氯化氢合成炉副产蒸汽回收利用

吴二宝

（安徽华塑股份有限公司，安徽 定远233290）

安徽华塑股份有限公司一期工程为年产32 万t烧碱和46 万t PVC， 其中烧碱装置于2010 年11 月开工建设，2012 年9 月一次开车成功； 共有8 台氯化氢合成炉（7 开1 备），氯化氢合成炉单台产能为135 t/d，氯化氢合成炉结构示意图见图1。

1 问题提出的背景及解决方案

氯气和氢气在氯化氢合成炉中反应生成氯化氢气体，反应的过程中放出大量的热量；华塑公司氯化氢合成炉结构分为三段，底部为燃烧段；中部高温区域为副产蒸汽段，脱盐水从底部进入，生成过热水，在闪蒸罐内闪蒸得到低压蒸汽；顶部为氯化氢冷却段，将氯化氢气体冷却到40 ℃左右。

原设计合成炉生产的蒸汽压力为0.25 MPa，用于驱动溴化锂机组生产7 ℃水用。 经过一段时间运行，副产蒸汽产量能达到设计值，但因前期设计余量较大， 溴化锂机组运行不能完全消化副产蒸汽，当系统满负荷时，副产蒸汽约有7.5 t/h 的蒸汽无法利用，只能排空，造成脱盐水及热能的大量浪费。

图1 合成炉结构示意图

为了充分利用这部分副产蒸汽，经讨论，提出两个利用方向作为回收利用副产蒸汽的方案。

方案一： 将副产蒸汽送至一次盐水及电解工序，供盐水加热用；方案二：提高副产蒸汽压力到0.4 MPa（表压），送至低压蒸汽管网，供系统低压蒸汽用户使用。

方案一将副产蒸汽送至一次盐水及电解工序加热盐水，因正常生产时盐水温度较高，加热盐水所需蒸汽需求不大，7.5 t/h 副产蒸汽无法用完，仍会有蒸汽放空。 因此该方案最终未被采用。 方案二将副产蒸汽提升压力后并入低压蒸汽管网；该方案对系统可能造成两个影响：（1）蒸汽压力提升后，氯化氢合成炉内部石墨块能否安全运行需要确认。 （2）原设计中副产蒸汽送溴化锂机组生产7 ℃水，溴化锂机组减温减压阀能否耐受压力较高的蒸汽需要确认。 经咨询合成炉厂家，副产蒸汽压力提升后，石墨块的运行不受影响； 溴化锂机组所配套的减温减压阀能够将0.4 MPa 的低压蒸汽降至机组所需的压力。

2 流体力学计算

2.1 计算基准

（1）烧碱装置共8 台合成炉，正常7 开1 备，单台合成炉满负荷生产135 t/d 氯化氢， 生产1 t 氯化氢副产蒸汽0.6 t。

（2）蒸汽压力P=0.4 MPa（G）；温度T=151.7 ℃；蒸汽密度ρ=2.667 3 kg/m3；

2.2 阻力计算

（1）满负荷生产蒸汽产量

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）流速确定

根据《化工工艺设计手册》提供常用介质流速主管30～40 m/s；支管流速20～30 m/s。 μ=0.0144 5 cp

确定回收管径DN350 满负荷u=v/3 600π r2=8 881.5/（3 600×3.14×0.175 2） =25.65（m/s）。符合工艺要求。

（3） 雷 诺 准 数 的 确 定：Re=duρ/μ=（0.35 m×25.65 m/s×2.66 kg/m3）/0.0144 5 mpa.s=1.653×106

（4）取钢管管壁绝对粗糙度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）。

压力降在15.745 kPa。 DN350 管线回收全部蒸汽没有问题。

2.3 现有管径回收计算

（1）如果选用现有DN200 管线实现在溴化锂机组全部停运时回收全部7 台合成炉满负荷生产产生的蒸汽。 流速u=78 m/s，远远超出规范30～40 m/s的规范要求，不可取（现有管线只能回收部分气体，如果实现全部回收需要将原有管径DN200 放大到DN350。

（2）在2 台溴化锂机组满负荷运行，7 台合成炉运行。

V=V总-V溴化锂=（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

取钢管管壁绝对粗糙度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）。

从输送阻力来判断可以顺利进行回收。

（3）现有管径回收全部蒸汽压降情况。

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

取钢管管壁绝对粗糙度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）。

输送合成炉全部副产蒸汽需要2.15 kg/cm2的压力差。 系统压力以3.5 kg/cm2； 合成炉设计压力5.6 kg/cm2；操作压力最高4.5 kg/cm2。

2.15 kg/cm2+3.5 kg/cm2=5.65（kg/cm2）超过合成炉设计压力。

所以要想实现全部回收合成炉副产蒸汽，并网管径需要选择DN350 的管径。

上面的工艺计算已经说明， 经过合理的改造后，合成炉可以生产0.4 MPa 的低压蒸汽。

3 改造中存在的问题

副产蒸汽回收改在中，当出现低压蒸汽管网压力上升时， 并网管路上需要设置放空管和止回阀，发生憋压造成合成炉损坏。

副产蒸汽回收改造完成后，每小时能回收低压蒸汽7.625 t，按照年运行时间8 000 h，0.4 MPa 低压蒸汽价格按照100 元/t 计，每年可以节约600 万元。

4 结语

副产蒸汽回收改造，经过近五年的运行，合成炉运行状态稳定， 未出现合成炉因蒸汽压力高造成设备内漏现象，除因管网压力波动造成蒸汽放空外，系统运行正常，溴化锂机组运行正常。为了降低蒸汽压力上升对合成炉垫片寿命的影响， 需要重新调整合成炉循环检修的周期，确保生产系统的安全稳定。