曹國玉

（陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司 （簡稱北元化工）100 萬t/a 聚氯乙烯綜合循環(huán)利用項(xiàng)目配套4 條VCM 轉(zhuǎn)化工序， 每條轉(zhuǎn)化裝置單獨(dú)設(shè)一套熱水塔，熱水塔初始開車使用低壓蒸汽加熱 （T≥80 ℃），主要用于合成轉(zhuǎn)化器、預(yù)熱器、精餾再沸器和公用工程板換換熱，正常運(yùn)行時，轉(zhuǎn)化器列管內(nèi)氯化氫和乙炔在裝填觸媒的催化下反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量， 熱量通過熱水塔內(nèi)的熱水進(jìn)行自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)換熱，換熱后的部分熱水閃蒸為低壓蒸汽（乏汽），通過管道回至熱水塔頂部冷卻器與精餾回水進(jìn)行換熱， 少部分低壓蒸汽冷凝為液態(tài)回至熱水塔內(nèi)， 而大部分低壓蒸汽排至大氣中，每條線約3 t/h，造成資源浪費(fèi)、熱量損失、生產(chǎn)消耗升高。

1 工藝流程

化工分公司聚氯乙烯分廠VCM 合成工序每條線熱水塔設(shè)4 臺熱水泵（見圖1），單臺泵供水流量為800 m3/h，正常運(yùn)行時用3 備1，熱水塔溫度為94～96 ℃，熱水塔出口管與4 臺泵連接，各臺泵出口匯至一根總管進(jìn)行熱水分配，熱水主要給合成轉(zhuǎn)化器、預(yù)熱器、精餾再沸器和公用工程板換換熱。因轉(zhuǎn)化裝置熱水需要量較大，地勢相對高，而公用工程地勢偏低，在實(shí)際操作過程中，供公用工程熱水閥門打開后影響轉(zhuǎn)化和精餾用水量，對轉(zhuǎn)化器影響比較明顯，越到用戶末端， 影響越嚴(yán)重。 轉(zhuǎn)化器溫度控制要求90～180 ℃、預(yù)熱器溫度≥80 ℃。 VCM 合成 AB 線熱水塔給一期公用工程供熱水，CD 線熱水塔給二期公用工程供熱水，熱水回水可以相互切換調(diào)節(jié)使用。每臺熱水塔初始補(bǔ)水約600 t。

圖1 VCM熱水塔工藝流程圖

2 生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題

一般情況下，VCM 合成根據(jù)精餾和轉(zhuǎn)化用水情況給公用工程調(diào)節(jié)供水。

（1）在實(shí)際運(yùn)行過程中，VCM 合成給公用工程供的熱水流量較小，無法滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行條件，影響熱水型溴化鋰機(jī)組的制冷效率，通過測量及數(shù)據(jù)分析，熱水型溴化鋰機(jī)組制冷能力為60%~70%；夏季室外溫度高的情況下， 公用工程熱水型和蒸汽型溴化鋰機(jī)組不得不全部開啟運(yùn)行， 導(dǎo)致7 ℃水冷凍機(jī)組無備機(jī)，同時7 ℃水上水溫度比較高，造成合成精餾系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，尾排壓力上升，溴化鋰機(jī)組蒸汽消耗增加。

（2）VCM 合成轉(zhuǎn)化、 精餾和公用工程熱水管道在一個分配臺上，若增大給公用工程供水量，精餾和轉(zhuǎn)化供水壓力和循環(huán)流量就會下降，影響轉(zhuǎn)化、精餾換熱，并影響轉(zhuǎn)化后總管指標(biāo)和單體質(zhì)量。

（3）VCM 合成熱水塔熱水溫度較高的情況下，經(jīng)轉(zhuǎn)化器換熱后部分熱水閃蒸變?yōu)榈蛪赫羝欧牛ǚζ?，目前尚無有效的回收措施，造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染并增加生產(chǎn)成本。

（4）公用工程熱水型溴化鋰機(jī)組全部運(yùn)行時，單臺溴化鋰機(jī)組熱水循環(huán)流量減少，不能滿足設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)熱水泵2 臺，1 用1 備，單臺泵設(shè)計(jì)流量為1 800 m3/h，溴化鋰熱水循環(huán)量設(shè)計(jì)為440 m3/h），導(dǎo)致制冷效率下降。

3 熱水分配可行性

結(jié)合目前運(yùn)行情況，提高公用工程熱水供用量，進(jìn)一步提高溴化鋰機(jī)組制冷效率， 適當(dāng)降低合成熱水塔溫度，減少熱水在換熱過程中的乏汽排放量?；ひ欢诠霉こ汤鋬稣靖髟O(shè)4 臺熱水型溴化鋰機(jī)組， 使用的熱量大部分為VCM 合成熱水塔熱水提供的熱量，熱水型溴化鋰機(jī)組熱水通過泵自身循環(huán)，與合成熱水進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)循環(huán)換熱制冷。

3.1 可行性分析

現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)： 公用工程溴化鋰機(jī)組合成熱水供水溫度t1=96.5 ℃，回水溫度t2=71.5 ℃，溴化鋰機(jī)組進(jìn)水溫度t3=78.6 ℃，出水溫度t4=72 ℃，熱水的比熱容 CP=4.2×103J/（kg·℃）。 公用工程熱水泵流量V1=1 800 m3/h。 計(jì)算過程如下（不考慮傳熱系數(shù)對換熱的影響）。

通過理論計(jì)算可知，正常情況下化工VCM 合成熱水塔給公用工程供的熱水理論流量約為475 m3/h，而設(shè)計(jì)要求為1 000 m3/h，同時溴化鋰機(jī)組設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫度為95 ℃和85 ℃，而實(shí)際運(yùn)行為78 ℃和72 ℃。

若單獨(dú)給公用工程增加1 臺熱水泵， 流量控制在1 000 m3/h，則溴化鋰機(jī)組進(jìn)出水溫差能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，換熱效率大大提高，可以減少蒸汽溴化鋰機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)，降低蒸汽型溴化鋰機(jī)組蒸汽消耗。

3.2 提高公用工程熱水供應(yīng)流量后，熱水塔熱水溫度變化情況

目前合成熱水塔溫度一般為96 ℃，熱水塔熱水循環(huán)量約為2 100 m3/h，VCM 合成精餾、轉(zhuǎn)化大概需要熱水循環(huán)量為1 650 m3/h，公用工程供水450 m3/h。按照給公用工程1 000 m3/h 供水流量計(jì)算， 即在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加550 m3/h 供水流量， 溴化鋰機(jī)組進(jìn)出水溫差按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算， 得出合成熱水塔熱水經(jīng)過換熱后的溫度。

熱水塔熱水經(jīng)過公用換熱后的溫度為96-18=78 （℃）。

經(jīng)過換熱的熱水回至熱水塔后熱水溫度的變化為：

96 ℃熱水循環(huán)量為 3 300 m3/h，78 ℃熱水循環(huán)量為1 000 m3/h（原運(yùn)行基礎(chǔ)上增加550 m3/h），兩種不同溫度熱水混合后溫度變化根據(jù)熱平衡方程：

得出 I2=384.6 （kJ/kg）。

查焓熵圖可得I2對應(yīng)的溫度為91.7 ℃。

3.3 轉(zhuǎn)化、精餾熱水供水循環(huán)量調(diào)整

現(xiàn)轉(zhuǎn)化和精餾單條線熱水循環(huán)量約為1650m3/h，溫度為 94~96 ℃，需要的熱量為663.63×106kJ。若滿足公用工程1 000 m3/h 供水流量， 熱水塔溫度變?yōu)?1.7 ℃。

根據(jù)熱平衡方程G2I2=G1I1

91.7 ℃熱水焓值為 I2=384.6 （kJ/kg），

得出 G2=1 725 （m3/h）。

即熱水溫度降低至91.7 ℃后，轉(zhuǎn)化和精餾需要的熱水循環(huán)量需要增加至1 725 m3/h，可以滿足換熱要求。

4 測試情況

2020 年 3 月 25 日-5 月 25 日， 北元化工根據(jù)《VCM 合成熱水塔余熱利用可行性分析報(bào)告》及《合成熱水塔熱量分配測試方案》， 組織對VCM 合成A線熱水塔熱量進(jìn)行分配測試。 本次測試考慮到熱水溫度的變化對觸媒活性的影響， 每個階段的調(diào)試時間相對比較長， 目的是防止轉(zhuǎn)化器后總管含酸和含乙炔超標(biāo)，測試過程中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.1 測試思路

在確保生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下進(jìn)行余熱分配測試。利用熱量平衡的原理，通過調(diào)整熱水塔供采鹵公用溴化鋰機(jī)組熱水量來降低合成熱水塔熱水溫度即閃蒸溫度， 也就是通過熱量分配調(diào)整尋找熱量平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)熱水塔不補(bǔ)水也不排汽，余熱完全被利用。

4.2 測試目標(biāo)

通過熱水分配調(diào)整使其既能滿足采鹵公用熱水型溴化鋰機(jī)組制冷需求的熱量，提高制冷效率，實(shí)現(xiàn)7 ℃水制冷機(jī)組備用， 同時減少蒸汽溴化鋰機(jī)組的投運(yùn)臺數(shù)， 降低蒸汽消耗， 也可實(shí)現(xiàn)降低熱水塔溫度，減少閃蒸蒸汽量，即補(bǔ)水量。 化工一二期公用工程冷凍站各設(shè)4 臺熱水型溴化鋰機(jī)組， 使用的熱量大部分為VCM 合成熱水塔熱水提供的熱量， 熱水型溴化鋰機(jī)組熱水通過泵自身循環(huán)， 與合成熱水進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)循環(huán)換熱制冷。

4.3 測試步驟及要求

（1）本次測試的溫度控制點(diǎn)分別為94 ℃、93 ℃、92 ℃和91 ℃。 第一階段下調(diào)溫度為2 ℃，后續(xù)階段為1 ℃，每個階段測試時間不低于20 天，保證觸媒有過渡期和適應(yīng)期。

（2）根據(jù)熱水塔溫度變化情況調(diào)整供采鹵公用的閥門開度，轉(zhuǎn)化、精餾的熱水閥門保持不變，分階段進(jìn)行調(diào)整，要求熱水塔溫度依次達(dá)到94 ℃、93 ℃、92 ℃和 91 ℃。

（3）采鹵公用保持原運(yùn)行方式，根據(jù)7 ℃水指標(biāo)變化情況，逐步關(guān)小蒸汽板換的閥門開度，做好相關(guān)記錄。

（4）每次調(diào)整后溫度保持不變，密切跟蹤VCM轉(zhuǎn)化、 采鹵公用的指標(biāo)變化情況， 詳細(xì)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）測試期間，指定專人負(fù)責(zé)，如發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化后總管及單臺轉(zhuǎn)化器指標(biāo)整體有明顯上漲的趨勢， 分廠及時反饋，可提出申請，停止測試，恢復(fù)原運(yùn)行方式。

4.4 測試過程

（1）3 月 25 日對轉(zhuǎn)化 A 線單條線進(jìn)行測試，轉(zhuǎn)化B 線供采鹵上回水閥門關(guān)閉，第一次調(diào)整轉(zhuǎn)化A線供采鹵公用一期閥門開度，實(shí)現(xiàn)A 線熱水塔溫度控制在94.0~95.0 ℃，通過調(diào)整穩(wěn)定后，供采鹵公用一期熱水閥門開度25%。 采鹵公用一期小板換蒸汽閥門開度調(diào)整至55%。4 月9 日，再次調(diào)整供采鹵公用一期熱水閥門，將閥門開度由之前的25%調(diào)整至40%， 轉(zhuǎn)化A 熱水塔溫度控制在 93.0~94.0 ℃，采鹵公用一期小板換蒸汽閥門調(diào)整至35%， 測試直至 6 月 9 日。

（2）6 月 9 日對轉(zhuǎn)化 A/B/C/D 線同時開始測試，測試前， 轉(zhuǎn)化A/B/C/D 線供采鹵的熱水閥門開度分別為40%、0、0 和20%，熱水塔溫度分別為93.8 ℃、96.9 ℃、96.9 ℃和 96.7 ℃。 調(diào)整后，供采鹵的熱水閥門開度分別45%、50%、45%和70%， 熱水塔溫度分別為 93.5 ℃、96.5 ℃、96.6 ℃和 96.5 ℃。 采鹵公用一期小板換蒸汽閥門開度未進(jìn)行調(diào)整， 公用二期小板換蒸汽閥門未調(diào)整。 6 月 17 日，B 線、C 線原來的3臺熱水泵運(yùn)行調(diào)整為4 臺運(yùn)行， 供采鹵熱水閥門開度分別調(diào)整至60%、53%、25%和38%。 熱水塔溫度分別為 93.8 ℃、95.5 ℃、96.9 ℃和 96.3 ℃， 采鹵一二期公用小板換蒸汽閥門開度由原來的20%調(diào)整至10%。7 月8 日，針對二期合成熱水塔溫度無明顯變化， 公司組織分廠排查并做了進(jìn)一步調(diào)整，7 月11日至7 月13 日，C/D 線熱水塔溫度最低分別降至93.1 ℃、92.1 ℃。

（3）8 月 4 日將 A/B 線熱水泵各啟動 4 臺進(jìn)行測試， 轉(zhuǎn)化A/B 線熱水供水閥門開度分別為30%，25%，熱水塔溫度分別由原來的96.5 ℃、96.9 ℃降至93.3 ℃、94.3 ℃。 采鹵蒸汽小板換蒸汽流量由原來的1 304 kg/h 降至 703 kg/h。

4.5 測試數(shù)據(jù)

（1）一線后總管樣（見圖 2）

圖2 轉(zhuǎn)化A線01后總管含氯化氫、乙炔

01 線后總管含酸及乙炔在控制范圍之內(nèi)，中間有上漲趨勢，主要是A 線有部分轉(zhuǎn)化器未及時抽翻觸媒，單臺設(shè)備含乙炔偏高。

（2）二線后總管樣（見圖 3）

圖3 轉(zhuǎn)化A線02后總管含氯化氫、乙炔

02 線后總管含乙炔有下降趨勢，后期運(yùn)行相對穩(wěn)定，含乙炔在1.5%之內(nèi)。

同理，BCD 線測試1 個多月以來， 轉(zhuǎn)化后總管指標(biāo)含氯化氫基本穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化D 線氯化氫整體有下降，主要是測試前期，02 線無汞觸媒投用2 臺，后總管指標(biāo)偏高；含乙炔略微上漲，和轉(zhuǎn)化A 線測試前期相似，調(diào)整前期指標(biāo)有波動。

（3）熱水塔溫度（見圖 4）

圖4 熱水塔溫度/℃

未調(diào)整前熱水塔溫度為96.3 ℃，第一階段調(diào)整至94 ℃能維持運(yùn)行，第二階段溫度不好控制，出現(xiàn)波動現(xiàn)象，最低溫度為92.6 ℃，熱水塔基本實(shí)現(xiàn)不排汽，達(dá)到熱量利用的平衡點(diǎn)。熱水塔溫度和壓力偶爾變化會出現(xiàn)少量排汽現(xiàn)象。

同理， 一二期兩條線同時給采鹵公用工程供水時，熱水塔溫度沒有明顯變化，當(dāng)B、C 線分別增加1 臺熱水泵投用后，B 線溫度明顯下降，降至95.5 ℃，C、D 線溫度略微下降，但下降不明顯。 說明C、D 線供往公用工程的水量增加不明顯。

（4）供采鹵公用熱水閥門開度（見圖5）

圖5 供采鹵公用閥門開度/%

供采鹵公用熱水閥門開度由25%調(diào)整為45%，因熱水塔溫度不好控制， 將供水閥門調(diào)整為40%，供水流量有所增加。 另采鹵公用蒸汽型溴化鋰機(jī)組使用蒸汽閥門開度由52%調(diào)整為35%，蒸汽使用量有所減少。

（5）溴化鋰機(jī)組板換蒸汽閥門開度（見圖6）

圖6 一期蒸汽板換閥門開度

一期合成熱水塔熱量分配期間， 采鹵公用工程一期小板換蒸汽閥門開度調(diào)小20%左右， 公用工程二期小板換蒸汽閥門開度無明顯變化， 調(diào)節(jié)閥門故障， 顯示開度12.5%， 崗位人員用旁路手動閥門調(diào)節(jié)，閥門開度根據(jù)溴化鋰機(jī)組進(jìn)口熱水溫度在10%~20%調(diào)整。二期合成多啟用1 臺熱水泵后，相對閥門開度調(diào)至最小。

5 存在的問題

（1）因超聲波流量計(jì)故障，合成熱水塔供采鹵公用的熱水流量未定量檢測，達(dá)到熱量利用平衡點(diǎn)時，不能獲得供水量相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）合成熱水塔補(bǔ)水改為蒸汽冷凝液，無法實(shí)現(xiàn)計(jì)量，影響熱水塔補(bǔ)水變化情況分析。

（3）熱水塔溫度調(diào)至第二階段時，供采鹵熱水回水分別回至AB 線熱水塔，現(xiàn)場手閥不好控制，熱水塔液位、溫度出現(xiàn)波動。

（4）轉(zhuǎn)化預(yù)熱器溫度有所下降，分廠未及時調(diào)整熱水在轉(zhuǎn)化與精餾之間的循環(huán)量。

（5）采鹵公用熱水循環(huán)量增大時，溴化鋰機(jī)組使用的蒸汽計(jì)量不準(zhǔn)確，影響分析核算。

（6）VCM 合成熱水塔單線給采鹵公用供熱水，溴化鋰機(jī)組制冷效率變化不明顯， 需要對另一條線熱水分配進(jìn)行測試，測試結(jié)束后，2 條熱水線同時給采鹵公用供熱水， 觀察溴化鋰機(jī)組制冷效率變化情況。

（7）熱水分配臺閥門有內(nèi)漏現(xiàn)象，導(dǎo)致熱水塔液位、溫度不好控制，調(diào)整頻繁。

（8）熱水塔溫度調(diào)至 93 ℃左右時，A 線熱水塔基本實(shí)現(xiàn)不補(bǔ)水，而B 線熱水塔液位通過A 線補(bǔ)水來維持穩(wěn)定運(yùn)行，脫吸停車后，熱水塔只能補(bǔ)純水進(jìn)行液位調(diào)節(jié)，溫度下降比較快。

（9）一期（二期）熱水換熱完成后回至AB 線熱水塔（CD 線），一二期回水管線各設(shè)1 臺調(diào)節(jié)閥，崗位人員為方便操作，通過調(diào)節(jié)閥控制回水量，導(dǎo)致熱水塔液位、溫度頻繁波動，崗位人員調(diào)整過于頻繁。

（10）熱水出水總管與溴化鋰機(jī)組使用點(diǎn)存在較大的落差，通過測量一二期，分別為12 m 和25 m，落差較大，壓力損耗較多，熱水塔出口閥門調(diào)整供水量，變化不明顯。

6 經(jīng)濟(jì)效益

乏汽溫度約104 ℃， 熱水溫度降至93 ℃運(yùn)行，ABCD 線合成熱水塔共回收12 t/h 二次乏汽及除鹽水， 系統(tǒng)按年運(yùn)行 8 000 h， 依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2589-2008 綜合能耗計(jì)算，熱力（當(dāng)量值）折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)0.034 12 kgce/MJ， 則回收的熱量折合標(biāo)煤約為：7 510 t/a，折合原煤為9 063 t，每噸廠用原煤按800 元計(jì)算， 每年節(jié)省的廠用原煤折合人民幣約為725 萬元。

回收的除鹽水按成本價(jià)10 元/t 計(jì)算，每年回收的除鹽水折合人民幣約為96 萬元，同時減少乏汽排放，降低環(huán)境污染。

7 結(jié)論

（1）通過此次的調(diào)整測試，熱水塔乏汽外排明顯減少，基本實(shí)現(xiàn)不排汽，不補(bǔ)水，合成熱水塔溫度控制在93 ℃左右，即達(dá)到熱量利用平衡點(diǎn)，第三階段測試無需再進(jìn)行， 轉(zhuǎn)化器后總管含乙炔均維持在控制范圍之內(nèi)，未發(fā)生超指標(biāo)的情況。熱水塔的余熱充分被溴化鋰機(jī)組利用， 經(jīng)濟(jì)效益顯著， 達(dá)到預(yù)期效果。

（2）在其他工況不變的情況下，通過降低合成熱水塔溫度來降低熱水閃蒸溫度，降低乏汽排放量，最終降低純水的消耗。

（3）建議一二期合成熱水塔單獨(dú)設(shè)泵給公用工程供熱水，流量提至1 000 m3/h，可以滿足熱水型溴化鋰機(jī)組制冷需求，提高制冷效率，實(shí)現(xiàn)7 ℃水制冷機(jī)組備用，同時減少蒸汽溴化鋰機(jī)組的投運(yùn)臺數(shù)，降低蒸汽消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（4）提高給公用工程供水流量后，熱水塔溫度發(fā)生變化，為了保證轉(zhuǎn)化和精餾熱量需求，需提高供水流量滿足工藝需求。

（5）建議供往采鹵公用工程的熱水回水管道進(jìn)A、C 線熱水塔需增加調(diào)節(jié)閥，均勻控制回水量，維持熱水塔溫度和液位穩(wěn)定，提高余熱利用，實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。

（6）熱水塔溫度下降后，轉(zhuǎn)化A 后總管指標(biāo)在4個月內(nèi)未發(fā)生明顯變化， 但轉(zhuǎn)化B 線后總管含乙炔有明顯上漲趨勢， 轉(zhuǎn)化C、D 線測試1 個多月，后總管含一期也未出現(xiàn)明顯變化，需長期觀察、整體分析， 而且熱水塔溫度降低后對觸媒使用是否影響暫未得出具體結(jié)論。