氯堿裝置副產(chǎn)氫氣在冀衡化肥公司的回收利用

孫鳳徐

［河北冀衡（集團(tuán)）化肥有限公司，河北 衡水 053400］

0 引 言

河北冀衡集團(tuán)有限公司循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)園（以下簡稱冀衡循環(huán)經(jīng)濟(jì)園），是2005年10月由國家發(fā)改委、環(huán)?？偩值绕卟课鷾?zhǔn)，列入全國第一批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)單位，現(xiàn)已形成以冀衡化學(xué)公司消毒劑為核心的鹽化工主線和以氰尿酸為核心的煤化工主線，及廢棄物綜合利用配套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上下游產(chǎn)品相互利用、副產(chǎn)品綜合利用、廢棄物綜合利用，產(chǎn)品資源循環(huán)化、產(chǎn)品物流管道化、能源消耗最低化。目前，冀衡循環(huán)經(jīng)濟(jì)園內(nèi)主要有生產(chǎn)鹽化工產(chǎn)品（消毒劑、燒堿、氯氣、氫氣、氰尿酸等）的冀衡化學(xué)公司，生產(chǎn)煤化工產(chǎn)品（液氨、甲醇、尿素）的冀衡化肥公司；生產(chǎn)硫酸、苯胺、復(fù)合肥產(chǎn)品的冀衡藍(lán)天公司等化工企業(yè)；以及在建的化學(xué)公司加氫化工項(xiàng)目，在建的冀衡威武公司用氫氣、氯氣化工項(xiàng)目，在建的冀衡藥業(yè)公司加氫制藥項(xiàng)目。

氫氣是氯堿電解生產(chǎn)出的一種副產(chǎn)品，冀衡化學(xué)公司以前的老生產(chǎn)區(qū)隔膜法燒堿裝置產(chǎn)出氫氣除合成鹽酸外，大部分氫氣被排放了，2005年建設(shè)冀衡循環(huán)經(jīng)濟(jì)園后，化學(xué)公司離子膜法燒堿裝置產(chǎn)出的氫氣得到了有效的利用，2011年前用它來合成鹽酸、壓縮氫氣裝瓶后運(yùn)到冀衡藥業(yè)制藥和輸送到就近的藍(lán)天公司生產(chǎn)苯胺，氫氣基本上全部得到利用。2011年化學(xué)公司新擴(kuò)建的150kt／a離子膜法燒堿裝置投產(chǎn)后，燒堿產(chǎn)能達(dá)300kt／a，氫氣除滿足以上幾種用途外，尚有超過4 000m3／h的氫氣排空，每天造成7萬多元的經(jīng)濟(jì)損失。為此，集團(tuán)公司要求把這部分剩余氫氣輸送到冀衡化肥公司生產(chǎn)合成氨。電解產(chǎn)生的氫氣純度為98.5%，還有1.5%的其他氣體（水蒸氣、O2、N2等），而合成氨的原料氣為半水煤氣，其主要成分為CO27.5%、O20.4%、CO 30%、H242.6%、N217.4%、CH42.1%；經(jīng)查找有關(guān)資料，用氯堿裝置電解副產(chǎn)的氫氣生產(chǎn)合成氨是完全可行的。但是，由于電解產(chǎn)生的氫氣含有飽和水蒸氣，并夾帶少量其他雜質(zhì)，在輸送過程中會因溫度降低而出現(xiàn)冷凝水，特別是冬季氣溫達(dá)零度以下時，若管道保溫不好和排水不及時，極易造成冷凝水結(jié)冰而堵塞管道；氫氣屬于易燃易爆氣體，其防火、防雷、防靜電等級要求特別高；而且，化學(xué)公司氫氣分配站到化肥公司氣柜有1 300多米，如此長距離輸送氫氣，安全方面有一定的難度。為了實(shí)現(xiàn)安全輸送氫氣，我們查閱了大量關(guān)于氫氣輸送的資料，采取了一系列措施，成功將其引入合成氨裝置回收利用，現(xiàn)簡介如下。

1 氫氣輸送方案

1.1 管道路線

將化學(xué)公司氫處理崗位的氫氣分配臺作為起點(diǎn)，沿氯堿裝置南北大管廊再向東1 300多米到化肥公司10 000m3半水煤氣大氣柜。為減少投資，管道盡量走原有管道管廊支架，并用部分較好的舊管道做支架；氫氣管道與熱載體管道要離開300mm的距離。

1.2 輸送壓力、阻力分析

輸送管道擬選用400mm的管徑；化學(xué)公司離子膜電解槽氫氣壓力為45kPa，氫氣出來經(jīng)鹽水預(yù)熱器—噴淋塔—水霧捕集器進(jìn)入氫氣分配臺，壓力降為19kPa，系統(tǒng)壓力比較穩(wěn)定；化肥公司氣柜的最高控制壓力是3.92～4.12kPa（400～420mmH2O）；氫氣的管道輸送阻力很?。―N400的管道，阻力小于1kPa），因此，不用加壓設(shè)備便可輸送到化肥公司半水煤氣氣柜。

1.3 流速的確定

化學(xué)公司離子膜燒堿裝置生產(chǎn)氫氣的總量按9 000m3／h，合成鹽酸和壓縮氫氣用1 000m3／h、藍(lán)天公司苯胺用4 000m3／h，剩下4 000m3／h輸送到化肥公司10 000m3氣柜。其流速選擇根據(jù)《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50177—2005—12）的規(guī)定：碳素鋼管，設(shè)計(jì)壓力在0.1～3.0MPa時，氫氣的最大流速為15m／s；我們的輸送壓力為19kPa（0.019MPa）以下，最大流速應(yīng)取15m／s以下。

1.4 管徑的確定

若氫氣的流速按U＝15m／s計(jì)算，化學(xué)公司輸送到化肥公司氫氣量Q≈4 000m3／h＝1.11 m3／s，由公式Q＝3.14×R2×U，計(jì)算出輸送管道直徑D＝0.308m。所以，氫氣管道直徑最小應(yīng)選φ325×8mm；為了保證安全，選用φ426×10mm的無縫鋼管。

再驗(yàn)算一下流速，U＝Q／（3.14×R2）＝8.6 m／s，在氫氣的安全流速范圍內(nèi)；φ426×10mm的管道，氫氣最大安全流量為Q＝3.14×R2×U×3 600＝6 987m3／h。

2 安全措施

2.1 入氣柜前安全水封

入氣柜前的水封直徑為1.2m、高2.0m，進(jìn)出口管道通徑為426×10mm，水封高度為500mm。當(dāng)氯堿生產(chǎn)系統(tǒng)停電、緊急停車時，氫氣突然消失，此處氫氣水封內(nèi)的水會在氣柜的壓力下進(jìn)入水封進(jìn)口氫氣管道，與水封內(nèi)的水面高度差達(dá)420mm時，管道內(nèi)的水不再上升，而氣柜內(nèi)的最高壓力為4 120Pa（420mmH2O），保證了氣柜內(nèi)的半水煤氣不進(jìn)入氫氣管道。同時，氯堿調(diào)度用對講機(jī)馬上通知化肥調(diào)度采取應(yīng)急生產(chǎn)措施，并且化肥公司氣柜水封槽自動補(bǔ)水保證水封水位高度，防止半水煤氣倒入氫氣管道引起事故，確保氯堿生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。

2.2 半水煤氣氣柜自動放空

半水煤氣氣柜有效容積為10 000m3。其進(jìn)口設(shè)有自動放空裝置，當(dāng)氣柜壓力達(dá)到4 120Pa（420mmH2O）時，氣動放空閥自動打開，實(shí)現(xiàn)半水煤氣的自動放空，確保氣柜壓力穩(wěn)定在3 920～4 120Pa，從而確保輸送管道內(nèi)氫氣壓力的穩(wěn)定，保證氣柜內(nèi)的氣體不進(jìn)入氫氣管道，確保氯堿生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。

2.3 氫氣分配臺安全水封

安全水封設(shè)在化學(xué)公司氫氣分配臺輸送的起點(diǎn)，安全水封直徑為2.0m、高3.0m，進(jìn)出口管通徑為400mm，水封有效高度為2 200mm。如遇化肥生產(chǎn)突然停電或合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)緊急停車時，致使突然停止使用氫氣，氫氣輸送管道內(nèi)壓力將急劇升高，壓力達(dá)21560Pa（2200mmH2O）以上時，氫氣將沖破安全水封自動放空；出現(xiàn)突然停車時，化肥調(diào)度要立即用對講機(jī)通知化學(xué)調(diào)度落實(shí)切斷氫氣閥門，確保氯堿系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

2.4 防火、防靜電、防雷

氫氣輸送管道水平距離15m內(nèi)禁止動火，并有禁火標(biāo)識。防靜電措施，我們沿氫氣管道每隔25m處，用40×4mm的扁鐵做接地線接地，其電阻小于6Ω，直接焊接在管道上，把靜電導(dǎo)入地下；有閥門法蘭處用6mm2銅線把兩個法蘭接通，防止靜電積存；維修工具和開關(guān)閥門的扳手必須是銅工具。防雷措施，在已有避雷針防護(hù)不能覆蓋的區(qū)域，增設(shè)避雷針。

2.5 管道防堵塞防凍

氫氣管道用較好的80mm厚巖棉保溫，外皮用3布4油玻璃鋼糊皮保護(hù)。從化學(xué)公司氫氣分配臺到化肥公司10 000m3氣柜之間的氫氣輸送管路上，增設(shè)多個氫氣冷凝水導(dǎo)淋裝置，每隔30～50m設(shè)排水導(dǎo)淋插入安全水封中，閥門小開隨時排水，以防管路積水影響生產(chǎn)；在氫氣管道的各個龍門高點(diǎn)上設(shè)置氫氣放空閥，并裝有阻火器，以利于開停車及檢修時置換氫氣。

2.6 閥 門

大部分閥門采用襯膠蝶閥，防止閥芯和閥體因摩擦而產(chǎn)生靜電。

此外，為了保證安全穩(wěn)定運(yùn)行，在氫氣成功輸送后，我們制定了 《冀衡園區(qū)氫氣生產(chǎn)使用安全操作規(guī)程》，并對相關(guān)崗位人員進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)，以保證化學(xué)公司氯堿系統(tǒng)和化肥公司合成氨系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2011年10月22日投用至今，氫氣輸送管道均運(yùn)行正常。

3 效益分析

整個氫氣輸送系統(tǒng)的管道、支架、土建、保溫、閥門、排水裝置等共投資80多萬元。氫氣的輸送量按4 000m3／h，化肥裝置運(yùn)行330d／a計(jì)，則可回收化學(xué)公司排放的氫氣4 000×24×330＝31 680 000m3／a，大大減少了環(huán)境污染，可為化學(xué)公司創(chuàng)造效益950萬元／a。

此項(xiàng)目完成后，化學(xué)公司為化肥公司提供濃度為98.5%的氫氣4 000m3／h，氫氣平均價格0.55元／m3（不含稅價格為0.47元／m3）；化肥公司用煤氣化制氫氣的成本為0.52元／m3，則購買化學(xué)公司的氫氣可節(jié)?。?.52－0.47）×4 000×24×330＝158.4萬元／a。同時，減少了大量SO2和廢渣的排放。項(xiàng)目正常運(yùn)行后，一年就可收回投資。

合成氨是由氮?dú)?、氫氣在高溫、高壓、催化劑的作用下合成的，利用空氣中的氮?dú)鉃楹铣砂钡脑希谐浞值谋Ｕ?；而氫氣是由白煤和蒸汽、空氣在煤氣爐中生產(chǎn)的，主要原材料為白煤，隨著白煤價格的升高，合成氨成本越來越高，節(jié)能降耗迫在眉睫。將氯堿裝置排空的氫氣引入合成氨裝置回收利用，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念，可充分利用有效資源，且其投資少見效快。

4 結(jié)束語

冀衡化學(xué)公司電解鹽水副產(chǎn)氫氣用在合成氨生產(chǎn)和其他產(chǎn)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了冀衡循環(huán)經(jīng)濟(jì)園內(nèi)鹽化工和煤化工等產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢互補(bǔ)，上下游產(chǎn)品相互利用、副產(chǎn)品綜合利用、廢棄物綜合利用，產(chǎn)品資源循環(huán)化、產(chǎn)品物流管道化、能源消耗最低化，不僅有利于節(jié)能減排，而且取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］周建軍.電解氫氣的長距離輸送 ［J］.中國氯堿，2001，21 （12）：41～42.

［2］周脈友，趙朝興.氫氣在合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用 ［J］.氯堿工業(yè)，2008，44 （2）：29～30.