CN111498807B - 生产蒸汽的HCl合成炉、生产系统及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产蒸汽的HCl合成炉、生产系统及生产方法，所述炉体由筒形结构的膜式水冷壁构成，炉体内设置换热装置，换热装置包括省煤器单元和过热器单元，省煤器单元的除盐水进口接通除盐水供给管道，其除盐水出口接通汽水分离单元，过热器单元的进口接通汽水分离单元的蒸汽出口，所述汽水分离单元包括锅筒，所述锅筒的一个输入端与省煤器单元的除盐水出口接通，锅筒的蒸汽出口与过热器单元的进口接通。通过采用除盐水、蒸汽为换热介质，利用耐候钢进行间壁换热，在高效吸收HCl蒸汽热能的同时，将热能回收生产过热蒸汽并用于发电等，为氯碱工业节约大量能源。

Description

生产蒸汽的HCl合成炉、生产系统及生产方法

技术领域

本发明涉及HCl生产技术领域，特别涉及一种回收能源来生产蒸汽的HCl合成炉、生产系统及生产方法。

背景技术

HCl是氯碱工业重要的无机化工原料，广泛用于染料、医药、食品、印染、皮革、冶金等行业。HCl合成炉是HCl生产的关键设备。H₂和Cl₂在合成炉内燃烧，生成温度高达2300℃的HCl气体，经逐步冷却至140℃后净化洗涤，最后与水合成盐酸。HCl气体初合成时温度非常高，热能含量丰富、品味高，具有非常好的利用价值，但也因温度非常高，且HCl合成过程中一直有极少量H₂O伴生，在低温区HCl容易与H₂O合成高浓度盐酸，对钢铁等材质具有极强的腐蚀性，被腐蚀的材料成为杂质进入HCl中，即使是极少量，也将直接导致后续合成盐酸的系统故障。

目前，HCl合成炉普遍采用耐热不透性石墨圆筒外敷钢板、中间夹层水冷的结构，保证HCl的纯洁度和系统安全，回收少量热能，产生热水。例如，中国专利CN 2505467Y公开了一种副产热水石墨HCl合成炉装置，在该合成炉装置中：合成炉上部的炉体上段外壳(1－8)内有石墨换热块(1－7)、下部的炉体下段外壳(1－4)内有石墨合成筒(1－3)，石墨合成筒底部有氯气进气管(1－1)和氢气进气管(1－2)，合成炉顶部有HCl出气管(1－10)，在所述的炉体下段外壳(1－4)下部和上部分别有冷却水进水管(1－12)和冷却水下出水管(1－5)与炉体下段外壳(1－4)、石墨合成筒(1－3)之间的空腔相通，冷却水下出水管(1－5)与炉体上段外壳(1－8)下部的冷却水上进水管(1－6)相通，炉体上段外壳(1－8)下部的热水出水管(1－9)、下部的冷却水上进水管(1－6)分别与炉体上段外壳(1－8)、石墨换热块(1－7)之间的空腔相通。

上述这种中间夹层水冷的结构，跟传统HCl合成炉一样，都存在的问题是：冷却水对外层钢板腐蚀严重，并且在低温区HCl容易与少量的H₂O合成高浓度盐酸，对钢铁等材质具有极强的腐蚀性，进而形成盐酸腐蚀区，需经常停炉维修甚至报废。同时，如何高效节能的生产盐酸一直是氯碱工业的研究热点及关键突破点，传统采用的石墨换热块来回收的热量较少，回收的结果是得到热水，如要达到高效节能的目的，首先就要考虑如何达到高效换热和避开盐酸腐蚀区，显然，传统的石墨换热块的换热效率存在极限，并且以热水进行回收，方式单一，利用率低，如果尽量降低HCl气体出口温度，以回收更多的热量，则形成的盐酸腐蚀区域就越大，腐蚀程度会越严重。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种生产蒸汽的HCl合成炉、生产系统及方法，通过采用除盐水、蒸汽为换热介质，利用耐候钢进行间壁换热，在高效吸收HCl蒸汽热能的同时，将热能回收生产过热蒸汽并用于发电等，为氯碱工业节约大量能源，克服了现有技术的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种生产蒸汽的HCl合成炉，包括炉体，所述炉体上部为炉体上段，下部为炉体下段，炉体的底部设置有进气管和燃烧合成灯头，顶部设置有出气管，其特征在于，所述炉体由筒形结构的膜式水冷壁构成，炉体内设置有换热装置，换热装置包括省煤器单元和过热器单元，所述省煤器单元设于炉体下段内，省煤器单元的除盐水进口接通除盐水供给管道，其除盐水出口接通汽水分离单元，所述过热器单元设于炉体上段内，过热器单元的过热进口接通汽水分离单元的蒸汽出口，其过热出口接通蒸汽外送管道。

在上述结构中，其与传统合成炉相比，最主要的区别在于：膜式水冷壁和换热装置的设置，膜式水冷壁能够保证炉膛具有良好的严密性，对负压锅炉可以显著降低炉膛的漏风系数，改善炉内的燃烧工况，对炉墙的保护作用最为彻底，使炉墙厚度、重量都大为减小，避免了采用现有的中间夹层水冷的结构，防止了除盐水对外层钢板的腐蚀。换热装置包括省煤器单元和过热器单元，先通过省煤器单元来快速降温HCl气体，使除盐水变成汽水混合物，然后经汽水分离单元处理后，用蒸汽通过过热器单元再去与HCl气体进行换热，得到的高温度的高品位过热蒸汽(温度达到300℃以上，可利用价值高)可用于发电系统或其他蒸汽用户，充分利用了热能，避免了传统单一热水的利用方式，换热装置的布置还避开了盐酸腐蚀区，由此实现了高效回收热能的技术效果，克服了现有技术的不足。

在本发明中，为了达到高效换热和便于精细化布置及维修的目的，所述省煤器单元和过热器单元分别由多个省煤器和过热器串联形成，所述省煤器和过热器均沿炉体的轴线方向排布。通过串联多个省煤器和过热器来显著提高省煤器单元和过热器单元的换热效率，同时也便于利用现有计算公式和设计方法，根据流场特性，合理选择布置区段，控制管壁温度，避开盐酸腐蚀区。作为优选，省煤器一般串联3个即可，即构成三级省煤器，过热器一般串联2个即可，即构成两级过热器。

在本发明中，所述省煤器和过热器均由换热管构成，所述换热管环形布置于炉体内，相邻换热管之间的间距形成气流流动的通道，以增加换热管密度，强化换热效果。

作为优选，所述换热管为蛇形换热管，所述蛇形换热管采用耐候钢管制成。

在本发明中，为了使汽水分离单元更高效的发挥出作用，所述汽水分离单元包括锅筒，所述锅筒的一个输入端与省煤器单元的除盐水出口接通，锅筒的蒸汽出口与过热器单元的过热进口接通，锅筒的热水出口接通集中下降管。通过锅筒来实现高效的汽水分离，同时得到除盐、除氧的冷却介质，可为过热器单元利用蒸汽提供纯洁蒸汽保障。

进一步，所述炉体下段的下部为火焰区，所述火焰区相对应的膜式水冷壁的部分上涂覆有耐火材料形成耐火层，以提高膜式水冷壁的耐高温强度。

进一步，所述炉体的内壁上铺设有保温层，所述保温层设于膜式水冷壁的外侧面。

本发明还包括一种生产蒸汽的HCl合成炉的回收系统，包括炉体，所述炉体的上端为炉体上段，下部为炉体下段，炉体的底部和顶部分别设置有进气管和出气管，其特征在于，所述炉体内设置有换热装置，所述换热装置包括省煤器单元和过热器单元，所述省煤器单元设于炉体下段内，省煤器单元的除盐水进口接通除盐水供给管道，其除盐水出口接通汽水分离单元，所述过热器单元设于炉体上段内，过热器单元的过热进口接通汽水分离单元的蒸汽出口，其过热出口接通蒸汽外送管道，所述省煤器单元和过热器单元分别由多个省煤器和过热器串联形成，所述省煤器和过热器均沿炉体的轴线方向排布。

通过上述回收系统来回收HCl合成时所产生的热量，不仅能够达到高效回收热能的目的，还能生产高品质的过热蒸汽，为发电系统或其他蒸汽用户提供高温蒸汽，实现了高效回收热能的技术效果，为氯碱工业节约了大量能源。

进一步，所述炉体由膜式水冷壁构成，所述换热装置设于膜式水冷壁内。

本发明还包括一种生产蒸汽的HCl合成炉的回收系统的回收方法，包括以下步骤：

S1、合成炉经点火开始生产HCl前，向省煤器单元的除盐水进口通入80℃以上的热水，经换热后，得到接近饱和的高温水；

S2、得到的高温水经省煤器单元的除盐水出口输送至汽水分离单元，经汽水分离单元汽水分离后，得到饱和水和200℃以上的饱和蒸汽；

S3、将得到的饱和蒸汽通过汽水分离单元的蒸汽出口输送至过热器单元内；

S4、过热器单元换热后得到温度为300℃以上的过热蒸汽，过热蒸汽经过热器单元的出口输送至蒸汽外送管道，用作他用，高温HCl气体经省煤器单元和过热器单元换热后，得到符合氯碱工艺要求的HCl气体，经出气管输送至盐酸合成系统中。

在上述方法中，并没有采用现有直接将冷水作为冷却介质的方式，而是采用温度达到80℃以上的除盐水，不仅可以得到合适的温度梯度，有效降低换热管的热应力和管内压力，提高换热管的使用寿命，其还可以在有限的时间内产生更多的蒸汽，以便于将回收的热能作为蒸汽热能重新利用，实现蒸汽热能利用的可行性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用膜式水冷壁来替换现有HCl合成炉普遍采用的耐热不透性石墨圆筒外敷钢板、中间夹层水冷的结构，防止了除盐水对钢板的腐蚀，提高了合成炉的使用寿命，无需经常停炉维修；

2、通过采用环形布置的换热器来替代现有的石墨换热块，利用间壁换热方式，强化了换热效果，在高效吸收HCl蒸汽热能的同时，将热能回收生产过热蒸汽并用于发电，为氯碱工业节约了大量能源，克服了现有技术的不足。

附图说明

图1是本发明的一种生产蒸汽的HCl合成炉结构示意图；

图2是本发明的HCl炉体主体结构示意图；

图3是本发明的换热管结构示意图；

图4是图3中A－A鸡肉面结构示意图。

图中标记：1为炉体，101为炉体上段，102为炉体下段，103为火焰区，2为出气管，3为氯气进气管，4为氢气进气管，5为膜式水冷壁，6为省煤器单元，601为除盐水进口，602为除盐水出口，7为过热器单元，701为过热器单元的进口，702为过热器单元的出口，8为汽水分离器，801为蒸汽出口，9为蒸汽外送管道，10为除盐水供给管道，11为省煤器，12为过热器，13为换热管，14为汽水混合物输送管道，15为集中下降管，16为保温层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，一种HCl合成炉，特别是一种具有自主能源回收生产蒸汽功能的HCl合成炉，包括炉体1，所述炉体上部为炉体上段101，下部为炉体下段102，炉体1的底部设置有进气管和燃烧合成灯头(未画出)，顶部设置有出气管2，进气管包括氯气进气管3和氢气进气管4，用于向炉体1内通入氯气和氢气，所述炉体1由筒形结构的膜式水冷壁5构成，优选为圆筒形，炉体1内设置有换热装置，换热装置包括省煤器单元6和过热器单元7，所述省煤器单元6设于炉体下段102内，省煤器单元6的除盐水进口601和除盐水出口602均贯穿膜式水冷壁5，省煤器单元6的除盐水进口601接通除盐水供给管道10，其除盐水出口602接通汽水分离单元，汽水分离单元包括汽水分离器8，所述过热器单元7设于炉体上段102内，如图3所示，过热器单元的进口701和出口702均贯穿膜式水冷壁5，过热器单元的进口701接通汽水分离器8的蒸汽出口801，其出口702接通蒸汽外送管道9。

上述HCl合成炉的工作流程为：氯气和氢气经进气管进入炉体1的炉体下段102，通过灯头(石英灯头)燃烧达到2600℃左右，燃烧产生的超高温HCl气体先通过省煤器单元6进行快速换热降温，然后再经过热器单元7换热降温后得到HCl气体，最后经出气管2输送至盐酸合成系统中，在换热过程中，省煤器单元6内的除盐水变为温度在100－200℃的汽水混合物，汽水混合物经汽水分离器8处理后，蒸汽作为冷却介质输送至过热器单元7内继续与HCl气体进行换热，得到温度在300℃以上的高品质过热蒸汽，高品质过热蒸汽可作为发电系统或其他蒸汽用户的优质热源，热水可通过汽水分离器8的集中下降管15再进入膜式水冷壁5中经换热后再次排入汽水分离器8中。

上述HCl合成炉与传统合成炉相比，最主要的区别在于：膜式水冷壁5和换热装置的设置，膜式水冷壁5能够保证炉膛具有良好的严密性，改善炉内的燃烧工况，对炉墙的保护作用最彻底，避免了采用现有的中间夹层水冷的结构，防止了除盐水对钢板的腐蚀。换热装置包括省煤器单元6和过热器单元7，先通过省煤器单元6来快速降温HCl气体，使除盐水变成汽水混合物，然后经汽水分离单元处理后，用蒸汽通过过热器单元7再去与HCl气体进行换热，得到的高温度的高品位过热蒸汽(温度达到300℃以上，可利用价值高)，充分利用了热能，避免了传统单一热水的利用方式，换热装置的布置方式避开了盐酸腐蚀区，由此，实现了高效节能生产盐酸的技术效果，克服了现有技术的不足。

在上述中，所述省煤器单元6和过热器单元7分别由多级省煤器11和过热器12串联形成，省煤器11和过热器12均沿炉体1的轴线方向排布。通过串联多个省煤器11和过热器12来显著提高省煤器单元6和过热器单元7的换热效率，同时也便于利用现有计算公式和设计方法，根据流场特性，合理选择布置区段，控制管壁温度，避开盐酸腐蚀区。作为优选，省煤器11一般串联3个即可，即省煤器单元6由3个省煤器11串联形成，过热器一般串联2个即可，即过热器单元7由2个过热器12串联形成。通过设置3个省煤器11和2个过热器12来形成换热装置，其可以将2600℃以上的HCl气体冷却至400℃左右，并得到300℃左右的高品质蒸汽，换热效率和性价比高。

进一步地，所述省煤器11和过热器12均由换热管13构成，所述换热管13环形布置于炉体1内，相邻换热管13之间的间距形成气流流动的通道，以增加换热管13密度，强化换热效果。作为优选，所述换热管13为蛇形换热管或者U形换热管，所述蛇形换热管采用耐候钢管制成，当然其也可以是其他结构类型的换热管。

在本发明中，所述汽水分离器8优选为锅筒，锅筒的一个输入端通过汽水混合物输送管道14与省煤器单元6的除盐水出口602接通，锅筒的蒸汽出口801与过热器单元的进口701接通，锅筒的热水出口接通集中下降管15。通过锅筒来实现高效的汽水分离，同时得到除盐、除氧的换热介质，可为过热器单元7利用蒸汽提供纯洁蒸汽保障。

在本发明的一些实施例中，考虑到炉体下段102温度较高的问题，所述炉体下段102的下部为火焰区103，所述火焰区103相对应的膜式水冷壁5的部分上涂覆有耐火材料形成耐火层(未画出)，以提高膜式水冷壁5的耐高温强度。进一步地，所述炉体1上还铺设有保温层16，所述保温层16设于膜式水冷壁5的外侧面。

进一步地，本发明还包括一种生产蒸汽的HCl合成炉的回收系统，包括炉体1，所述炉体1的上端为炉体上段101，下部为炉体下段102，炉体1的底部和顶部分别设置有进气管和出气管2，所述炉体1内设置有换热装置，所述换热装置包括省煤器单元6和过热器单元7，所述省煤器单元6设于炉体下段102内，省煤器单元6的除盐水进口601接通除盐水供给管道10，其除盐水出口602接通汽水分离单元，所述过热器单元7设于炉体上段101内，过热器单元的进口701接通汽水分离单元的蒸汽出口801，其出口702接通蒸汽外送管道9，所述省煤器单元6和过热器单元7分别由多个省煤器11和过热器12串联形成，所述省煤器11和过热器12均沿炉体1的轴线方向排布。通过该回收系统来回收HCl合成时所产生的热量，不仅能够达到高效回收热能的目的，还能生产高品质的过热蒸汽，为发电系统或其他蒸汽用户提供高温蒸汽，实现了高效节回收热能的技术效果，提高了能源回收的经济价值。

在上述回收系统中，所述炉体1由膜式水冷壁5构成，所述换热装置设于所述膜式水冷壁5内。

本发明还包括一种生产蒸汽的HCl合成炉的回收系统的回收方法，包括以下步骤：

S1、合成炉经点火开始生产HCl前，向省煤器单元的除盐水进口通入80℃以上的除盐水(优选为105℃的除盐水)，经换热后，得到接近饱和的高温水；

S2、得到的高温水经省煤器单元的除盐水出口输送至汽水分离单元，经汽水分离单元汽水分离后，得到饱和水和200℃以上的饱和蒸汽；

S3、将得到的饱和蒸汽通过汽水分离单元的蒸汽出口输送至过热器单元内；

S4、过热器单元换热后得到温度为300℃以上的过热蒸汽，过热蒸汽经过热器单元的出口输送至蒸汽外送管道，用作他用，高温HCl气体经省煤器单元和过热器单元换热后，得到符合氯碱工艺要求的HCl气体，经出气管输送至盐酸合成系统中。

在上述方法中，并没有采用现有直接将冷水作为换热介质的方式，而是采用温度达到80℃以上的除盐水，不仅可以得到合适的温度梯度，有效降低换热管的热应力和管内压力，提高换热管的使用寿命，其还可以在有限的时间内产生更多的蒸汽，以便于将回收的热能作为蒸汽热能重新利用，实现蒸汽热能利用的可行性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生产蒸汽的HCl合成炉，包括炉体，所述炉体上部为炉体上段，下部为炉体下段，炉体的底部设置有进气管和燃烧合成灯头，顶部设置有出气管，其特征在于，所述炉体由筒形结构的膜式水冷壁构成，炉体内设置有换热装置，换热装置包括省煤器单元和过热器单元，所述省煤器单元设于炉体下段内，省煤器单元的除盐水进口接通除盐水供给管道，其除盐水出口接通汽水分离单元，所述过热器单元设于炉体上段内，过热器单元的进口接通汽水分离单元的蒸汽出口，其出口接通蒸汽外送管道。

2.如权利要求1所述的生产蒸汽的HCl合成炉，其特征在于，所述省煤器单元和过热器单元分别由多级省煤器和过热器串联形成，所述省煤器和过热器均沿炉体的轴线方向排布。

3.如权利要求2所述的生产蒸汽的HCl合成炉，其特征在于，所述省煤器和过热器均由换热管构成，所述换热管环形布置于炉体内，相邻换热管之间的间距形成气流流动的通道。

4.如权利要求3所述的生产蒸汽的HCl合成炉，其特征在于，所述换热管为蛇形换热管，所述蛇形换热管采用耐候钢管制成。

5.如权利要求1－4之一所述的生产蒸汽的HCl合成炉，其特征在于，所述汽水分离单元包括锅筒，所述锅筒的一个输入端与省煤器单元的除盐水出口接通，锅筒的蒸汽出口与过热器单元的进口接通，锅筒设置有集中下降管。

6.如权利要求5所述的生产蒸汽的HCl合成炉，其特征在于，所述炉体下段的下部为火焰区，所述火焰区相对应的膜式水冷壁的部分上涂覆有耐火材料形成耐火层。

7.如权利要求6所述的生产蒸汽的HCl合成炉，其特征在于，所述炉体上铺设有保温层，所述保温层设于膜式水冷壁的外侧面。

8.一种生产蒸汽的HCl合成炉的回收系统，包括炉体，所述炉体的上端为炉体上段，下部为炉体下段，炉体的底部和顶部分别设置有进气管和出气管，其特征在于，所述炉体内设置有换热装置，所述换热装置包括省煤器单元和过热器单元，所述省煤器单元设于炉体下段内，省煤器单元的除盐水进口接通除盐水供给管道，其除盐水出口接通汽水分离单元，所述过热器单元设于炉体上段内，过热器单元的进口接通汽水分离单元的蒸汽出口，其过热出口接通蒸汽外送管道，所述省煤器单元和过热器单元分别由多个省煤器和过热器串联形成，所述省煤器和过热器均沿炉体的轴线方向排布。

9.如权利要求8所述的生产蒸汽的HCl合成炉的回收系统，其特征在于，所述炉体由筒形结构的膜式水冷壁构成，所述换热装置设于膜式水冷壁内。

10.如权利要求9所述的生产蒸汽的HCl合成炉的回收系统的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、合成炉经点火开始生产HCl前，向省煤器单元的除盐水进口通入80℃以上的热水，经换热后，得到接近饱和的高温水；

S2、得到的高温水经省煤器单元的除盐水出口输送至汽水分离单元，经汽水分离单元汽水分离后，得到饱和水和200℃以上的饱和蒸汽；

S3、将得到的饱和蒸汽通过汽水分离单元的蒸汽出口输送至过热器单元内；

S4、过热器单元换热后得到温度为300℃以上的过热蒸汽，过热蒸汽经过热器单元的出口输送至蒸汽外送管道，用作他用，高温HCl气体经省煤器单元和过热器单元换热后，得到符合氯碱工艺要求的HCl气体，经出气管输送至盐酸合成系统中。