王 磊，彭召臣

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山063305）

唐山三友氯堿有限責(zé)任公司（以下簡稱“三友氯堿”）近年來經(jīng)改擴(kuò)建已達(dá)到燒堿50 萬t/a 的產(chǎn)能，共有熱水式二合一石墨合成爐14 臺，副產(chǎn)蒸汽合成爐6 臺，其中，熱水爐中Φ1200（石墨套內(nèi)徑）型共9 臺，Φ1 500 型3 臺，另有2 臺Φ700 型鹽酸爐。 由于Φ1 200 熱水式合成爐冷卻器結(jié)構(gòu)及循環(huán)水水質(zhì)的原因， 原冷卻器在使用過程當(dāng)中常有泄漏情況發(fā)生，2013 年對其中3 臺合成爐的冷卻器進(jìn)行了改造。

1 氯化氫石墨合成爐

氯化氫合成爐是氯堿行業(yè)合成氯化氫的主要設(shè)備，現(xiàn)主要采用石墨材質(zhì)作為主反應(yīng)的設(shè)備材質(zhì)，這基于石墨的耐高溫、易傳熱、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。行業(yè)普遍采用的是二合一石墨氯化氫合成爐，下段為燃燒合成段，用于氫氣、氯氣燃燒反應(yīng)生成氯化氫氣體，上段為冷卻段，將氯化氫氣體使用循環(huán)水冷卻至40 ℃以下便于向外輸送。石墨合成爐的下段即氯氣與氫氣的反應(yīng)段采用純水作為換熱介質(zhì)，回收反應(yīng)時產(chǎn)生的部分熱量，副產(chǎn)熱水或蒸汽用于其他物料的加熱，也可用于溴化鋰制冷機(jī)組制取冷凍水。冷卻段采用循環(huán)水冷卻氯化氫氣體，將生產(chǎn)的高溫氣體降溫冷卻，使其中的大部分水蒸氣冷凝，減少在輸送過程中產(chǎn)生冷凝酸。

2 改造前設(shè)備結(jié)構(gòu)及運行情況

2.1 改造前設(shè)備運行情況

一期氯化氫合成爐自2005 年6 月運行以來，已經(jīng)過數(shù)次維修，從損壞情況看，絕大多數(shù)為冷卻器下氣室破裂造成向爐內(nèi)漏水。其中，9 臺Φ1 200 型熱水爐由于運行時間較長，經(jīng)拆卸冷卻器檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻器下氣室石墨塊處大多已被泥沙堵塞，該石墨換熱塊長期與高溫氯化氫接觸，無法與循環(huán)水進(jìn)行有效的換熱，造成石墨塊干燒損壞泄漏，設(shè)備檢修頻繁，造成生產(chǎn)負(fù)荷被動，改造前合成爐冷卻器結(jié)構(gòu)見圖1。

2.2 石墨冷卻器損壞原因分析

該公司地處華北地區(qū)，水資源緊張，循環(huán)水質(zhì)較差，泥沙多，補水水質(zhì)難以保證，循環(huán)水雖然閉路循環(huán)，但在涼水塔處是開放的，由于外界風(fēng)塵大，會導(dǎo)致空氣中細(xì)小的沙塵進(jìn)入，由于循環(huán)水系統(tǒng)沒有沉降池，過濾器等凈化設(shè)施，也無法徹底濾除，隨水流帶入冷卻器內(nèi)，在冷卻器內(nèi)因流速降低而分離沉降，而設(shè)備排污口因結(jié)構(gòu)原因又不能將沉降的泥沙全部排出，日積月累，導(dǎo)致大量泥沙等細(xì)小顆粒積存在冷卻器下部。參照圖1，冷卻介質(zhì)（循環(huán)冷卻水）由L 進(jìn)水口進(jìn)入，由P 出水口流出，為下進(jìn)上出，循環(huán)水在進(jìn)入冷卻器后在石墨換熱塊中經(jīng)外壁折流板折流而上，（這與普通列管換熱器相同），被冷卻介質(zhì)（氯化氫）從冷卻器下部進(jìn)入，由上部F 口出，所以冷卻器最底部的石墨塊接觸的是高溫氯化氫氣體，而大量泥沙沉積在此處，造成循環(huán)水流通不暢，長期與高溫氯化氫氣體接觸干燒，造成石墨件破裂。

圖1 改造前的冷卻器結(jié)構(gòu)

3 改造方案

3.1 合成段增加換熱塊

在Φ1 200 合成爐燃燒段頂部增加2 石墨換熱塊，總高約800 左右，通過石墨塊進(jìn)一步冷卻的作用降低進(jìn)爐頂冷卻器HCl 的溫度，可以大大延長水垢的結(jié)垢時間，殼體配套增加，并裝法蘭和現(xiàn)有爐相配。在現(xiàn)有熱水段的頂端對應(yīng)增加石墨換熱塊孔兩塊和外部鐵套，增加合成爐高度，改造工作不僅施工簡單，而且可以部分提高合成爐運行負(fù)荷，如采用截短熱水套則可能造成合成爐負(fù)荷受限；改造后好處在于，高溫的氯化氫氣體在進(jìn)入上部冷卻段時已經(jīng)被熱水預(yù)冷降溫，避免高溫氯化氫氣體在淤堵的冷卻器石墨塊中造成干燒損壞。

3.2 更換新型冷卻器

在Φ1 200 合成爐現(xiàn)有的爐頂重新制作帶逆流冷卻結(jié)構(gòu)的爐頂冷卻器（具體結(jié)構(gòu)見圖2），進(jìn)一步降低HCl 的溫度。更換新式冷卻器，將循環(huán)水與氯化氫氣體冷卻流程改為逆向換熱方式，可節(jié)約循環(huán)水的使用量，同時避免冷卻器下部石墨塊淤堵干燒，循環(huán)水下進(jìn)上出，氯化氫氣體上進(jìn)下出，雖然下部石墨塊易淤堵影響換熱，但上部塊孔不易出現(xiàn)淤堵，可以保持換熱效果，使氯化氫氣體溫度在到達(dá)下部石墨塊時已冷卻而不會燒壞下部淤堵的石墨塊，定期清理可保使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有冷卻器的壽命。

圖2 改造后冷卻器結(jié)構(gòu)

4 改造后運行效果

改造完成后，氯化氫出口溫度有了明顯的下降，合成爐的熱水回水溫度升高了大約2 ℃，由此可計算出回收的熱量Q：

Q=CMΔT=4.2×100×1 000×2=840 000（kJ）

降低的氯化氫的溫度ΔT 為：

ΔT=Q/CM=840 000/（0.811×3.3×1 000）=314（℃）

注：進(jìn)爐熱水流量為100 m3/h；氯化氫產(chǎn)量為3.3 t/h。

由以上數(shù)據(jù)可看出，增加2 個換熱塊后，增加了循環(huán)熱水與高溫氯化氫的接觸面積，使氯化氫進(jìn)冷卻器時的溫度降低了大約314 ℃；

由于氫氣、氯氣燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量是一定的，在反應(yīng)段上部增加了2 個石墨換熱塊后，一部分熱量被熱水吸收，可以減少冷卻器循環(huán)水的用量，降低生產(chǎn)成本。

冷卻器的換熱結(jié)構(gòu)由原來的順向換熱變?yōu)槟嫦驌Q熱，從而使氯化氫出冷卻器時接觸的是循環(huán)水進(jìn)水，對氯化氫氣體來說可以降低其溫度，對冷卻器來說，由于氯化氫在冷卻器上部時已經(jīng)被冷卻到了一定的溫度，到達(dá)下部時溫度已經(jīng)降低，雖然泥沙易沉積在設(shè)備底部，但低溫的氯化氫不至于再將設(shè)備燒壞，延長了設(shè)備的使用壽命。

5 改造費用及效益分析

5.1 改造費用

每臺設(shè)備材料報價43.6 萬元；其余安裝等費用3～5 萬元。

5.2 效益分析

（1）回收熱量：高溫氯化氫氣體在熱水段新增換熱塊處預(yù)冷降溫，熱量被熱水回收，送至溴化鋰制冷，可節(jié)省制冷電耗和蒸汽消耗，每臺爐每年4 萬元左右；

（2）節(jié)約循環(huán)水：由熱水換熱塊的熱量回收，使冷卻器需要的循環(huán)水量減少，按每臺合成爐100 m3/h循環(huán)水計算，每年可節(jié)約15 萬元（廠家確認(rèn)此節(jié)省循環(huán)水流量數(shù)據(jù)，設(shè)備原進(jìn)水口為DN200，更新后為DN100 管口）；

（3）節(jié)省檢維修及備件費用：按現(xiàn)有合成爐，每兩三年進(jìn)行1 次維修，維修冷卻器平均至少需花費15～20 萬元/臺（包含備件等），而新型冷卻器（二期合成5#合成爐，現(xiàn)運行4 年半，未發(fā)現(xiàn)任何問題）按五六年維修清理一次計算花費五六萬元，平均每年每臺可節(jié)約檢維修費3 萬元；

（4）安全效益：新結(jié)構(gòu)形式冷卻器，由于不易發(fā)生冷卻器燒壞漏水事故，大幅增加了設(shè)備穩(wěn)定運行周期，確保了生產(chǎn)的安全；每臺合成爐改造后，每年效益為22 萬元。

6 結(jié)語

從改造后的結(jié)果來看，該冷卻器能夠滿足生產(chǎn)需要，不僅降低了氯化氫的出口溫度，還可以回收一部分熱量供溴化鋰機(jī)組制取冷凍水使用，降低爐5 ℃水制取時的電消耗，在保證了生產(chǎn)安全的同時，也帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。