副产蒸汽氯化氢合成炉系统技术方案.doc

副产蒸汽氯化氢合成炉系统技术方案

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2020年4月19日
文档仅供参考

山东东营拓宇化工技术有限公司

副产蒸汽HCL合成炉系统

方案设计

江苏苏宇化工设备有限公司
-2-16

目录

一、项目要求及报价
二、副产蒸汽氯化氢合成炉行业发展情况
1、氯化氢合成系统副产中低压蒸汽基本原理
2、 国内氯化氢合成炉副产蒸汽现状及特点
3、新型副产蒸汽氯化氢合成炉的特点
三、副产蒸汽氯化氢合成炉主要设备及工艺流程
Ⅰ、合成炉主要设备
1、副产蒸汽氯化氢合成炉主体
2、汽包
3、预热器
Ⅲ、副产蒸汽氯化氢合成炉系统工艺流程：
1、氯化氢合成及冷却流程。
2、副产蒸汽流程。
3、循环水流程。
四、自动控制系统
1、自动点火系统
2、自动联锁保护系统
3、氢气、氯气自动配比控制
4、汽包部分的自动控制
五、节能减排及经济效益以及安全分析
六、主要性能指标
七、副产蒸汽HCL合成炉主要设备。
1、副产蒸汽HCL合成炉系统主要设备一览表
2、提供的备品备件及易耗品
包括灯头、防爆膜、四氟密封材料等

一、项目要求及报价
　　根据贵公司的要求：按合成炉每天产60吨HCl的采购条件，要求设计副产蒸汽的HCL合成炉，其副产蒸汽压力达到0.4-1.4MPa。装置操作操作弹性为：50%~110%；装置操作时间：8000小时/年。
副产蒸汽氯化氢合成炉系统单套含税价228万元（详见副产蒸汽HCL合成炉系统主要设备一览表）。
二、副产蒸汽氯化氢合成炉行业发展情况
1、氯化氢合成系统副产中低压蒸汽基本原理
氯气与氢气反应生成氯化氢时伴随释放出大量反应热：0.5H2十0.5Cl2=HCL+22.063Kca1／mol，即每合成1千克气态氯化氢放出605.11 Kcal热量。氯气与氢气在合成炉内以燃烧形式反应生成氯化氢，火焰中心区温度达到2500℃以上，生成的氯化氢气体温度在 ℃以上，这些热量相当可观，完全能够用来副产蒸汽。
2、 国内氯化氢合成炉副产蒸汽现状及特点
对于氯化氢合成中的热能利用，国内经历了以下阶段。
第一代是使用钢制水夹套氯化氢合成炉副产热水。这种钢合成炉在炉顶部和底部容易受腐蚀，使用寿命短，副产的热水应用范围有限,当前已经基本被淘汰。
第二代是使用石墨制的氯化氢合成炉副产热水，主要原理是经过承压石墨内筒和钢制外筒之间水吸热，产出大于85度的热水，是当前国内一些氯碱企业较多采用的合成炉。但由于其合成炉的结构特点所限，其内部热水不能自循环，需要经过外循环泵强制循环。这就导致热水吸热不稳定，造成合成炉出口的HCL温度变化大，有时会出现HCL出口温度过高，达不到工艺要求。另外，由于吸热的石墨内筒温度一般低于100度，会导致在石墨内筒上出现大量冷凝酸，客观的造成合成炉产生冷凝酸过多。特别是一旦由于受热不均易引起石墨内筒出现渗漏，导致HCL气体进入热水中，使热水的PH值降低，腐蚀钢制外筒和热水循环管道，严重的导致更换。这就导致副产热水HCL合成炉系统运行的不稳定，出现频繁的检修和更换，对企业的安全和连续性生产造成重大的损失和影响。
第三代的副产低压蒸汽HCL合成炉是国内合成炉厂家经过改进副产热水的石墨内筒材质，提高承压能力，副产出0.2～0.3Mpa压力的蒸汽。
但由于石墨是非金属脆性材料，受强度和使用温度的限制，在副产蒸汽时石墨炉筒作为产汽的受压部件，安全上存在一定隐患，而且热能的利用率只能达到30％～40％，采用该方法副产低压蒸汽应用范围同样有限。而经过改进石墨材质，也只能在一定程度上提高产出蒸汽压力，其提高程度有限，而且大幅提高了制造成本，并在使用过程中对工艺操作有更加高的要求，增加了操作的复杂性。另外，由于本身石墨材料的原因，为防止石墨炉筒受热升温过快导致爆裂，合成炉点火开车后，要小负荷运行约2个小时后才能提升负荷，这对生产负荷的调整带来了不便。
3、新型第四代全自动副产中压蒸汽氯化氢合成炉的特点
本公司设计制造的第四代全自动副产蒸汽氯化氢合成炉在热能利用中克服以上几代的缺点，采用三段式结构：在合成炉的中间高温区段，使用钢制水冷壁炉筒；在合成段顶部和底部钢材容易受腐蚀的区段，采用石墨材料制作。采用这种方法既克服了石墨炉筒强度低和使用温度受限制的缺点，又克服了合成段的顶部和底部容易腐蚀的缺点。而且，由于其自身结构条件特点（见第三节的合成炉主要设备介绍），无需外循环泵，热水能在产汽系统内自循环，使产汽段吸热效率始终保持稳定，避免了HCL出口温度的波动。正由于其副产蒸汽压力高，温度高（100度以上）的特点，不会在产汽内筒上形成冷凝酸，也就不存在腐蚀问题，这就避免了第二代合成炉所碰到的问题。也由于其产汽吸热段为钢制的特点，开车后，无需小负荷长时间升温，能够直接根据生产需求迅速提升负荷。而且由于产汽承压段采用钢制水冷壁炉筒，从而使氯化氢合成的热能利用率提高到70％，其承压能力也大大提高，当前我们已经做到产出蒸汽压力最高达到1.4MPa，从而使副产蒸汽压力可在0.4～1.4MPa间任意调节，可并入中、低压蒸汽管网使用，使热能得到充分利用。
另外，由于该合成炉系统自动化程度高的特点（从点火开车、过程控制到停车全实现DCS操作控制），降低了操作人员的操作强度。由普通的合成炉一对一的人员操作需求变成一个操作人员可操控数台合成炉，减少了企业对人力资源的需求和成本。
三、副产蒸汽氯化氢合成炉主要设备及工艺流程
Ⅰ、本系统主要设备包括副产蒸汽氯化氢合成炉、汽包、预热器。
1、副产蒸汽氯化氢合成炉
与常规的氯化氢合成炉相比，本系统合成炉的炉筒部分采用钢制水冷壁炉筒替代原来石墨炉筒的结构，自下而上分为氯化氢合成段、蒸汽发生段（第一冷却段）、氯化氢冷却段（第二冷却段）三部分。原料氯气、氢气从炉底进入，在石英制的燃烧器内（即氯化氢合成段）混合反应燃烧，反应后的高温氯化氢气体向上经过二段冷却至45℃以下后输出。蒸汽发生段为钢制水冷壁炉筒，其结构是由鳍片锅炉钢管焊接成的封闭圆筒，上下有环形集水箱，水冷壁炉筒与汽包经过管道连接，组成热水自循环系统，水冷壁炉筒钢管内软水吸收氯化氢气体的反应热后上升，经上端环形集水箱汇集进入汽包，部分水汽化成蒸汽产出，部分水与补充软水一道循环回流。
2、汽包为蒸汽发生分离装置。由钢制炉筒过来的过热水在汽包内闪蒸出蒸汽输出。汽包上设置有水位检测控制仪表，运行时经过自动补加软水保证汽包内维持一定液位。
3、预热器是一台列管式换热器，设置在汽包回水管与炉筒进水管之间，开车时用采预热系统内软水，停车期间用来保持钢制炉筒温度维持在90度以上，防止产生冷凝酸腐蚀。
Ⅲ、副产蒸汽氯化氢合成炉系统工艺流程：
副产蒸汽氯化氢合成炉系统从物料上分为三部分流程：氯化氢合成及冷却流程、副产蒸汽流程、循环冷却水流程。具体可参见工艺流程图。
1、氯化氢合成及冷却流程。原料氯气、氢气从炉底进入，在石英制的燃烧器内混合反应燃烧，反应后的高温氯化氢气体向上经过蒸汽发生段和氯化氢冷却段至45℃以下后输出。
2、副产蒸汽流程。软水经过高压水泵加压进入汽包，经过管道（汽包与蒸汽发生段有一定的液位差）进入预热器，再经过下部环形集水箱进入水冷壁炉筒钢管内，吸收氯化氢气体的反应热后上升，经过上部环形集水箱汇集进入汽包，部分水汽化成蒸汽产出，部分水与补充软水一道循环回流。
3、循环水流程。循环水进入下部燃烧段的夹套内（用于冷却石墨内筒，防止其过热），再经过连接工艺管进入上部的氯化氢冷却段内（用于冷却氯化氢气体），经出口输出。
四、自动控制系统
在自动化控制方面，针对该合成炉的结构特点，本公司开发了可靠的远程自动点火、完善的过程自动控制及安全的连锁保护系统，实现了从点火开车、过程控制到停车的全过程的DCS操作，大大提高了装置的自动化控制水平及本质安全。控制系统由以下五部分组成。
1、自动点火系统
自动点火系统由在线火焰检测、自动切断阀、高压点火装置和程序控制组成。在工艺允许点火条件满足的前提下启动点火程序，装置自动进行以下操作：首先是进行系统置换，然后经过点火专用的氢气、压缩空气点燃小火，最后引燃石墨炉主灯头。此后操作人员能够根据生产负荷的需要逐步提升负荷，即安全又便捷。
2、自动联锁保护系统
该装置设有：氢气压力低、氯气压力低、仪用气压力低、冷却水流量低、汽包液位、火焰在线监测等多个连锁保护，当任何一个联锁条件满足时，系统立即自动执行停车保护程序，并进行自动充氮保护，同时还设置了DCS及现场紧急停车按扭，以备特殊情况下使用，确保装置的安全。
3、氢气、氯气自动配比控制
根据生产控制中HCI的纯度分析来设定氢气、氯气适合的比值，该系统能够经过精确的氢气、氯气流量测量与调节实现氢气与氯气的自动配比控制。若生产中氢气、氯气的纯度发生较大的变动时，则要及时修正氢气与氯气的比值。而且经过对出口的高纯盐酸中游离氯的检测来控制调节氢气与氯气的比值。
4、汽包部分的自动控制
蒸汽分离的控制包括汽包液位的自动控制、蒸汽压力自动控制。即经过调节进软水调节阀的开度来控制汽包液位，对出口蒸汽阀的调节来控制产出蒸汽的压力。另外，为保护合成炉产蒸汽设备的安全，我们做了汽包液位低和的联锁保护以及对蒸汽压力高后的排放泄压。
五、节能减排及经济效益以及安全效益分析
1．热能利用率高。每合成1t氯化氢气体可副产低压或中压蒸汽0．7～0．8t。以日产60t氯化氢为例，氯化氢合成系统装置满负荷生产时日产蒸汽约42吨，蒸汽单价以200.00元／吨计，年开车8000小时，年创效益约280万元。
2．由于氯化氢合成放热大部分用来发生蒸汽，与常规炉型相比，循环冷却水用量大幅减少。以60t／d氯化氢合成炉来计算，每小时产出的热量为1.8*106 kcal／h，这部分热量68％左右以副产蒸汽的形式带走，若以循环冷却水的方式移热，则需消耗210t／h的冷却水量(循环冷却水温升按6℃计)，按一般循环水装置配置需约60kW动力电，电价按0.5元／度计，每年可节约动力电费用约10.5万元。
3．氯化氢合成系统副产的中、低压蒸汽可直接并入中、低压蒸汽管网，而副产0.2~0.5MPa蒸汽的合成炉，需要建立单独的蒸汽用户网。本方案能够节省建立单独蒸汽管网的投资。
4．本采统炉筒列管与汽包之间的软水流动采用的是热水自循环方式，不需要消耗动力。单套合成炉正常运行时仅需一台4KW软水补充泵的动力消耗，与软水强制循环的炉型单套需要15KW的热水循环泵相比，每年节约的动力电费用约5万元。当前国内大多数压力为0.2～0.5MPa的副产蒸汽合成炉均采用强制循环炉型。
5、由于该副产蒸汽合成炉在保证正常工艺操作条件的情况下，能保持长时间稳定的运行，企业能够按正常的检修计划作业，避免了非正常的停车检修。这对企业节省了大量的检修费用和非正常停车所造成的损失。
从以上分析看，以日产60t氯化氢为例采用副产蒸汽合成炉与普通炉相比每年可创造效益约235万元，效益相当可观，对于新建项目还能够节省循环水的投资。而且，由于该项目符合国家当前对企业的节能减排的政策要求，企业能够向国家有关部门申请到节能减排资金。这不但在经济效益上明显，同时也具有显著的社会效应，对企业对社会都有积极的意义。
在安全上，由于该合成炉系统采用了先进的设备制造技术、完善的的工艺水平和高度的自动化控制。比以往的老式合成炉相比大大提高了装置的本质安全。
六、主要性能指标
1．氯化氢合成系统(以日产60t氯化氢为例)
①氯化氢质量达到以下要求：
纯度95％
氯化氢出口温度≤45℃
②满负荷生产时单套副产1.4MPa蒸汽≥1.75t／小时；
自动控制系统实现DCS集中控制，现场无人值守。

七、副产蒸汽HCL合成炉主要设备及报价。
1、副产蒸汽HCL合成炉系统主要设备一览表
设 备 名 称
规 格 型 号
单位
数量
材 质
组合式副产蒸汽二合一HCL合成炉
FHL-900
台
1
石墨+碳钢
汽包
DN1000×3600
台
1
碳钢
预热器
Φ600*1450
台
1
碳钢
自动点火仪表
合同签订后提供
套
1

控制系统仪表
合同签订后提供
套
1

2、提供的备品备件及易耗品
防爆膜
3、提供的服务
我公司提供设备一览表里所包含的设备材料和自控仪表，并提供全套副产蒸汽氯化氢合成系统的工艺及自控软件包，负责指导安装施工、操作培训及开车。