CN103079991A - 用于HCl合成且副产蒸汽的装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于实施从氯气和氢气或者从氯气和烃来合成氯化氢并且结合回收热量的方法的装置,其中燃烧室和热交换器设置在根据废热锅炉原理来工作的筒式锅炉的蒸汽包中。

Description

用于HCl合成且副产蒸汽的装置
技术领域
本发明涉及一种用于HCl合成且副产蒸汽(steam raising)的装置,其中氯气和氢气或氯气和烃被用作原料。如果需要的话,则HCl馏分、空气或惰性组分也可包含在原料中。用以冷却反应物的合成炉和热交换器被结合在下游,成为蒸汽产生器的组成部分。
背景技术
筒式锅炉(shell boiler)通常被用于用化石燃料产生蒸汽。此外,含烃气体,例如天然气或含烃油类,例如燃料油大部分被用作燃料。固体燃料例如硬煤情况下的燃烧也是很早就已知的了。此处通常的燃烧温度为700℃到最高大约1500℃。
在现有技术中,热量可通过蒸汽产生器而从含氯化氢烟气中分离,但是在火焰管式锅炉或水管式锅炉的情况下,是在与如下描述的条件完全不同的条件下进行的。
首先,析出物的完全反应通常在用耐火材料作内衬的绝热钢制燃烧室中发生。因此,其不涉及此处所指意义上的火焰管式锅炉,而是结合在下游的锅炉。另外,温度最好保持在最高1250℃,例如通过有目标地添加冷却介质,诸如例如蒸汽、水或惰性气体。
由氯气和氢气或含氢化合物制备氯化氢在冷却的合成设备中进行,所述冷却的合成设备例如由抗腐蚀材料如合成树脂浸渍的石墨制备的设备。所形成的氯化氢气体随后被冷却并且在大多数情况下被吸收在一体的或下游的吸收器中的水中,由此产生盐酸。
氯气和氢气在特殊燃烧室的火焰中反应。经由反应室的冷却壁并且借助于一体的或外置式的热交换器来冷却反应热(约92kJ/摩尔HCl)。
出于节能的目的,希望能够以经济的方法利用在这样的过程中产生的反应热,其中蒸汽的产生优选地为技术要点。
中国专利说明书93110518.8描述了一个循环系统,其中反应热用于产生蒸汽,这部分地通过合成炉的炉壁,且部分地从进一步冷却反应气体。为了良好的热量利用,必须在上游结合多个热交换器。一个未详细描述的导热抗腐蚀包覆层被用作合成炉的抗腐蚀保护。
在中国专利说明书2007200968895.9中,描述了一个用于产生氯化氢且副产蒸汽的制备装置,其中合成炉设置在一个蒸汽锅炉中。合成炉由石墨制成。蒸汽锅炉具有一个外部循环回路,其与自然循环蒸发器相似。用这个装置,可以产生压力为0.1至0.2MPa的蒸汽。
在专利说明书DE3807264中,描述了包含燃烧器,燃烧室和内部热交换器的装置。加压水流经这些部件,所述加压水带走反应热并在位于实际焚烧装置外部的蒸汽产生器中释放热量。冷却剂回路的温度在9到27巴的压力下应为170到230℃。利用此装置,应该产生至少7巴的饱和蒸汽。
水管式锅炉的设计昂贵并且复杂(例如产品公差),即,成本密集型,并且还具有以下缺点:
1、在实际使用条件下,沸腾混合物不均匀的分布导致管中的莱顿弗罗斯特效应(Leidenfrost effect)并且最终通过管壁的局部过热而造成腐蚀并缩短其寿命。这个问题独立地存在,无论蒸发器是在自然循环情况下进行还是在强制循环的情况下进行。
2、用导热油(thermal oil)作为热传递介质的实施例是有问题的。一方面,油类的不均匀的分布和管壁的过热在这不能避免,并且另一方面,合成装置由于环境原因必须放置在槽中。
3、用于热解耦的分离式传热回路的效率总是比直接蒸发低。
4、现有技术的特征在于不充分的热耦合,因为产物气体HCl仅被冷却到大约1000℃。因此,有价值的热量仍没有被利用起来。
因此,现有技术是依靠结合在下游的蒸汽锅炉装置和在最多1250℃的温度下从HCl高达70%的含HCl的气体中热解耦。
为了防止钢制蒸汽产生器的腐蚀,特别是高温腐蚀,这两种措施都是必要的。
发明内容
问题是提供一个能够可靠有效地直接蒸发水的装置,目的是使氯气和氢气放热反应的热量被分离出来。
通过用于执行根据权利要求1的从氯气和氢气或从氯气和烃来合成氯化氢并结合回收热量的方法的本发明的装置而解决该问题。
在本发明中,火焰管和燃烧室是同一装置。另外,在燃烧室中绝热燃烧温度可允许达到2400℃,而不会有蒸汽产物造成的腐蚀发生。
根据本发明,出于此目的,特殊的H2-Cl2扩散燃烧器被同心地放置在所设置的火焰管中。
燃烧室和热交换器二者都设置在根据废热锅炉原理来工作的筒式锅炉的蒸汽包(steam drum)中。
根据本发明的燃烧室可优选地在与燃烧室外部压力相比较高或较低的内部压力下运行。燃烧室设计为使得HCl合成可在优选地从0.1巴(绝对压力)至7.0巴(绝对压力)的压力范围内,更优选地从0.8巴(绝对压力)至5.0巴(绝对压力)的压力范围内,特别优选地从0.9巴(绝对压力)至4.0巴(绝对压力)的压力范围内进行。
根据本发明的所有与氯化氢接触的部件一直都在腐蚀性低的温度范围内,因为这些部件都位于蒸汽包中,蒸汽包在腐蚀性低的温度水平下运行,例如,甚至在包含水蒸汽的混合物的情况下。
筒式锅炉优选包括被安装在锅炉炉体中的火焰管,回火室和下面的管束热交换器。
引导部件特别优选地设置在锅炉炉壁和热交换器管之间,所述引导部件保证水在锅炉中均匀地循环。燃烧室,热交换器管和引导部件可以被设置成这样一种方式,即:确保周围水的循环和蒸汽的上升(自然对流)。这里不需要循环泵。
产物冷却管可优选地向上通过蒸汽空间,由此可使所产生的蒸汽过热(干燥)。优选地也可通过使蒸汽在比网络压力高的压力下产生然后在网络中卸压而实现蒸汽的过热。
结合在下游的用于冷却产物的燃烧室和热交换器优选由金属材料制成并且是蒸汽产生器的组成部分。
结合在下游的用于冷却产物的燃烧室和热交换器优选由钢制成并且是蒸汽产生器的组成部分。
主要部件优选竖直设置,但是水平布置在原则上也是可行的。
燃烧室,热交换器和蒸汽包优选地离心地设置。然而,一般来说,行业中的通常设置是优选的。
特别优选的是HCl合成燃烧器被设置在火焰管的开口处。
根据本发明的燃烧室优选地通过硅氮烷基体上的包覆层而受到保护,防止腐蚀。燃烧室(火焰管)的使用寿命因此得到相当大地延长。
此外,优选通过沉积焊接工艺保护燃烧室防止腐蚀。镍基合金或其它能提高抗腐蚀效果的标准焊接化合物被用作焊接化合物。镍本身或钽也可以是特别优选的。钽适用于所谓的包覆工艺,这是一种特殊的沉积焊接工艺。
用于保护燃烧室的进一步变体为用陶瓷保护层包覆该燃料室。令人惊讶地是,陶瓷保护层对燃烧室的使用寿命具有有益的影响,尽管它们不是气密地构成的。因此,造成这一点的原因必然是由于包覆层的绝热和热辐射性质。这一不绝对气密的陶瓷包覆层特别优选地应用于之前确定的受到温度载荷的区域,这特别是一方面为了达到这些区域的过热并且另一方面为了在燃烧室的整个内壁中达到更好的热载荷分布。金属氧化物、硼化物和碳化物可被用作陶瓷包覆层。包覆层优选地通过等离子喷涂沉积。然而,在后面提到的沉积工艺的情形下,也可以沉积高熔点金属和金属合金,特别是那些在氯气气氛中耐受的金属和金属合金。
当面临腐蚀的风险时,如果将熔体施加在组件的内侧上,当然能够实现有效的腐蚀防护,但尤其是,腐蚀防护也基于气密性。特别有效地可用的熔体是例如瓷釉。
此外,优选的是利用蒸汽加热锅炉空间或利用气体燃烧加热燃烧室空间以防止腐蚀。
蒸发器的操作温度在170至240℃之间。根据本发明,HCl产物气体被冷却至200-1200℃,优选地冷却到200-500℃,并且特别优选地冷却到250-350℃。由此可以达到良好的热量利用。
与用加压水加热的外置式蒸发器相比,根据本发明,高度的效率(循环水和蒸发器之间不再存在温度差)是可能的并且节约了多得多的装置成本。
特别优选地,火焰管是波纹状的,由此增加了面对锅炉的这一侧的对流热传递部分。
此外,特别优选的是火焰管的火焰方向可以被设置成从底部至顶部以及从顶部至底部。其它的部件相应地设置。
根据本发明,燃烧室和热交换器可被设置成抗压力冲击的,即,它们可经受住在氢气和氯气的任意混合物加入的情况下而产生的压力。
对于装置的运转,装置可被预热并且通过辅助燃烧器或来自网络的蒸汽来达到操作温度。
可通过测量产物中的水蒸汽压力而实施泄露监测。由于泄露只有在产物侧的方向上可能存在,因此根据本发明的装置的操作模式是安全的。另外,泄露可通过蒸汽系统中压力的下降而被检测到。
为了尽早检测到临界腐蚀率,优选在根据本发明的装置的燃烧室空间中安装改进的腐蚀测量探针。这样的探针的原理是:在主要的燃烧空间条件下,导致以可控的方式侵蚀与蒸发器相同的材料,并且关于腐蚀的发展、通过与腐蚀的发展相关联的电阻的改变而得出结论。如果需要的话,则燃烧室由此及时地被检查并且不会有不希望的损害发生。
附图说明
以下在不按比例的附图的帮助下更详细地解释本发明。在图中:
图1示出了用于实施根据本发明的方法的装置,其中筒式锅炉的回火室设有下述的单侧管式调温装置(register)。
图2示出了用于实施根据本发明的方法的装置,其中筒式锅炉的回火室设有下述的同心管式调温装置。
具体实施方式
用于实施该方法的装置是根据废热锅炉原理来工作的筒式锅炉。废热锅炉包括具有外壳(11)的炉体和内部火焰管,内部火焰管包围燃烧室。
HCl合成燃烧器(1)位于火焰管(12)的开口处,该HCl合成燃烧器(1)设有氢气的进气口(14)和氯气的进气口(15)。燃烧室优选被燃烧室壁(12)限制,该燃烧室例如由钢制成并且可以形成有抗腐蚀包覆层。改进的腐蚀测量探针(10)安装在锅炉空间(9)的范围内,位于燃烧室壁(12)上的燃烧空间中。
火焰(13)的火焰方向表现为从底部至顶部。具有焊接在上面的蒸汽收集容器(7)的回火室(8)位于火焰(13)上方,该蒸汽收集容器(7)设有蒸汽出口(6)。回火室(8)被锅炉水完全围绕。锅炉水水位(5)被示出。回火室(8)下面设有管式调温装置(4),该管式调温装置(4)可被构造成单侧的,例如图1所示的那样,或者构造成同心的,例如图2所示的那样。被冷却到250-280℃的HCl产物气体被收集在下面的收集容器(3)中并通过产物出口(2)输送。

Claims (12)

1.一种用于实施从氯气和氢气或者从氯气和烃来合成氯化氢并结合回收热量的方法的装置,其特征在于,燃烧室和热交换器设置在根据废热锅炉原理来工作的筒式锅炉的蒸汽包中。
2.根据权利要求1的装置,其特征在于,所述筒式锅炉包括安装在锅炉炉体内的火焰管或燃烧室、回火室和下面的管束热交换器。
3.根据前述权利要求中的一项或多项的装置,其特征在于,燃烧室和热交换器由金属材料制成。
4.根据前述权利要求中的一种或多项的装置,其特征在于,燃烧室和热交换器由钢制成。
5.根据权利要求2的装置,其特征在于,HCl合成燃烧器被设置在所述火焰管的开口处。
6.根据权利要求1的装置,其特征在于,燃烧室通过硅氮烷基体上的包覆层而受保护,防止腐蚀。
7.根据前述权利要求中的一项或多项的装置,其特征在于,蒸汽被用于加热或气体燃烧,以防止腐蚀。
8.根据前述权利要求中的一项或多项的装置,其特征在于,HCl产物气体被冷却到300-400℃,优选地冷却到200-300℃,特别优选地冷却到250-280℃。
9.根据前述权利要求中的一项或多项的装置,其特征在于,燃烧室、热交换器和蒸汽包被离心地设置。
10.根据前述权利要求中的一项或多项的装置,其特征在于,火焰管为波纹状。
11.根据前述权利要求中的一项或多项的装置,其特征在于,火焰管的火焰方向被设置成从底部至顶部以及从顶部至底部。
12.根据前述权利要求中的一项或多项的装置,其特征在于,改进的腐蚀测量探针被安装在燃烧空间中。
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