V C净化气在氢气锅炉中的应用

王 磊，黄小涛，孟勇坡，赵旌霖，黄转红

（1.平顶山神马工程塑料有限责任公司，河南 平顶山 467000；2.河南神马氯碱化工股份有限公司，河南 平顶山 467000）

在聚氯乙烯（PVC）聚合单元中，氯乙烯（VC）精馏过程产生含有氯乙烯、乙炔和氢气等尾气，河南神马氯碱化工股份有限公司为了杜绝环境污染和资源浪费，采用变压吸附工艺回收VC精馏废尾气中的氯乙烯和乙炔并重新利用，其余含有大量氢气的VC净化气达到国家环保排放标准。

为了解决副产氢气的浪费问题，节约氯碱企业蒸汽使用成本，从2002年开始探索烧碱单元副产氢气的研究应用与开发。已有胡伟敏的氢气锅炉的开发应用[1]，孔贤德的氢气锅炉在氯碱生产的运用[2]，但对VC净化气的在氢气锅炉中应用研究较少。

河南神马氯碱化工股份有限公司于2010年6月安装并运行氢气锅炉。成功利用VC净化气作为氢气锅炉辅助混燃燃料，稳定运行后，综合考虑VC净化气的各项指标和氢气锅炉的运行要求，不仅提高了PVC的附加值和蒸汽产量，也将变压吸附的VC净化气又得到回收利用，具有非常重要的实际意义。

1 氢气及VC净化气

1.1 氢气

燃烧、爆炸性能是氢气的主要特性。氢气的燃烧性优良，无杂质时，燃烧放出热量且只生成水，不污染环境，被称为“清洁的能源”。表1为空气中氢气的燃烧性能。

该公司具有离子膜法烧碱15万t/a、PVC 12万t/a的生产能力。氢气由电解食盐水的电解槽阴极产出，作为副产物，经干燥等预处理送往盐酸单元和氢气锅炉使用。由于电解槽的氯氢压差不稳定会影响离子膜的安全稳定运行，使用氢气时，要时刻监控氢气管道压力波动使其控制是否在规定幅度。

表1 空气中氢气的燃烧性能

1.2 VC净化气

VC净化气是氯乙烯精馏过程产生的废气，经变压吸附回收分离出的含大量氢气的低沸点组分（含H2≥30%，体积分数）。

为充分高效回收氯乙烯精馏废气中的C2H3Cl、C2H2等，该公司采用变压吸附工艺。该工艺利用特种吸附剂在高压下吸附量多，低压下吸附量少以及在相同压力下易吸附高沸点组分 （C2H3Cl、C2H2等）而难吸附低沸点组分 （H2、N2等）的特点，实现C2H3Cl、C2H2等与其他组分分离。然后，吸附剂在减压下解析再生，再循环吸附。其他组分即为VC净化气。变压吸附工艺流程示意图见图1。

图1 变压吸附工艺流程示意图

2 VC净化气/氢气锅炉指标要求

氢气锅炉的燃料指标要求见表1。

表1 燃料指标

水质指标见表2。

表2 水质指标

由于氢气的特性，锅炉本体采用立式锅炉。整套锅炉装置主要由给水箱、锅炉本体（包含燃烧系统）、防爆门、汽包、PLC控制连锁系统、公用工程（风机等）和省煤器等组成。对锅炉本体的要求是，（1）锅炉属于压力容器设备，要严格执行并配合锅检所年检；（2）开车前要确保锅炉本体各个管道通畅，杜绝跑、冒、滴、漏的现象；（3）使用双水位计且误差应在规定范围之内，压力表不能超过量程；（4）定期清理燃烧系统，以防杂质堵塞燃烧盘的出气口。

3 VC净化气/氢气锅炉工艺流程

3.1 开车和运行

燃料气管道分别用氮气和燃料气进行置换后，氢气样分析检测合格，锅炉复位正常并启动点火程序。氢气锅炉开车且在正常燃烧负荷下运行30 min后，关闭进入锅炉本体的VC净化气管道的放空手阀，使管道压力升高后，经分析检测VC净化气的燃料指标符合要求，再开启VC净化气的连锁，投入VC净化气。时刻监控燃料气、蒸汽与管道的压力和给水、排烟温度等指标，使锅炉正常稳定运行，产生蒸汽送入蒸汽管网，供企业的各个生产单元使用。VC净化气/氢气锅炉开车和运行控制系统连锁图见图2。

在运行过程中，要根据燃料气的流量，适当升高或降低燃烧负荷，还要每隔4 h，对燃料气输送管道、阻火器和缓冲罐排水1次；每隔8 h，冲洗双侧水位计各1次；每隔24 h，燃料气、给水和锅炉水各取样检测1次。

3.2 计划停车

巡检锅炉现场，缓慢降低燃烧负荷，先关闭VC净化气投入，现场VC净化气管道的放空自控阀打开，继续降低燃烧负荷，直到10%，再手动停车。现场氢气管道的放空自控阀打开，关闭锅炉蒸汽出口阀、给水泵和风机等，锅炉系统待机。此过程要时刻关注氢气管道压力，及时联络烧碱单元和盐酸单元，保证其生产稳定运行。

3.3 紧急停车

如遇到以下情况可以紧急停车，按下急停，监控燃料气流量和压力并进行故障处理。

（1）锅炉出现假水位，尤其是假的高水位。由于锅炉的给水是通过的水位计显示的水位变频控制的，假的高水位会使给水为零而把锅炉烧干。

（2）氢气压力和流量波动且幅度大，但未达到故障停车所设定的上下限。

（3）蒸汽总网管线压力高和锅炉本体连锁压力表失灵，以及其他不可避免的自然灾害。

4 VC净化气/氢气锅炉安全设施及措施

氢气管道及锅炉本体等的安全设施及措施按照燃氢锅炉的要求[3]。

图2 VC净化气/氢气锅炉开车和运行控制系统连锁图

4.1 VC净化气的安全设施

（1）VC净化气检漏保护开关。该设施可以检测开车时管道的双切断阀是否工作正常，以及燃烧盘前输送管道有无泄漏点。

（2）VC净化气放空自控阀及装置前减压阀。该设施在VC净化气压力不稳定时，根据VC净化气压力升高或降低调节阀门开度，保证进入锅炉本体的VC净化气流量和压力的稳定。

（3）VC净化气管道的阻火器和缓冲罐。缓解输送管道中VC净化气压力和流量的波动，保证VC净化气管道和锅炉本体的安全稳定，杜绝锅炉炉膛“爆燃”现象。

（4）VC净化气管道排水装置。避免环境温度和湿度变化，引起燃料气中的微量水分凝结成水滴聚集而堵塞输送管道。

4.2 混燃运行时的安全措施

VC净化气/氢气锅炉混燃运行时，有以下安全措施。

（1）锅炉装置出现极低水位（低于5%）、蒸汽压力超高、程控器故障、排烟温度超高、火焰检测器失灵、给水箱液位极低以及氢气压力超高和过低这些情况中的任何一种或一种以上时，锅炉直接连锁停车，所有燃料气管道放空自控阀100%打开，以上所有故障未经排除，不能复位启动开车。

（2）仅出现VC净化气压力过高和过低情况时，锅炉不停车，只有净化气管道放空自控阀100%打开并提醒，锅炉稍降燃烧负荷继续运行，待VC净化气压力和流量稳定后，经分析检测合格后再投入锅炉使用[3]。

5 总结

氯乙烯精馏尾气经过变压吸附回收后的排放气—VC净化气，通过氢火焰离子化检测器（FID）检测结果为未检出解析气—氯乙烯和乙炔，实现了原料及半成品零浪费；将VC净化气作为氢气锅炉的辅助混燃燃料，增加了蒸汽产量，真正达到了节能减排和降耗增产的目的，具有较好的经济、环保和社会效益。

VC净化气/氢气锅炉运行二年多以来，获得一定成效，不仅装置稳定运行，而且，在排放VC净化气这一能源问题解决的同时，极大限度地充分利用资源，提高了废气的利用率，节约了成本，保护了大气环境。初步计算，氢气锅炉投入VC净化气（流量为150～400 m3/h）后，锅炉瞬时蒸汽产量提高了1 t/h，按照购买外界蒸汽价格150元/t计算，节约150元/t× 1 t/h×8 000 h/a=120（万元/a）。

［1］胡伟敏.氢气锅炉的开发应用.中国氯碱，2005（10）：30－31.

［2］孔贤德.氢气锅炉在氯碱生产的运用.氯碱工业，2008，44（4）：39－40.

［3］左攀华.氢气锅炉的特点与安全运行经验.化工装备技术，2011，32（2）：16－20.