圖為新疆圣雄能源股份有限公司合成爐現(xiàn)場。
化學(xué)工業(yè)的一個重要特點就是煤、石油、天然氣既是能源，又是原料，占產(chǎn)品成本的25%～40%。這一特點使得節(jié)能工作在化學(xué)工業(yè)中有著極為重要的意義。化工生產(chǎn)往往在較高的溫度、壓力下操作，需要大量的冷卻水，故化學(xué)工業(yè)也是用水大戶。
用氯氣和氫氣反應(yīng)生產(chǎn)氯化氫氣就是一個典型。該反應(yīng)會產(chǎn)生可觀的反應(yīng)熱能，但長期以來一直難以高效回收利用，既造成熱能大量流失，又帶來熱污染。與此同時，生產(chǎn)氯化氫的氯堿行業(yè)產(chǎn)能過剩，開工不足，企業(yè)經(jīng)濟效益滑坡，節(jié)能減排成為企業(yè)挖潛增效的必由之路。
在此背景下，江蘇蘇宇化工設(shè)備有限公司應(yīng)勢研發(fā)成功第四代氯化氫合成爐——全自控副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐，實現(xiàn)了氯化氫反應(yīng)熱能的高效回收，同時免去了用水降溫工藝環(huán)節(jié)，節(jié)省了水資源和相應(yīng)的水循環(huán)動力消耗。此外，以前的合成爐均為手動控制，難以平穩(wěn)生產(chǎn)，安全隱患很高。新裝置配備了自動點火系統(tǒng)，顯著提高了合成爐的安全性。因此，全自控副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐的工業(yè)化推廣將成為行業(yè)發(fā)展大勢所趨。
在日前舉辦的全自控副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐技術(shù)交流會上，氯堿行業(yè)專家、內(nèi)蒙古伊東集團東興化工有限公司總工程師張宇充分肯定了該合成裝置的技術(shù)先進性。他說：“江蘇蘇宇的合成爐突破了沸騰鹽酸對鋼制部分的腐蝕，從而使合成鹽酸中鐵離子含量大大降低，遠遠低于優(yōu)級品的水平。這是可以在氯堿行業(yè)大力推廣的節(jié)能產(chǎn)品。合成裝置的比值控制是我多年來一直想要實現(xiàn)的目標。”原大沽化工股份公司總機械師王成浩認為：“鋼制蒸發(fā)段耐壓高，熱效率高，蒸汽產(chǎn)量大，再加上合成裝置的巧妙設(shè)計，使裝置的維修量少，維修費用小，減少了停車次數(shù)和停車時間，給企業(yè)真正帶來了實惠。”中機工程啟源咨詢設(shè)計有限公司董事長李伏提出：“江蘇蘇宇公司的合成裝置產(chǎn)能大，每臺氯化氫產(chǎn)能達到150噸/天，而且真正實現(xiàn)了自動點火、自動控制、自動聯(lián)鎖，是行業(yè)中領(lǐng)先的節(jié)能減排的設(shè)備。”
江蘇蘇宇化工設(shè)備有限公司總經(jīng)理 許杰
節(jié)能減排為企業(yè)增效
長期以來，對于氯化氫合成中的熱能利用，國內(nèi)主要有二種方法：一是使用鋼制水夾套氯化氫合成爐副產(chǎn)熱水。這種鋼合成爐在爐頂部和底部容易被腐蝕，使用壽命短，副產(chǎn)的熱水應(yīng)用范圍有限,目前已經(jīng)基本被淘汰；二是使用石墨制的氯化氫合成爐副產(chǎn)熱水或0.2～0.3MPa壓力的蒸汽，但由于石墨是非金屬脆性材料，副產(chǎn)蒸汽時存在安全隱患，而且熱能的利用率只能達到30％～40％。另外，為防止石墨爐筒受熱升溫過快導(dǎo)致爆裂，合成爐點火開車后，要小負荷運行約2個小時后才能提升負荷，給生產(chǎn)負荷調(diào)整帶來不便。
江蘇蘇宇設(shè)計制造的氯化氫合成爐克服了以上兩種方法的缺點。它采用三段式結(jié)構(gòu)：在合成爐的中間高溫區(qū)段，使用鋼制水冷壁爐筒；在合成段頂部和底部鋼材容易受腐蝕的區(qū)段，采用石墨材料制作，這樣既克服了石墨爐筒強度低和使用溫度受限制的缺點，又克服了合成段的頂部和底部容易被腐蝕的缺點。由于產(chǎn)汽承壓段采用鋼制水冷壁爐筒，從而使氯化氫合成的熱能利用率提高到70％，其承壓能力也大大提高，目前我們已經(jīng)做到產(chǎn)出蒸汽壓力最高達到1.4MPa，從而使副產(chǎn)蒸汽壓力可在0.2～1.4MPa間任意調(diào)節(jié)，可并入中、低壓蒸汽管網(wǎng)使用，使熱能得到充分利用。
與此同時，合成爐在開車前用外來蒸汽預(yù)熱到150℃以上，運行時爐內(nèi)溫度平均在2000℃以上，停車后首先用氮氣吹掃后保壓，并保溫在150℃以上，即合成爐內(nèi)溫度始終高于鹽酸的露點溫度108.5℃，所以，合成爐鋼制部分不存在鹽酸腐蝕和合成氣中鐵離子超標的危險。
全自控副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐有三大優(yōu)勢：
一是蒸汽壓力高，產(chǎn)汽量大。氯化氫合成的熱能利用率達70％，每生產(chǎn)1噸氯化氫可產(chǎn)0.8MPa蒸汽０.６～０.７噸。
二是設(shè)備維修量小，維修周期長。石墨冷卻段的結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，通過采用中心腔的結(jié)構(gòu)，使高溫氯化氫氣體不再直接沖擊石墨換熱塊，避免了石墨塊因長時間直接接觸高溫氣體易產(chǎn)生裂縫滲漏問題。同時，由于蒸汽發(fā)生段獲取的熱量多，到達冷卻段的熱量相對減少，由此可避免冷卻段下部石墨的換熱塊局部過熱而爆裂導(dǎo)致停產(chǎn)。這樣蒸汽發(fā)生段和冷卻段都能保持長時間穩(wěn)定的運行，為企業(yè)節(jié)省了大量的檢修費用，避免了非正常停車所造成的損失。
三是完善的自動化控制。實現(xiàn)氯氣、氫氣的自動配比和氯化氫合成系統(tǒng)的自動控制一直是氯堿行業(yè)長期關(guān)注的課題。合成爐裝置控制系統(tǒng)采用自動點火裝置、自動聯(lián)鎖保護系統(tǒng)、氫氣和氯氣自動配比控制和汽包部分的自動控制，從而最大限度地保證氯化氫產(chǎn)品的質(zhì)量，使生產(chǎn)裝置安全運行。運用自控系統(tǒng)，生產(chǎn)基本可以做到無人值守，大大減輕工人的勞動強度；避免了操作工誤操作對氯化氫合成造成的危害；通過流量計及調(diào)節(jié)閥的精準計量及控制，能確保氫氣與氯氣的配比，可以避免以往通過人工控制氯氫流量、觀察火焰顏色可能造成的控制和觀察失誤，提高了整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性；系統(tǒng)一旦控制失靈，氯氫流量失常，生產(chǎn)裝置會自動停車。
根據(jù)運行裝置可知，每合成1噸氯化氫氣體可副產(chǎn)中壓蒸汽0．6～0．7噸；以日產(chǎn)150噸氯化氫為例，氯化氫合成系統(tǒng)裝置滿負荷生產(chǎn)時日產(chǎn)蒸汽約91噸，蒸汽單價以100.00元／噸計，年開車330天，年創(chuàng)效益約３０３萬元。
同時，由于氯化氫合成放熱大部分用來發(fā)生蒸汽，與石墨爐相比，循環(huán)冷卻水用量大幅減少，按一般循環(huán)水裝置配置需約75千瓦動力電、電價按0.5元／千瓦時計，每年可節(jié)約動力電費約30萬元。
此外，氯化氫合成系統(tǒng)副產(chǎn)的中壓蒸汽可直接并入中壓蒸汽管網(wǎng)，由此可以節(jié)省建立單獨低壓蒸汽管網(wǎng)的投資。本裝置熱力系統(tǒng)采用自然循環(huán)方式，而非強制循環(huán)方式，不需要消耗動力，由此每年節(jié)約的動力電費用約4萬元。
綜合來看，以日產(chǎn)150噸氯化氫為例，采用江蘇蘇宇副產(chǎn)中壓蒸汽合成爐與石墨爐相比，每年可創(chuàng)造效益約327萬元，比低壓蒸汽合成爐多創(chuàng)效２００多萬元。
甘肅稀土集團公司燒堿廠副廠長 蘇發(fā)東
高質(zhì)高效滿足發(fā)展需求
甘肅稀土集團是我國稀土行業(yè)大型冶煉骨干企業(yè)，也是我國稀土行業(yè)唯一的國家一級企業(yè)。燒堿廠為集團下屬二級單位。
甘肅稀土鹽酸合成裝置曾先后采用了鋼制合成爐及配套設(shè)備、上點火式三合一石墨鹽酸合成爐及配套設(shè)備生產(chǎn)鹽酸，滿足了不同時期發(fā)展需求，但是隨著稀土深加工產(chǎn)品的開發(fā)及生產(chǎn)，高純鹽酸產(chǎn)量、質(zhì)量已經(jīng)不能滿足公司發(fā)展的需求。老合成系統(tǒng)的安全性得不到保障，而且與新建離子膜裝置不能匹配，經(jīng)濟效益無法體現(xiàn)。其中的主要原因有四個方面。
一是運行控制手段落后，氯氫配比不易控制，防爆膜、尾氣管、尾氣塔頻繁爆炸和爆裂，生產(chǎn)過程存在著極大的安全隱患，生產(chǎn)不能平穩(wěn)運行，頻繁升降電流，經(jīng)濟效益不能完全發(fā)揮。高純鹽酸中游離氯含量一直偏高，不能滿足離子膜電解系統(tǒng)需求；
二是系統(tǒng)設(shè)備、平臺、框架梁老化腐蝕嚴重，也存在極大的安全隱患；
三是合成爐爐體及配套設(shè)施間距小、工藝管線交叉布置，通道狹窄，檢修不便，崗位工巡視存在安全隱患；
四是鹽酸合成裝置生產(chǎn)一直處于超負荷運行，與之配套的冷卻系統(tǒng)結(jié)垢嚴重，冷卻效果不好，須頻繁倒停爐、洗爐，石墨壽命縮短，并出現(xiàn)多處裂縫，雖經(jīng)粘接，鹽酸質(zhì)量仍無法保證。
為此，我公司通過考察了解，于2011年決定新建鹽酸合成裝置（2臺下點火式四合一石墨鹽酸合成爐，單臺產(chǎn)量200噸/日）及其配套設(shè)施（DCS控制系統(tǒng)、合成配電系統(tǒng)、循環(huán)水泵房配電系統(tǒng)、軟水循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)水加藥冷卻系統(tǒng)）。工程還包含土建基礎(chǔ)及防腐、鋼框架平臺、管架、管網(wǎng)鋪設(shè)、消防、防雷接地、除人體靜電、上下水、照明、應(yīng)急照明、對講通訊及有毒有害氣體檢測等內(nèi)容。
江蘇蘇宇化工設(shè)備有限公司通過我公司的招標，對該項目進行EPC總承包（交鑰匙工程），包括設(shè)計、采購、施工、安裝、調(diào)試、試運行、人員培訓(xùn)、達產(chǎn)達標等全過程的承包。
2012年7月17日，四合一鹽酸合成裝置及配套設(shè)施項目土建奠基動工，當年11月30日開車，截至目前已經(jīng)運行半年多。運行初期，2臺合成爐就相繼通過了72小時性能考核，產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量均達產(chǎn)達標；裝置、配套設(shè)施、設(shè)備運行平穩(wěn)，生產(chǎn)系統(tǒng)運行平穩(wěn)，主要經(jīng)濟技術(shù)指標達到技術(shù)協(xié)議要求。
四合一鹽酸合成裝置項目的建成，使我們成為國內(nèi)少數(shù)可以全自動點火及自動控制運行的企業(yè)。遠程操作使崗位工安全得到了保障，消除了點爐及運行過程中存在的安全隱患。
合成系統(tǒng)的開停車安全、可靠，生產(chǎn)高效、安全、平穩(wěn)，產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量均滿足了稀土發(fā)展的需求，高純鹽酸質(zhì)量遠遠優(yōu)于原化工部標準，鹽酸含游離氯小于5ppm。鹽酸合成系統(tǒng)完全消耗了電解產(chǎn)生的所有氫氣，高純鹽酸日產(chǎn)量較改造前增加60噸。
合成爐冷卻系統(tǒng)采用軟水循環(huán)冷卻，可避免頻繁倒停爐、洗爐，避免了爐體外殼腐蝕；合成冷卻系統(tǒng)冷卻效果非常好并且穩(wěn)定，設(shè)備的檢修頻次降低，大大減輕了操作工的勞動強度，確保了整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、高效、平穩(wěn)及長周期運行。循環(huán)水冷卻采用無電耗節(jié)能風機冷卻塔，節(jié)電效果明顯。
四合一鹽酸合成裝置及配套設(shè)施項目實施后，公司實現(xiàn)了循環(huán)水、廢水的零排放，合成系統(tǒng)尾氣達標排放；年多產(chǎn)高純鹽酸12000噸，僅增產(chǎn)鹽酸一項就可為公司年增加經(jīng)濟效益660萬元；四合一鹽酸合成冷卻水系統(tǒng)改造及氯氫冷卻系統(tǒng)優(yōu)化，改造前運行電機總功率172千瓦，改造后為134千瓦，年可節(jié)電30萬千瓦時，年節(jié)約資金15萬元；冷卻水系統(tǒng)的水溫降低，實現(xiàn)了鹽酸合成裝置、氯氫處理、冷凍崗位對循環(huán)水的較好利用和指標優(yōu)化，年節(jié)水250000噸，年節(jié)約費用200萬元。項目的總體經(jīng)濟效益和安全效益非常明顯。
河南神馬氯堿化工股份有限公司氯氫分廠副廠長 俞廣亞
技術(shù)進步提升競爭力
河南神馬氯堿化工股份有限公司是中國平煤神馬集團鹽化工板塊的龍頭企業(yè)，是河南省氯堿骨干企業(yè)。
氯堿行業(yè)發(fā)展迅速，企業(yè)規(guī)模不斷擴大，技術(shù)進步日新月異，市場競爭日趨激烈。神馬氯堿堅持走科技進步之路，持續(xù)進行新技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用，不斷提高企業(yè)的核心競爭力。副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐的引進投用是我公司節(jié)能降耗的一項重要舉措。
眾所周知，在氯化氫合成過程中，氯氣與氫氣反應(yīng)生成氯化氫時伴隨釋放出大量反應(yīng)熱，這些熱量相當可觀，但如何對其加以合理利用是行業(yè)亟待解決的問題。2012年8月份，我公司通過節(jié)能投資的方式使用江蘇蘇宇化工設(shè)備有限公司生產(chǎn)制造的副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐，替代原有的鋼制合成爐，充分利用了氯化氫合成爐的副產(chǎn)熱量。該副產(chǎn)中壓蒸汽氯化氫合成爐經(jīng)過近一年的使用，運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。
江蘇蘇宇化工設(shè)備有限公司副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐自動化程度高，合成爐點火、氯氣和氫氣的配比、蒸汽系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)、氯化氫含量和游離氯的分析、聯(lián)鎖保護等實現(xiàn)全自動化操作，運行安全穩(wěn)定。該合成爐在高溫區(qū)段使用鋼制水冷壁爐筒；在合成爐頂部和底部鋼材容易受腐蝕的區(qū)段，使用石墨制爐頂爐底。采用這種方法，既克服了合成爐的爐頂和底部容易被腐蝕的缺點，又克服了石墨爐筒強度和使用溫度受限制的缺點，從而使氯化氫合成的熱能利用率提高到70%，副產(chǎn)蒸汽壓力可達0.8～1.4MPa，可與中壓蒸汽網(wǎng)并網(wǎng)使用，使熱能得到充分利用。
該副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐與石墨合成爐相比，爐筒部分采用鋼制水冷壁爐筒吸熱發(fā)生蒸汽，替代原來石墨爐筒循環(huán)水冷卻的結(jié)構(gòu)，水冷壁管內(nèi)熱水吸收爐內(nèi)高溫氯化氫氣體的熱量后上升到汽包內(nèi)，部分水氣化成蒸汽產(chǎn)出，熱利用效率高，熱輻射小。
我公司對副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成爐運行情況的統(tǒng)計顯示，該裝置平均每小時產(chǎn)蒸汽量為2.89噸。以我公司現(xiàn)在蒸汽價格為280元/噸計，一年的經(jīng)濟效益可達416萬元，經(jīng)濟效益相當可觀。
該合成爐自動化程度高，主要包括自動點火單元、自動聯(lián)鎖保護單元、氫氣氯氣自動配比控制單元、汽包部分自動控制單元組成。系統(tǒng)實現(xiàn)DCS集中控制，現(xiàn)場無人值守。
其自動點火單元由在線火焰檢測、自動切斷閥、高壓點火裝置和程序控制組成。操作人員可以根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要逐步提升負荷，既安全又便捷，操作簡便。
自動聯(lián)鎖保護單元設(shè)有氫氣壓力、氯氣壓力、冷卻水流量、汽包壓力、汽包液位、氫氣流量與氯氣流量比值聯(lián)鎖，在線火焰聯(lián)鎖保護，當出現(xiàn)危及生產(chǎn)的異常情況時，能立即執(zhí)行停車保護程序，進行自動充氮氣保護。
氫氣、氯氣自動配比控制單元可實現(xiàn)精確的自動流量控制，根據(jù)生產(chǎn)控制中氯化氫的純度分析來設(shè)定氫氣、氯氣適當?shù)谋戎担谏a(chǎn)中若氫氣、氯氣的純度在波動時，及時分析氯化氫純度調(diào)整比值實現(xiàn)兩者的自動控制。
汽包蒸汽部分自動控制單元包括汽包液位的自動控制，蒸汽壓力自動控制、汽包液位低和蒸汽壓力高的聯(lián)鎖保護。
該合成爐雖然使用了鋼制水冷壁爐筒吸熱發(fā)生蒸汽，但在操作程序上保證了設(shè)備溫度和氣體溫度遠遠高于鹽酸的露點溫度，從而解決了對鋼的腐蝕問題，自開車以來沒有出現(xiàn)高純鹽酸質(zhì)量不合格現(xiàn)象，完全可以消除鹽酸中鐵離子超標的顧慮。
該合成爐自投運以來運行安全可靠，自動化程度高，操作簡單，不但提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時也解決了鋼制合成爐熱污染的問題，提高了熱利用效率，取得了較好的經(jīng)濟效益，為公司技術(shù)裝備水平的進一步提升、為氯化氫合成的余熱利用開辟了一條很好的路徑，對氯堿企業(yè)很有借鑒意義。
圖為河南神馬氯堿化工股份有限公司合成爐現(xiàn)場。
新疆圣雄能源股份有限公司總工程師 朱秉謙
串起循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈
新疆圣雄能源股份有限公司是一家以發(fā)展煤電鹽化為一體的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)、生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品為目標的現(xiàn)代化煤化工企業(yè)。
公司于2008年3月在托克遜縣魚爾溝開始建設(shè)煤電鹽化循環(huán)經(jīng)濟項目，現(xiàn)已累計完成投資30億元。在項目建設(shè)中，我公司共采購江蘇蘇宇化工有限公司副產(chǎn)蒸汽氯化氫合成裝置5套，該裝置在我公司氯氫工序開車過程中發(fā)揮了巨大的作用。其優(yōu)勢體現(xiàn)在4個方面。
第一，自動點火系統(tǒng)是安全高效的保證。我公司處于偏遠的西北部，員工絕大部分是新招來的，技術(shù)水平低，安全意識差。該裝置采用自動點火，實現(xiàn)了DCS標準化的操作，減少了人工點火方式對操作人員經(jīng)驗的依賴，提高了操作安全性。
第二，自動控制穩(wěn)定生產(chǎn)過程。該裝置采用自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)氯氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，從而使安全生產(chǎn)得到有力的保證。
第三，該裝置采用了鋼制段取熱，管壁薄，傳熱效果好，副產(chǎn)蒸汽量大，節(jié)能效果顯著，符合國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃的產(chǎn)業(yè)政策，是節(jié)能減排的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。
第四，該裝置生產(chǎn)出的高純鹽酸能完全滿足離子膜用酸的要求。由于裝置在開車前、開車過程中和停車過程中保證了設(shè)備內(nèi)部和蒸汽系統(tǒng)的溫度遠遠高于鹽酸的露點溫度，所以高純酸中鐵離子含量可以滿足優(yōu)級純的要求。
