氯气液化生产中制冷系统的优化

2019-03-07吴红忠

中国氯碱 2019年2期

关键词：溴化锂制冷机冷水机组

吴红忠，郭鹏

（焦作煤业（集团）开元化工有限责任公司，河南焦作 454191）

焦作煤业（集团）开元化工有限责任公司（以下简称“开元化工”）成立于2009年10月，隶属于河南能源化工集团。已形成20万t/a离子膜烧碱、2万t/a三氯氢硅、3万t/a环氧氯丙烷、4万t/a环氧树脂生产能力。

一期20万t/a离子膜烧碱装置于2011年10月正式投产，目前生产稳定，形成了产、供、销一体的运营模式，是河南能源骨干企业之一。

开元化工通过利用合成炉副产蒸汽，优化氯气液化制冷系统，通过系统运行情况，在节能降耗方面取得了较好的效果。

1 氯气的物化性质及用途

氯气，化学式为Cl2。常温常压下为黄绿色，是具有强烈刺激性气味的剧毒气体，具有窒息性，密度比空气大，可溶于水和碱溶液，易溶于有机溶剂（如二硫化碳和四氯化碳），易压缩，可液化为黄绿色的油状液体，是氯碱工业的主要产品之一，可用作强氧化剂。

氯气能与有机物、无机物进行取代反应或加成反应生成多种氯化物。主要用于生产塑料、合成纤维、染料、农药、消毒剂、漂白剂溶剂以及各种氯化物。

氯气液化单元是烧碱装置中的重要环节，对装置生产起到重要的平衡缓冲作用。

2 氯气液化生产工艺

氯气压力与温度的平衡关系[1]见表1。

表1 不同温度下液氯的蒸气压

氯气液化的方法主要有3种：高温高压法、中温中压法和低温低压法[2]。

2.1 高温高压法

高温高压法氯气液化压力不小于0.8 MPa，液化温度约32℃，通常可直接采用冷冻水作为冷却介质。该方法采用了一步压缩无冷冻工艺实现氯气的液化。优点是工艺先进、流程简单、冷量损耗少、能耗低、经济效果好。缺点是系统操作压力较高，对仪表控制、设备及工艺管路系统的要求较高。

2.2 中温中压法

中温中压法氯气液化压力控制在0.4 MPa，液化温度通常控制在0～10℃。中温中压法流程与高温高压法相似，只是冷凝温度低，需用专用的制冷机组液化。目前常用的制冷机组有螺杆冷水机组和溴化锂制冷机组，该机组具有结构简单、紧凑，安装方便，占地面积小，易损件少，运转周期长，震动小，运行平稳等特点。该工艺装置操作压力低，安全、环保性较高。

2.3 低温低压法

低温低压法氯气液化压力控制在不高于0.20 MPa，液化温度通常控制在-20℃左右。目前，大部分氯碱企业采用此工艺，氯气液化机组采用与中温中压法相同的冷冻机组。该工艺具有流程结构简单、安全性高等优点。

由于该公司目前使用的是副产蒸汽的盐酸合成炉，每台合成炉副产蒸汽2.5 t/h。可充分利用此副产蒸汽作为溴化锂制冷机组的制冷动力。故采用中压液化工艺，该工艺具有安全、环保、节能、运行可靠等特点。

3 工艺流程概述

从氯压机过来的原料氯气，进入液化器液化，在液化器中大部分氯气被冷凝变为液氯（液化效率一般维持在94%），进入气液分离器，经过气液分离，液相流入液氯储槽。储槽中的液氯经过液下泵输送至包装区包装，进行装瓶或充装槽车，少量未液化的氯气排入尾氯系统，送至盐酸合成单元与氢气合成制成氯化氢气体或高纯盐酸。氯气液化工艺简图见图1。

4 生产现状

4.1 现有设备配置

开元化工氯气液化制冷装置设计为3台RHSCW-275×2J（T）A 螺杆机，1台螺杆机分为 2组冷水机组，1组冷水机组包括2个压缩机，每个压缩机功率为110 kW，系统共有12台压缩机，总功率为1 320 kW，1台螺杆机制冷量为1 700 kW，总制冷量为5 100 kW。1台16JH057溴化锂机组，制冷量为1 900 kW。正常生产运行需开1台溴化锂机组和1组螺杆冷水机组，基本满足生产系统冷却水的需求。

4.2 工艺改进原因

根据市场需求，该公司在2007年调整产品结构，由原来生产31%的高纯酸改为生产38%的高纯酸，因此需要将合成炉降膜吸收器冷却水由原来的循环水冷却改为7℃水进行冷却。因此需要在运行溴化锂机组的情况下增开2组螺杆式制冷机组对冷冻水进行制冷，才能满足生产所需的冷却水量、每年耗电3 520 000 kW·h。

4.3 螺杆式冷水机组和溴化锂冷水机组对比

螺杆式冷水机组和溴化锂冷水机组是目前国内制冷系统中常用的冷源设备，其各具优缺点。

4.3.1 螺杆冷水机组的特点

（1）优点

a.由于直接水冷式螺杆冷水机组以电力为动力，一般产品能效比大于4，是一种节能产品；

b.设备初投资小，维修率低；

图1 氯气液化工艺简图

c.设计寿命高，使用年限长，能量衰减可忽略。

（2）缺点

螺杆冷水机组以电力为动力，对于电力紧张地区而言，单位电价较高，造成整机运行费用相对较高。

4.3.2 溴化锂冷水机组的特点

（1）优点

a.溴化锂机组的制冷剂为水，是对环境污染较少且价格便宜的制冷剂；

b.溴化锂制冷机组可利用工业废余热蒸气为动力，实现制冷循环，对电力的需求量不大，仅需要电能来驱动溶液泵和溶剂泵，所以它的耗电量很小（仅为压缩式的2%左右），故对电力资源较为紧张的地区，该产品有较大的优势，且运行能源费用较螺杆冷水机组要低。制冷剂为水以及溴化锂溶液对环境不构成破坏等优点，在化工、冶金等行业使用范围比较广泛。

（2）缺点

a.由于所用溴化锂溶液在有空气的情况下，对普通碳钢有较强的腐蚀性，使设备在使用地段时间以后出现较明显的能量衰减，从而降低了整台机组的实际产冷量，影响了使用效果，并且降低了机组的使用寿命；

b.设备造价较高，初投资费用大；

c.因为机组在高真空状态下工作，空气容易渗入，实践证明，即使只有极微量的空气渗入，也会严重影响机组的性能，因此，机组对密封性要求很高；

d.设备外形体积庞大，需配备专用机房（溴化锂还需配备专用冷媒及备用冷媒）；

e.溴化锂冷水机组对冷却水的水质要求很高，且冷却水用量一般为水冷螺杆式冷水机组的1.5倍左右，对于淡水资料较为缺乏的地区，投资及运行成本较高。

此外，螺杆制冷机组使用动力电，制冷可以制出0℃以下的冷水，使用范围广。而溴化锂冷水机组使用蒸汽为动力，使用一次蒸汽时费用高，仅能制出4℃以上的冷水，范围狭窄，因此使用溴化锂冷水机组必须采用利用回收蒸汽，才能降低生产成本。

结论：开元化工使用的是5台副产蒸汽的盐酸合成炉，每台合成炉每小时副产蒸汽2.5 t，正常生产时运行3台合成炉，每小时副产蒸汽7.5 t。现在运行的1台溴化锂机组消耗蒸汽4.2 t/h，还有3.3 t/h蒸汽富裕，未能回收利用，造成能源浪费，同时还消耗大量动力电，增加生产成本。

因此如何利用合成炉副产蒸汽，降低动力电消耗是优化制冷系统的关键。

由于集团内部多晶硅生产线受市场影响，一直处于停顿状态。为优化氯气液化制冷系统，利用副产蒸汽、降低设备动力耗电、提高设备利用率，由公司组织生产部、设备部以及分厂的相关人员到多晶硅生产线进行考察了解。2017年5月内部调剂闲置C-360AST和XI-330 2台溴化锂机组，制冷量分别为1 220 kW和3 300 kW，因此不需要重新购买新的溴化锂机组。

新增溴化锂机组在运行时所需蒸汽不足时可由公司氢气锅炉副产8～10 t/h 0.1MPa的低压蒸汽进行补充，确保溴化锂机组动力源正常供给。

根据以上条件：该公司使用溴化锂机组比螺杆制冷机组更节能、节效、环保。

4.4 优化方案

根据生产需求及时组织机电部、生产部和生产分厂形成项目实施小组，对所测量的具体数据进行分析、结合设计院设计出新增的溴化锂机组厂房选址、设备管道安装、所需材料、具体施工方案。

本着新增厂房与原厂房尽可能接近，充分利用原设备及管路的原则，最终确定在原有冷冻水厂房东侧空地上根据所测量的溴化锂基础尺寸，新建溴化锂机组厂房。在原冷冻水厂房北面循环水进、出口管道上开口，增加一趟DN500的循环水管道；将原有的蒸汽管道延长至新建厂房旁边；新增加的溴化锂冷冻水进、出口管道在原冷冻水厂房内与旧冷冻水管道连接。