

氯化氢合成点火后，要实现盐酸生产到氯化氢干燥气体生产的平稳过渡切换。氯化氢干燥、三氯氢硅合成生产不正常时，要切换到盐酸吸收调节解决氯化氢气体分配问题。

合成炉的氯化氢正压输送出口采用快开切断阀切换，自控调节阀控制流量和压力。为了节约投资，氯化氢去制酸系统采用手动切断阀切换，自控调节阀控制流量进入吸收系统，吸收水流量采用手动阀。

也有采用自动控制直观地用稀酸温度来控制吸收水流量，达到控制盐酸浓度的目的，避免尾气塔温度过高，可方便地解决氯化氢气体分配问题；或通过盐酸浓度的在线检测和进吸收水流量的自动配比来控制盐酸产品的浓度；也可以通过对盐酸中游离氯的在线检测，实现对制酸时氯气、氢气的配比情况的实时监控。

2.3.5 自动连锁保护系统

自动执行停车保护程序，主要是关闭相关工艺阀门，并进行自动充氮保护置换，置换有充氮流量显示和报警。停车保护程序与开车的步骤相反，同时，DCS及现场紧还设置了急停车按扭，以备特殊情况下使用，确保装置的安全。

（1）自动连锁保护系统设置条件有氢气压力低限，氯气压力低限；进汽包的软水压力低限，汽包液位低限，汽包压力的高限；进入合成炉合成段、冷却段的冷却水流量低限；火焰在线检测无火焰；氯化氢输送泵全停。当上述任何一个条件满足时，系统立即自动执行停合成炉保护程序，连锁关氯气、氢气的快速切断阀、快开阀，开氮气快开阀置换合成炉，氯化氢切换到吸收工序。

（2）当合成炉点火失败，立即执行停车保护程序，连锁保护关氯气、氢气的快速切断阀、快开阀，开氮气快开阀置换合成炉等。

（3）当2台合成炉火焰在线检测无火焰时，连锁停氯化氢输送泵，关氯气、氢气的快速切断阀、快开阀，开氮气快开阀置换合成炉，氯化氢切换到吸收工序。

3 蒸汽型自控氯化氢合成炉使用中的问题

合成炉从在生产工艺上用循环冷却水将热量移走，使之转化为蒸汽使氯碱化工企业实现了水资源的二次利用和副产热能的综合利用，可降低生产成本。但生产中要注意以下几点。

（1）蒸汽型氯化氢合成炉进炉的氢气、氯气管线上的炉阀组件要尽量靠近合成炉，控制在2 m以下，有利于管道置换。

（2）蒸汽型氯化氢合成炉产生的蒸汽要先进入蒸汽缓冲罐，再与外蒸汽管网并网，有利于汽包压力控制。外蒸汽管网的蒸汽压力会影响氯化氢合成炉的产量，主要是合成炉产生的蒸汽如不能及时排走，合成炉的合成段、顶部的冷却段温度会超上限，故要控制合理的外蒸汽管网的蒸汽压力。产蒸汽型合成炉副产蒸汽的压力不同，可直接并入蒸汽管网，合成炉应用要兼顾蒸汽管网的配套。

（3）蒸汽型自控氯化氢合成炉自动化水平高，其他工艺模块的自动化控制硬件要配套，否则，不能达到现场无人值守，更无法体现装置的自动化控制水平及装置本质安全要求。

（4）蒸汽型自控氯化氢合成炉自动化水平高、连锁点多，全部仪表必须要质量可靠、性能好、精度高。火焰检测器是个关键点，信号正常或异常，自动启动的程序不一样。火焰检测信号对程序控制的自动切换运行步骤起着非常重要的作用，摄像头只是将摄到的火焰图像用于显示终端供操作人员监控，操作人员还要通过摄像仪观查火焰燃烧状态，及时做出正确判断。

（5）使用钢制水冷壁炉筒的蒸汽型氯化氢合成炉时，为了保护冷壁炉筒内部，软水的pH值要控制为10.0～11.0，同时，有必要考虑对使用的软水进行除氧；长时间停炉时，为了保护冷壁炉筒外部，在蒸汽系统冷却过程中要保温，确认合成炉内氯化氢气体置换干净，炉内水分吹干，方可以停保温蒸汽。

（6）现场控制箱、火焰监测器都是重要附件，需要充少量氮使之处于气体保护状态。当氯化氢合成炉与三氯氢硅生产配套时，要注意氮气压力不能低于整个系统的压力，若氮气中串入氯硅烷，非常有害。氮气压力的稳定，也可在点火过程中，几分钟内使合成炉氮气吹扫的流量稳定。

［1］吴春森，伍明霞.石墨制合成炉的现状和发展.中国氯碱，2007，（11）：20-21.