聶日叢

（重慶三陽化工有限公司，重慶 萬州 404001）

用于氯化氫生產的合成爐的類型多種多樣；隨著氯化氫合成生產設備的改進以及生產用水、電、蒸汽成本的不斷上漲，綜合利用副產的熱能成為現(xiàn)實問題。

1 氯化氫產用的合成爐情況介紹

早期的氯化氫合成爐由碳鋼制成。1942年，美國人首次采用了石墨合成爐，從此，石墨材質的合成爐成了制造氯化氫和鹽酸的主要設備。合成爐有多種分類法，按材質可分為碳鋼制成的合成爐和石墨制成的合成爐；按散熱方式可分為空氣散熱合成爐和水冷式散熱合成爐；按點火方法可分為手動點火合成爐和自動控制點火合成爐，還可分成上點火和下點火爐；按用途分為氯化氫氣體合成爐和鹽酸合成爐；按功能、組合方式又可分為石墨制二合一爐、石墨制三合一爐、石墨制四合一爐、余熱回收型合成爐等。

1.1 合成爐的特點

1.1.1 碳鋼制合成爐

碳鋼制合成爐分為夾套爐、翅片爐和光面爐，該種爐投資省、爐體占地面積大，可使用2～6年。碳鋼制成的夾套合成爐工藝成熟，合成的氯化氫氣體出爐后在石墨冷卻器用循環(huán)水冷卻，石墨冷卻器的冷卻熱水靠位差進入鋼制合成爐上部的夾套，可產生80～100℃熱水，可綜合利用熱能；翅片爐和光面爐是利用周圍空氣風冷，產生的熱輻射使環(huán)境和操作條件變壞。

1.1.2 二合一石墨合成爐

二合一石墨合成爐將氯化氫合成、冷卻2個工序合并到1臺設備上完成，合成與冷卻同步為一體。按冷卻的方式分為浸沒式（也叫水套式）和噴淋式2種。浸沒式爐的石墨爐體浸在水中冷卻，噴淋式爐的石墨爐體靠設在爐體頂部的冷卻水分布器來形成水膜冷卻。

節(jié)能型二合一石墨合成爐 （也稱組合式石墨熱水爐）是二合一石墨合成爐產品的改進型，可在夾套內產生壓力熱水，副產的熱水供綜合利用熱能。

1.1.3 三合一石墨鹽酸合成爐

將鹽酸生產中的合成、冷卻、吸收3個工序合并到1臺設備上完成，該爐由合成段、吸收段、氣液分離段組成，1臺設備代替合成爐、冷卻器、膜式吸收塔，生產效率高、操作簡單。根據(jù)點火位置可分為上點火三合一石墨鹽酸合成爐 （也稱A型三合一爐）、下點火式三合一石墨鹽酸合成爐（也稱B型三合一爐）。

1.1.4 四合一石墨鹽酸合成爐

將鹽酸生產中的合成、吸收與冷卻及尾氣處理4個工序合并到1臺設備上完成，設備結構緊湊、體積小、生產效率高、產品酸純度高、易于控制，具有較高的合成、吸收、冷卻綜合容積效率和較高的吸收強度，大大簡化了生產流程。四合一石墨鹽酸合成爐的點火位置一般是下點火式[1]。

1.1.5 余熱回收合成爐

氯氣與氫氣在合成爐內以燃燒形式反應生成氯化氫，火焰中心區(qū)溫度達2 500℃以上，生成的氯化氫氣體溫度在2 000℃以上，每合成1 kg氣態(tài)氯化氫會放出2 523.3 kJ熱量，這些熱量完全可以利用。

一般來說，凡是采用水冷方式的爐子都可以實現(xiàn)余熱回收。余熱回收型合成爐可分為副產熱水合成爐和副產蒸汽合成爐2種。該裝置包括爐的合成燃燒段、氯化氫冷卻段，冷卻段與相應組件形成余熱回收系統(tǒng)。

（1）副產熱水合成爐。通過改造鋼制夾套鹽酸合成爐、石墨制二合一爐等，利用反應熱制取熱水，送至溴化鋰制冷機組作為制冷機的熱源，制取10℃冷凍水；也可直接利用熱水供采暖、預熱物料。上海某氯堿化工廠即利用高溫熱水做動力，制造壓縮氣體。

（2）全自控副產蒸汽合成爐。利用氯化氫合成時放出的高溫熱能，副產壓力為0.3～1.6 MPa的蒸汽。副產蒸汽石墨合成爐可分成2種。一種是采用全石墨、改性樹脂加工成的石墨合成爐，可副產壓力為0.3～0.8 MPa的蒸汽；另一種是采用半石墨、半鋼制成的合成爐，副產蒸汽壓力為0.8～1.6 MPa。目前，國內石墨設備廠家已實現(xiàn)了全自控副產0.3～1.6 MPa蒸汽二合一氯化氫石墨爐、三合一石墨爐、四合一石墨爐供貨。

副產蒸汽全石墨合成爐。該類型合成爐采用提高石墨材料強度的手段，結合石墨材料的耐腐蝕性及導熱性的優(yōu)點，保證了全石墨制副產蒸汽合成爐能在苛刻運行條件下長期穩(wěn)定的運行，使用壽命長，檢修方便簡捷，但副產蒸汽的壓力達不到1.6 MPa，對操作的自動化程度要求較高。

副產蒸汽半石墨（鋼制）合成爐。副產蒸汽合成爐段采用鋼制爐壁，包括合成爐合成燃燒段、合成燃燒段上方設置的鋼制水冷壁蒸汽發(fā)生段、水冷壁蒸汽發(fā)生段上方設置氯化氫冷卻段，水冷壁蒸汽發(fā)生段與汽包組成蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產生的蒸汽壓力達到0.8～1.6 MPa。由于爐壁為鋼制，易腐蝕，對操作的自動化程度要求高、檢修較困難。

2 全自控副產蒸汽合成爐實例

某公司1.5萬t/a三氯氫硅工程，在氯化氫合成工序采用了08-50-30型二合一爐。該工程設計、安裝2臺氯化氫合成爐，1開1備，投入運行后，各項指標均達到設計要求。主要設備包括副產蒸汽氯化氫合成爐、蒸汽汽包、軟水預熱器和排污罐。在現(xiàn)場應用了PLC安全控制系統(tǒng)并可連接DCS，實現(xiàn)安全信號連鎖，24 h在線監(jiān)測；PLC安全控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動點火程序、安全控制，點火失敗連鎖自動停車；運行過程中DCS自動控制生產，火焰熄滅連鎖停車，與傳統(tǒng)的生產裝置相比，該裝置操作安全可靠。

2.1 副產蒸汽08－50－30型合成爐的特點

該型合成爐主體分為3段，即合成段、副產蒸汽段、冷卻段。副產蒸汽段在合成爐的中間高溫區(qū)段，使用鋼制水冷壁爐筒，由鰭片鋼管焊接圍成，筒體上下端設有水集箱，通過管道與氣泡相連，組成熱水自循環(huán)系統(tǒng)；易受腐蝕的區(qū)段即合成段、冷卻段分別在合成爐的底部、頂部，采用石墨材料制作。

產汽承壓段采用鋼制水冷壁爐筒，使合成的熱能利用率提高到70%，副產蒸汽壓力可在0.8～1.4 MPa間任意調節(jié)，可并入中壓蒸汽管網(wǎng)，使熱能得到充分利用。但因副產蒸汽合成爐材料結構多樣性，開車前需用外來蒸汽通過預熱器實現(xiàn)預熱，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)開車前要提前進行煮爐，預熱時間長。

2.2 工藝流程簡介

該型合成爐的工藝流程，主要是蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、氯化氫合成系統(tǒng)、后序系統(tǒng)的配套。實現(xiàn)了從點火開車、過程控制、停車過程的DCS操作，大大提高了裝置的自動化控制水平及本質安全。工藝流程示意圖見圖1。

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)：自外管網(wǎng)來的軟水進入軟水貯槽，經泵加壓至1.2 MPa以上，送至蒸汽發(fā)生汽包，汽包中的軟水經下降管進入預熱器，再進入合成爐蒸汽發(fā)生段的下部與氯化氫氣體進行熱交換，富含熱值的水經筒體上端管道回到汽包，在汽包內產生壓力為0.8 MPa以上的蒸汽，蒸汽進入緩沖罐后與蒸汽管網(wǎng)并網(wǎng)。

氯化氫合成系統(tǒng)：來自外界經過調壓、除水的氯氣與氫氣分別經過氯氣緩沖罐，氫氣緩沖罐、氫氣阻火器，由自控調節(jié)閥、程控切斷閥控制進入合成爐底部的燃燒器。在合成爐合成段上，裝有自動點火器、火焰檢測器、火焰攝像儀。自動點火器分別與點火氫氣支管線、點火空氣管線相連。系統(tǒng)實現(xiàn)自動點火成功后，由爐前氯氣、氫氣自控調節(jié)閥自動配比控制流量后，進入合成爐燃燒器的中心分配器和套管內，在燃燒燈頭處混合后發(fā)生燃燒反應，生成氯化氫氣體，依次通過合成爐中部的副產蒸汽段、頂部的冷卻段后，通過自控調節(jié)閥控制壓力進入一級降膜吸收器、二級降膜吸收器、尾氣吸收塔，廢氣通過水噴射泵抽出放空。三氯氫硅合成準備好后，氯化氫切換到干燥系統(tǒng)，停制酸系統(tǒng)。

2.3 副產蒸汽08－50－30型合成爐的自控系統(tǒng)

該型合成爐的自控制系統(tǒng)分為蒸汽發(fā)生自控系統(tǒng)，自動點火控制系統(tǒng)，氯氣、氫氣自動配比調節(jié)控制系統(tǒng)、制酸控制系統(tǒng)、自動連鎖保護系統(tǒng)。各控制系統(tǒng)相對獨立，通過連鎖保護系統(tǒng)制約連成一體。

2.3.1 蒸汽發(fā)生部分的自控系統(tǒng)

蒸汽部分的控制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連鎖保護。主要是控制汽包的液位，通過汽包液位調節(jié)閥的開度控制軟水進入量，液位穩(wěn)定后，汽包液位調節(jié)閥可投入自動。當汽包水位高達60%時，DCS顯示并報警，此時，應打開汽包排污水閥，將汽包污水排入排污罐，手動控制穩(wěn)定液位后再投入自動。通過對汽包出口蒸汽閥的調節(jié)來控制產出蒸汽的壓力。

2.3.2 自動點火控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、現(xiàn)場控制柜的操作顯示、火焰檢測和受控對象組成。點火程控柜裝有PLC可編程序控制器，由電腦置入程序到PLC，點火是由PLC程序控制器執(zhí)行，PLC邏輯控制部分是點火系統(tǒng)的核心，負責控制整個點火過程的啟、停，能在全氮氣環(huán)境下點火，并配合系統(tǒng)安全連鎖裝置。關鍵技術點是合成爐的自控閥門、點火控制模塊、火焰檢測器、點火裝置等，在異常狀況下的自動保護程序也很關鍵。自動點火系統(tǒng)只在點火時運行，不參與正常生產的過程控制，但火焰檢測器檢測到火焰熄滅信號，連鎖控制進入停車狀態(tài)，按照程序停車。

自動點火裝置包括點火管線上的程控閥、氫氣和壓縮空氣導入管、高壓點火器、點火燃燒器、點火程控柜、火焰檢測裝置等?；鹧鏅z測裝置包括火焰檢測器、攝像儀，其主要功能是，全自動點火程序啟、停，點火過程監(jiān)測，點火成功、失敗顯示，故障報警等。氫氣和氯氣的工藝管道上裝有快開閥、自動切斷閥、自控調節(jié)閥、手動閥。

DCS操作人員根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的工藝要求，確認達到點火條件，即氯氣和氫氣的水分、純度、壓力等指標合格；軟水液位、壓力正常；汽包液位、壓力正常；合成爐的冷卻循環(huán)水壓力、流量正常；合成爐、制酸系統(tǒng)置換取樣合格，制酸系統(tǒng)能正常運行等，DCS操作人員按下點火確認，現(xiàn)場控制箱上“允許點火”指示燈點亮?，F(xiàn)場人員觀察到該信號后，對現(xiàn)場再一次確認具備條件時，與DCS操作人員聯(lián)系后，按下控制箱上的 “現(xiàn)場啟動”按扭，PLC接收到點火信號，合成爐進入自動點火程序。首先，打開限流的氮氣快開閥，用流量為400 m3/h的氮氣對爐內吹掃4 min，若氮氣壓力波動，需手動調流量；高壓點火器輸出高壓電，使點火槍產生電弧，同時，打開限流的點火用的氫氣和壓縮空氣導入管上的程控快開閥，使帶壓氫氣、壓縮空氣按一定比例進入點火槍混合，遇電弧被點燃，自點火槍燃燒管噴出火焰；打開工藝管線上限流的氫氣程控快開閥 （氫氣自控調節(jié)閥的旁路）及氫氣程控切斷閥，氫氣被引燃，同時，打開工藝管線上限流的氯氣程控快開閥 （氯氣自控調節(jié)閥的旁路）、氯氣程控切斷閥。當氫氣和氯氣燃燒（反應），火焰檢測器檢測到火焰后，現(xiàn)場控制箱上“爐運行”指示燈點亮，關閉點火裝置的氫氣和壓縮空氣導入管上的程控快開閥，同時給DCS一個點火成功的信號。此時，DCS操作人員可通過手動分別打開工藝管道上氫氣和氯氣的自控調節(jié)閥，按流量體積比逐步加大產量，穩(wěn)定后投入自動，現(xiàn)場操作人員關閉點火裝置中的氫氣和壓縮空氣導入管上的程控快開閥的前后手動閥。

如火焰檢測器檢測不到火焰，則氫氣、氯氣、儀表氣程控快開閥全關閉，氫氣、氯氣的程控切斷閥關閉，氮氣快開閥打開對爐內進行置換?，F(xiàn)場控制箱上“點火失敗”指示燈點亮，同時給DCS 1個點火失敗的信號。

2.3.3 氯氣、氫氣自動配比調節(jié)控制系統(tǒng)

氫氣、氯氣在各自的溫度、壓力、純度范圍下，通過精確的流量測量與調節(jié)實現(xiàn)氫氣與氯氣的自動配比控制，氫氣、氯氣適合的比值（1.05∶1.00～1.20∶1.00體積比）根據(jù)生產控制中HCI的純度來設定。及時分析氯化氫的純度很重要，若生產中氫氣、氯氣的純度發(fā)生較大的變動時，則可通過修正氫氣與氯氣的比值來保證自動控制的穩(wěn)定可靠。

2.3.4 氯化氫正壓輸送及制酸控制系統(tǒng)

氯化氫合成點火后，要實現(xiàn)鹽酸生產到氯化氫干燥氣體生產的平穩(wěn)過渡切換。氯化氫干燥、三氯氫硅合成生產不正常時，要切換到鹽酸吸收調節(jié)解決氯化氫氣體分配問題。

合成爐的氯化氫正壓輸送出口采用快開切斷閥切換，自控調節(jié)閥控制流量和壓力。為了節(jié)約投資，氯化氫去制酸系統(tǒng)采用手動切斷閥切換，自控調節(jié)閥控制流量進入吸收系統(tǒng)，吸收水流量采用手動閥。

也有采用自動控制直觀地用稀酸溫度來控制吸收水流量，達到控制鹽酸濃度的目的，避免尾氣塔溫度過高，可方便地解決氯化氫氣體分配問題；或通過鹽酸濃度的在線檢測和進吸收水流量的自動配比來控制鹽酸產品的濃度；也可以通過對鹽酸中游離氯的在線檢測，實現(xiàn)對制酸時氯氣、氫氣的配比情況的實時監(jiān)控。

2.3.5 自動連鎖保護系統(tǒng)

自動執(zhí)行停車保護程序，主要是關閉相關工藝閥門，并進行自動充氮保護置換，置換有充氮流量顯示和報警。停車保護程序與開車的步驟相反，同時，DCS及現(xiàn)場緊還設置了急停車按扭，以備特殊情況下使用，確保裝置的安全。

（1）自動連鎖保護系統(tǒng)設置條件有氫氣壓力低限，氯氣壓力低限；進汽包的軟水壓力低限，汽包液位低限，汽包壓力的高限；進入合成爐合成段、冷卻段的冷卻水流量低限；火焰在線檢測無火焰；氯化氫輸送泵全停。當上述任何一個條件滿足時，系統(tǒng)立即自動執(zhí)行停合成爐保護程序，連鎖關氯氣、氫氣的快速切斷閥、快開閥，開氮氣快開閥置換合成爐，氯化氫切換到吸收工序。

（2）當合成爐點火失敗，立即執(zhí)行停車保護程序，連鎖保護關氯氣、氫氣的快速切斷閥、快開閥，開氮氣快開閥置換合成爐等。

（3）當2臺合成爐火焰在線檢測無火焰時，連鎖停氯化氫輸送泵，關氯氣、氫氣的快速切斷閥、快開閥，開氮氣快開閥置換合成爐，氯化氫切換到吸收工序。

3 蒸汽型自控氯化氫合成爐使用中的問題

合成爐從在生產工藝上用循環(huán)冷卻水將熱量移走，使之轉化為蒸汽使氯堿化工企業(yè)實現(xiàn)了水資源的二次利用和副產熱能的綜合利用，可降低生產成本。但生產中要注意以下幾點。

（1）蒸汽型氯化氫合成爐進爐的氫氣、氯氣管線上的爐閥組件要盡量靠近合成爐，控制在2 m以下，有利于管道置換。

（2）蒸汽型氯化氫合成爐產生的蒸汽要先進入蒸汽緩沖罐，再與外蒸汽管網(wǎng)并網(wǎng)，有利于汽包壓力控制。外蒸汽管網(wǎng)的蒸汽壓力會影響氯化氫合成爐的產量，主要是合成爐產生的蒸汽如不能及時排走，合成爐的合成段、頂部的冷卻段溫度會超上限，故要控制合理的外蒸汽管網(wǎng)的蒸汽壓力。產蒸汽型合成爐副產蒸汽的壓力不同，可直接并入蒸汽管網(wǎng)，合成爐應用要兼顧蒸汽管網(wǎng)的配套。

（3）蒸汽型自控氯化氫合成爐自動化水平高，其他工藝模塊的自動化控制硬件要配套，否則，不能達到現(xiàn)場無人值守，更無法體現(xiàn)裝置的自動化控制水平及裝置本質安全要求。

（4）蒸汽型自控氯化氫合成爐自動化水平高、連鎖點多，全部儀表必須要質量可靠、性能好、精度高?；鹧鏅z測器是個關鍵點，信號正常或異常，自動啟動的程序不一樣?；鹧鏅z測信號對程序控制的自動切換運行步驟起著非常重要的作用，攝像頭只是將攝到的火焰圖像用于顯示終端供操作人員監(jiān)控，操作人員還要通過攝像儀觀查火焰燃燒狀態(tài)，及時做出正確判斷。

（5）使用鋼制水冷壁爐筒的蒸汽型氯化氫合成爐時，為了保護冷壁爐筒內部，軟水的pH值要控制為10.0～11.0，同時，有必要考慮對使用的軟水進行除氧；長時間停爐時，為了保護冷壁爐筒外部，在蒸汽系統(tǒng)冷卻過程中要保溫，確認合成爐內氯化氫氣體置換干凈，爐內水分吹干，方可以停保溫蒸汽。

（6）現(xiàn)場控制箱、火焰監(jiān)測器都是重要附件，需要充少量氮使之處于氣體保護狀態(tài)。當氯化氫合成爐與三氯氫硅生產配套時，要注意氮氣壓力不能低于整個系統(tǒng)的壓力，若氮氣中串入氯硅烷，非常有害。氮氣壓力的穩(wěn)定，也可在點火過程中，幾分鐘內使合成爐氮氣吹掃的流量穩(wěn)定。

［1］吳春森，伍明霞.石墨制合成爐的現(xiàn)狀和發(fā)展.中國氯堿，2007，（11）：20-21.