氯碱装置副产氢气在冀衡化肥公司的回收利用

2014-04-03孙凤徐

化工设计通讯 2014年3期

孙凤徐

［河北冀衡（集团）化肥有限公司，河北衡水 053400］

0 引言

河北冀衡集团有限公司循环经济工业园（以下简称冀衡循环经济园），是2005年10月由国家发改委、环保总局等七部委批准，列入全国第一批循环经济试点单位，现已形成以冀衡化学公司消毒剂为核心的盐化工主线和以氰尿酸为核心的煤化工主线，及废弃物综合利用配套系统，实现了上下游产品相互利用、副产品综合利用、废弃物综合利用，产品资源循环化、产品物流管道化、能源消耗最低化。目前，冀衡循环经济园内主要有生产盐化工产品（消毒剂、烧碱、氯气、氢气、氰尿酸等）的冀衡化学公司，生产煤化工产品（液氨、甲醇、尿素）的冀衡化肥公司；生产硫酸、苯胺、复合肥产品的冀衡蓝天公司等化工企业；以及在建的化学公司加氢化工项目，在建的冀衡威武公司用氢气、氯气化工项目，在建的冀衡药业公司加氢制药项目。

氢气是氯碱电解生产出的一种副产品，冀衡化学公司以前的老生产区隔膜法烧碱装置产出氢气除合成盐酸外，大部分氢气被排放了，2005年建设冀衡循环经济园后，化学公司离子膜法烧碱装置产出的氢气得到了有效的利用，2011年前用它来合成盐酸、压缩氢气装瓶后运到冀衡药业制药和输送到就近的蓝天公司生产苯胺，氢气基本上全部得到利用。2011年化学公司新扩建的150kt／a离子膜法烧碱装置投产后，烧碱产能达300kt／a，氢气除满足以上几种用途外，尚有超过4 000m3／h的氢气排空，每天造成7万多元的经济损失。为此，集团公司要求把这部分剩余氢气输送到冀衡化肥公司生产合成氨。电解产生的氢气纯度为98.5%，还有1.5%的其他气体（水蒸气、O2、N2等），而合成氨的原料气为半水煤气，其主要成分为CO27.5%、O20.4%、CO 30%、H242.6%、N217.4%、CH42.1%；经查找有关资料，用氯碱装置电解副产的氢气生产合成氨是完全可行的。但是，由于电解产生的氢气含有饱和水蒸气，并夹带少量其他杂质，在输送过程中会因温度降低而出现冷凝水，特别是冬季气温达零度以下时，若管道保温不好和排水不及时，极易造成冷凝水结冰而堵塞管道；氢气属于易燃易爆气体，其防火、防雷、防静电等级要求特别高；而且，化学公司氢气分配站到化肥公司气柜有1 300多米，如此长距离输送氢气，安全方面有一定的难度。为了实现安全输送氢气，我们查阅了大量关于氢气输送的资料，采取了一系列措施，成功将其引入合成氨装置回收利用，现简介如下。

1 氢气输送方案

1.1 管道路线

将化学公司氢处理岗位的氢气分配台作为起点，沿氯碱装置南北大管廊再向东1 300多米到化肥公司10 000m3半水煤气大气柜。为减少投资，管道尽量走原有管道管廊支架，并用部分较好的旧管道做支架；氢气管道与热载体管道要离开300mm的距离。

1.2 输送压力、阻力分析

输送管道拟选用400mm的管径；化学公司离子膜电解槽氢气压力为45kPa，氢气出来经盐水预热器—喷淋塔—水雾捕集器进入氢气分配台，压力降为19kPa，系统压力比较稳定；化肥公司气柜的最高控制压力是3.92～4.12kPa（400～420mmH2O）；氢气的管道输送阻力很小（DN400的管道，阻力小于1kPa），因此，不用加压设备便可输送到化肥公司半水煤气气柜。

1.3 流速的确定

化学公司离子膜烧碱装置生产氢气的总量按9 000m3／h，合成盐酸和压缩氢气用1 000m3／h、蓝天公司苯胺用4 000m3／h，剩下4 000m3／h输送到化肥公司10 000m3气柜。其流速选择根据《氢气站设计规范》（GB50177—2005—12）的规定：碳素钢管，设计压力在0.1～3.0MPa时，氢气的最大流速为15m／s；我们的输送压力为19kPa（0.019MPa）以下，最大流速应取15m／s以下。

1.4 管径的确定

若氢气的流速按U＝15m／s计算，化学公司输送到化肥公司氢气量Q≈4 000m3／h＝1.11 m3／s，由公式Q＝3.14×R2×U，计算出输送管道直径D＝0.308m。所以，氢气管道直径最小应选φ325×8mm；为了保证安全，选用φ426×10mm的无缝钢管。

再验算一下流速，U＝Q／（3.14×R2）＝8.6 m／s，在氢气的安全流速范围内；φ426×10mm的管道，氢气最大安全流量为Q＝3.14×R2×U×3 600＝6 987m3／h。

2 安全措施

2.1 入气柜前安全水封

入气柜前的水封直径为1.2m、高2.0m，进出口管道通径为426×10mm，水封高度为500mm。当氯碱生产系统停电、紧急停车时，氢气突然消失，此处氢气水封内的水会在气柜的压力下进入水封进口氢气管道，与水封内的水面高度差达420mm时，管道内的水不再上升，而气柜内的最高压力为4 120Pa（420mmH2O），保证了气柜内的半水煤气不进入氢气管道。同时，氯碱调度用对讲机马上通知化肥调度采取应急生产措施，并且化肥公司气柜水封槽自动补水保证水封水位高度，防止半水煤气倒入氢气管道引起事故，确保氯碱生产系统的安全。

2.2 半水煤气气柜自动放空

半水煤气气柜有效容积为10 000m3。其进口设有自动放空装置，当气柜压力达到4 120Pa（420mmH2O）时，气动放空阀自动打开，实现半水煤气的自动放空，确保气柜压力稳定在3 920～4 120Pa，从而确保输送管道内氢气压力的稳定，保证气柜内的气体不进入氢气管道，确保氯碱生产系统的安全。

2.3 氢气分配台安全水封

安全水封设在化学公司氢气分配台输送的起点，安全水封直径为2.0m、高3.0m，进出口管通径为400mm，水封有效高度为2 200mm。如遇化肥生产突然停电或合成氨生产系统紧急停车时，致使突然停止使用氢气，氢气输送管道内压力将急剧升高，压力达21560Pa（2200mmH2O）以上时，氢气将冲破安全水封自动放空；出现突然停车时，化肥调度要立即用对讲机通知化学调度落实切断氢气阀门，确保氯碱系统压力的稳定。

2.4 防火、防静电、防雷

氢气输送管道水平距离15m内禁止动火，并有禁火标识。防静电措施，我们沿氢气管道每隔25m处，用40×4mm的扁铁做接地线接地，其电阻小于6Ω，直接焊接在管道上，把静电导入地下；有阀门法兰处用6mm2铜线把两个法兰接通，防止静电积存；维修工具和开关阀门的扳手必须是铜工具。防雷措施，在已有避雷针防护不能覆盖的区域，增设避雷针。

2.5 管道防堵塞防冻

氢气管道用较好的80mm厚岩棉保温，外皮用3布4油玻璃钢糊皮保护。从化学公司氢气分配台到化肥公司10 000m3气柜之间的氢气输送管路上，增设多个氢气冷凝水导淋装置，每隔30～50m设排水导淋插入安全水封中，阀门小开随时排水，以防管路积水影响生产；在氢气管道的各个龙门高点上设置氢气放空阀，并装有阻火器，以利于开停车及检修时置换氢气。

2.6 阀门

大部分阀门采用衬胶蝶阀，防止阀芯和阀体因摩擦而产生静电。

此外，为了保证安全稳定运行，在氢气成功输送后，我们制定了《冀衡园区氢气生产使用安全操作规程》，并对相关岗位人员进行严格的培训，以保证化学公司氯碱系统和化肥公司合成氨系统的安全稳定运行。2011年10月22日投用至今，氢气输送管道均运行正常。

3 效益分析

整个氢气输送系统的管道、支架、土建、保温、阀门、排水装置等共投资80多万元。氢气的输送量按4 000m3／h，化肥装置运行330d／a计，则可回收化学公司排放的氢气4 000×24×330＝31 680 000m3／a，大大减少了环境污染，可为化学公司创造效益950万元／a。

此项目完成后，化学公司为化肥公司提供浓度为98.5%的氢气4 000m3／h，氢气平均价格0.55元／m3（不含税价格为0.47元／m3）；化肥公司用煤气化制氢气的成本为0.52元／m3，则购买化学公司的氢气可节省（0.52－0.47）×4 000×24×330＝158.4万元／a。同时，减少了大量SO2和废渣的排放。项目正常运行后，一年就可收回投资。

合成氨是由氮气、氢气在高温、高压、催化剂的作用下合成的，利用空气中的氮气为合成氨的原料，有充分的保障；而氢气是由白煤和蒸汽、空气在煤气炉中生产的，主要原材料为白煤，随着白煤价格的升高，合成氨成本越来越高，节能降耗迫在眉睫。将氯碱装置排空的氢气引入合成氨装置回收利用，符合循环经济的发展理念，可充分利用有效资源，且其投资少见效快。