無水氟化氫裝置余熱利用及節(jié)能措施

摘 " " "要：某公司20 000 t·a-1無水氟化氫裝置采用螢石-硫酸法產(chǎn)AHF。以上述裝置為研究對象，利用煙道氣余熱加熱精餾塔塔釜物料，降低了精餾塔蒸汽用量，采用換熱效果更好的連續(xù)螺旋折流板換熱器，降低了產(chǎn)品電耗，同時分析了降低裝置能耗的其他控制措施，對于降低產(chǎn)品能耗、提升產(chǎn)品競爭力具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān) "鍵 "詞：無水氟化氫裝置；余熱利用；能耗；螺旋折流板換熱器

中圖分類號：TQ124.3 " " "文獻標(biāo)識碼： B " " 文章編號： 1004-0935（2023）04-0606-04

氟化學(xué)工業(yè)是從20世紀(jì)60年代以來興起的化學(xué)工業(yè)的重要分支，氟化學(xué)工業(yè)對航空航天、新能源、生命科學(xué)等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)重要支撐作用越來越顯著。氟化工的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)菑姆瘹涞闹苽溟_始的，后續(xù)氟化工產(chǎn)業(yè)鏈也是通過氟化氫延伸開來的。實際生產(chǎn)中無水氟化氫（AHF）的生產(chǎn)有兩種方式：一是螢石-硫酸法，以螢石（主成分CaF2）與硫酸反應(yīng)生成無水氟化氫；二是氟硅酸生產(chǎn)法，從磷化工副產(chǎn)氟硅酸中生產(chǎn)無水氟化氫[1-3]。

螢石-硫酸法產(chǎn)AHF，是以98%硫酸、105%發(fā)煙硫酸、螢石粉為原料，在夾套加熱的轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行反應(yīng)產(chǎn)出HF粗品，后續(xù)經(jīng)精餾、脫輕等精制后獲得成品AHF。

螢石-硫酸生產(chǎn)工藝由反應(yīng)系統(tǒng)與分離系統(tǒng)組成。反應(yīng)系統(tǒng)將螢石粉、98%硫酸與105%發(fā)煙硫酸分別計量后，最終在爐頭前外混器位置混合均勻后，進入夾套加熱的轉(zhuǎn)爐進行反應(yīng)，生成的粗HF氣體由爐頭導(dǎo)氣管導(dǎo)出，進入分離系統(tǒng)，反應(yīng)殘渣由轉(zhuǎn)爐爐尾排出，系統(tǒng)尾氣經(jīng)過處理后達標(biāo)排放。

分離系統(tǒng)由轉(zhuǎn)爐爐頭導(dǎo)出的氣相物料經(jīng)98%硫酸洗滌凈化后進入一級冷凝器、二級冷凝器，冷凝液為粗HF液體，重力自流進入精餾脫除重組分，精餾塔頂采出進入脫輕塔脫去輕組分，脫輕塔釜物料重力自流進入成品槽，化驗合格后泵入罐區(qū)外售。

反應(yīng)系統(tǒng)熱量來源主要為轉(zhuǎn)爐夾套中的熱空氣，通過爐頭燃燒爐燃燒天然氣、氫氣等獲得高溫?zé)嵩矗俳?jīng)過高溫風(fēng)機強制熱風(fēng)循環(huán)，將熱量輸送至轉(zhuǎn)爐夾套各個部位，為轉(zhuǎn)爐內(nèi)物料提供熱量。轉(zhuǎn)爐通過爐體旋轉(zhuǎn)，均勻吸收夾套內(nèi)熱量，夾套中熱空氣換然后通過煙囪高空排放，排放溫度約230℃。

精制系統(tǒng)熱量來源主要為低壓蒸汽，通過蒸汽加熱精餾塔、脫輕塔塔釜物料，蒸汽為分離精制過程提供熱量。

裝置冷媒為-10 ℃鹽水，通過氟利昂制冷機組冷卻后，經(jīng)鹽水緩沖罐、鹽水泵輸送至AHF裝置，對相關(guān)物料進行冷凝，達到降溫、冷凝、提純等 " "目的。

國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用的都是螢石與硫酸反應(yīng)生成無水氟化氫[4]，多數(shù)企業(yè)關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品能耗關(guān)注度不高，對裝置余熱利用等更沒有實質(zhì)性突破[5-9]。本文主要通過研究利用煙道氣余熱加熱精餾塔塔釜物料，以降低精餾塔蒸汽消耗，同時利用換熱效果更好的連續(xù)螺旋折流板冷凝器，以降低產(chǎn)品電耗，對可降低裝置能耗的其他措施進行了分析，對實際生產(chǎn)中，降低產(chǎn)品能耗、提高產(chǎn)品競爭力方面具有重要的指導(dǎo)意義。

1 "無水氟化氫裝置熱量損失及其他

本文以20 000 t·a-1無水氟化氫裝置為研究對象，AHF產(chǎn)量為2.8 t·h-1。

1.1 "轉(zhuǎn)爐煙道氣高溫排放

螢石-硫酸反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，反應(yīng)在轉(zhuǎn)爐中完成，熱量來自轉(zhuǎn)爐夾套，通過燃燒爐燃燒天然氣、氫氣等獲得高溫?zé)嵩?，?jīng)過高溫風(fēng)機強制循環(huán)，將熱量輸送至轉(zhuǎn)爐夾套為轉(zhuǎn)爐內(nèi)物料提供熱量。轉(zhuǎn)爐通過爐體旋轉(zhuǎn)，均勻吸收夾套中熱量，熱空氣換然后通過煙囪高空排放，排放溫度約230 ℃。

高溫?zé)煹罋馀欧帕考s為8 500 Nm3·h-1，大量煙道氣高溫排放，造成熱量損失。

1.2 "轉(zhuǎn)爐煙道氣分布不均勻

轉(zhuǎn)爐配套燃燒爐釋放的熱量，通過高溫風(fēng)機強制循環(huán)于轉(zhuǎn)爐夾套內(nèi)，循環(huán)方式有以下幾種：一進兩出、一進三出、一進四出、兩進四出。進：高溫風(fēng)機出口至轉(zhuǎn)爐夾套入口；出：夾套熱風(fēng)出口至高溫風(fēng)機回風(fēng)管。熱風(fēng)在轉(zhuǎn)爐夾套內(nèi)強制循環(huán)，分配到各個換熱部位，風(fēng)量大小除高溫風(fēng)機控制外，夾套熱風(fēng)出口風(fēng)門開度也作為風(fēng)量大小的控制措施。

實際生產(chǎn)中，熱風(fēng)循環(huán)方式選擇不當(dāng)、轉(zhuǎn)爐夾套熱風(fēng)出口風(fēng)門控制不當(dāng)、風(fēng)門脫落、夾套熱風(fēng)測溫不準(zhǔn)確等，都會造成爐頭、爐中及爐尾溫度控制不當(dāng)，造成熱量分布不均勻從而導(dǎo)致燃氣消耗增加。

1.3 "轉(zhuǎn)爐爐頭、爐尾密封不嚴(yán)熱量損失

轉(zhuǎn)爐通過爐體旋轉(zhuǎn)，帶動爐尾部焊接在爐內(nèi)壁上的抄兜將爐尾物料抄送至轉(zhuǎn)爐軸心的內(nèi)返渣螺旋，螺旋隨轉(zhuǎn)爐自傳將爐尾物料輸送至爐頭，同時轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動使物料邊反應(yīng)邊“流”向爐尾，另外轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動使物料接觸均勻，促進反應(yīng)進行的同時也均勻吸收夾套中熱量。

在目前的生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動不可避免，但夾套是靜止不動的，轉(zhuǎn)爐與夾套之間就會出現(xiàn)密封不嚴(yán)的現(xiàn)象，尤其在起支撐作用的轉(zhuǎn)爐托輪潤滑不及時、軸承老化等不利因素下，就容易造成轉(zhuǎn)爐軸心偏移，夾套密封便會出現(xiàn)嚴(yán)重問題，夾套內(nèi)熱風(fēng)在高溫風(fēng)機的強制循環(huán)作用下泄漏率會大大增加。

1.4 "轉(zhuǎn)爐燃燒爐及轉(zhuǎn)爐外保溫維護不及時導(dǎo)致熱

量損失

轉(zhuǎn)爐燃燒爐爐膛溫度約580 ℃，轉(zhuǎn)爐夾套爐頭溫度約260 ℃，爐中溫度約460 ℃，爐尾溫度約350 ℃，燃燒爐、轉(zhuǎn)爐夾套都處于高溫狀態(tài)，同時轉(zhuǎn)爐體積龐大，直徑3 m左右，長度30 m左右，外表面積340 m2左右，若以上保溫破損或者維護不當(dāng)，熱量損失會大大增加，無形中會導(dǎo)致產(chǎn)品能耗增加。

1.5 "冷凝器結(jié)構(gòu)落后導(dǎo)致電耗增加

實際生產(chǎn)中，粗HF氣體經(jīng)過洗滌塔、粗餾塔初步凈化后，進入一級冷凝器、二級冷凝器，以上冷凝器換熱面積相同約200 m2，多數(shù)企業(yè)采用傳統(tǒng)列管式換熱器，管程為氣相粗HF，殼程為冷凍鹽水，鹽水流過換熱器殼程時，折流板后方底部存在換熱死區(qū)，而且傳統(tǒng)列管式換熱器因折流板垂直流向布置，導(dǎo)致流動阻力偏大，增加了鹽水泵電耗。

2 "無水氟化氫裝置余熱利用及節(jié)能措施

2.1 "轉(zhuǎn)爐煙道氣余熱利用措施

高溫?zé)煹罋馀欧帕考s為8 200 Nm3·h-1，排放溫度約230 ℃，大量煙道氣高溫排放，造成熱量損失。若煙道氣余熱用于裝置用熱設(shè)施，可達到余熱利用的目的。

經(jīng)過長時間運行發(fā)現(xiàn)，裝置其他用熱設(shè)備主要為精餾塔、脫輕塔，精餾塔平均蒸汽用量約為 " " "1 050 kg·h-1，脫輕塔平均蒸汽用量約為200 kg·h-1，精餾塔塔釜溫度為29±2 ℃，脫輕塔塔釜溫度為 20±1 ℃。

脫輕塔蒸汽用量較小，若脫輕塔塔釜溫度控制不當(dāng)，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，且煙道氣余熱遠大于脫輕塔所需熱量，最終選擇將煙道氣余熱用于加熱精餾塔塔釜物料。

在精餾塔塔釜增加1個換熱器，換熱面積約 "40 m2，在煙道氣排空前增加煙道氣/熱水換熱器，管程走煙道氣，殼程走熱水，管程截面積之和不低于原煙道氣管道截面積，利用煙道氣加熱熱水，熱水再加熱精餾塔塔釜物料，形成閉路循環(huán)，精餾塔塔釜物料熱量一部分來自蒸汽，另一部分來自煙道氣余熱。經(jīng)過余熱利用改造后，獲取熱水溫度約50 ℃，煙道氣出口溫度降低至約65 ℃，精餾塔蒸汽用量降低至約400 kg·h-1。同時因熱水與精餾塔物料溫差較小，塔釜液位穩(wěn)定性增強，降低了精餾塔液位控制難度，AHF優(yōu)等品率大大提高。

通過煙道氣余熱利用，不僅可以大大降低產(chǎn)品蒸汽能耗，而且增強了精餾塔液位穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，提升了產(chǎn)品競爭力。

2.2 "轉(zhuǎn)爐煙道氣分布不均勻的控制措施

轉(zhuǎn)爐燃燒爐釋放的熱量，通過高溫風(fēng)機強制循環(huán)，輸送至轉(zhuǎn)爐夾套各個部位。夾套的中熱空氣循環(huán)方式大體有以下幾種：一進兩出、一進三出、一進四出、兩進四出。對比同類企業(yè)，發(fā)現(xiàn)煙道氣兩進四出的分配方式總體燃氣消耗偏低，主要因為進氣量充足，出氣位置分布廣，能最大程度上滿足熱風(fēng)的均勻分布。

實際生產(chǎn)中，爐尾的溫度確保不低于硫酸沸點即可，過高的爐尾溫度只能增加爐渣的干燥，導(dǎo)致爐尾揚程偏大，同時爐渣帶走過多熱量，因此爐尾溫度控制在335 ℃左右即可。轉(zhuǎn)爐夾套中的測溫儀、夾套熱風(fēng)出口風(fēng)門定期檢查，防止因測溫不準(zhǔn)、風(fēng)門故障導(dǎo)致熱量分布不均，從而造成產(chǎn)品燃氣消耗偏高。兩進四出的熱風(fēng)分配方式、335 ℃左右的爐尾溫度一定程度上能降低燃氣消耗。

2.3 "轉(zhuǎn)爐爐頭、爐尾密封不嚴(yán)的控制措施

轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動不可避免，轉(zhuǎn)爐與夾套之間的密封不嚴(yán)、夾套熱風(fēng)泄漏等問題，一直是困擾行業(yè)難題。目前爐頭、爐尾與夾套之間的密封主要通過石墨塊等柔性材料進行彈性密封，但轉(zhuǎn)爐本身轉(zhuǎn)動、局部溫度偏高等引起的爐體微偏移，要想達到完全密封難度較大，目前較好的措施是使用彈性軟密封材料進行封堵，但材料本身的耐高溫、耐磨程度有待 " 提高。

提高轉(zhuǎn)爐夾套與爐頭、爐尾之間的密封性，會大大降低熱量散失，尤其在冬季，對燃氣消耗的降低起到一定的積極作用。

2.4 "轉(zhuǎn)爐燃燒爐、轉(zhuǎn)爐外保溫維護不及時導(dǎo)致熱量

損失的控制措施

轉(zhuǎn)爐燃燒爐、夾套溫度偏高，且表面積較大，若保溫破壞或維護不當(dāng)，不必要的熱量損失會導(dǎo)致產(chǎn)品燃氣消耗增加。當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃時，建議爐體外壁表面平均溫度不超50 ℃，或按照《評價企業(yè)合理用熱技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T 3486）等相關(guān)規(guī)范進行定期檢測、管控，最大程度上降低不必要的熱量損失。

2.5 "冷凝器結(jié)構(gòu)落后導(dǎo)致電耗增加的控制措施

設(shè)備落后導(dǎo)致產(chǎn)品運行成本偏高的現(xiàn)象普遍存在，國內(nèi)有學(xué)者對無水氟化氫裝置的冷凝器進行了相關(guān)研究[10]。

實際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)列管式換熱器，流體流動阻力大、換熱死區(qū)多，容易造成換熱效果差，輸送用鹽水泵電耗增加，因冷凝器位置一般在裝置最頂層，且鹽水流量一般較大，鹽水泵功率一般偏高，尤其在天氣炎熱季節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)多運行1臺鹽水泵的 "現(xiàn)象。

為解決以上設(shè)備落后導(dǎo)致電耗增加問題，本文采用結(jié)構(gòu)先進、阻力小的連續(xù)螺旋折流板換熱器。新型冷凝器與原來相比，管程、殼程結(jié)構(gòu)保持不變，只改變折流板形式，由“弓形”折流板，改為連續(xù)螺旋折流板。其優(yōu)點在于消除折流板后邊底部的換熱死區(qū)，降低流動阻力，改善換熱效果。

經(jīng)過更換一級冷凝器、二級冷凝器后，運行效果明顯改善，因冷凝器換熱效果提升，鹽水流動阻力降低，鹽水平均溫度要求較原來提升1 ℃，停開100 kW鹽水泵1臺，在降低冷媒品質(zhì)要求的同時，降低了鹽水輸送成本，有效地降低了產(chǎn)品電耗。

采用連續(xù)螺旋折流板冷凝器器，能降低流體流動阻力，減少換熱死區(qū)，提升換熱效果，有效降低產(chǎn)品電耗，提升產(chǎn)品競爭力。

3 "結(jié) 論

1）無水氟化氫裝置通過煙道氣余熱利用，提升精餾塔液位穩(wěn)定性及產(chǎn)品質(zhì)量的同時，降低了精餾塔蒸汽用量，有效降低了產(chǎn)品蒸汽消耗。

2）兩進四出的熱風(fēng)分配方式、335 ℃左右的爐尾溫度一定程度上能降低燃氣消耗。

3）提高轉(zhuǎn)爐夾套與爐頭、爐尾之間的密封性，會降低熱量散失，尤其在冬季，對燃氣消耗的降低起到一定作用。

4）定期檢測及管控轉(zhuǎn)爐燃燒爐、轉(zhuǎn)爐的外層溫度，可降低不必要的熱量損失，對產(chǎn)品能耗的降低起到一定的積極作用。

5）一級冷凝器、二級冷凝器采用連續(xù)螺旋折流板冷凝器，能降低流動阻力，減少換熱死區(qū)，提升換熱效果，可有效降低產(chǎn)品電耗。

6）通過研究無水氟化氫裝置余熱利用、連續(xù)螺旋折流板冷凝器的使用、降低能耗的其他措施等，對降低AHF產(chǎn)品能耗、提高產(chǎn)品競爭力具有重要的指導(dǎo)意義。

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Waste Heat Utilization and Energy-saving Measures

of Anhydrous Hydrogen Fluoride Plant

GE Li-ping 1， JIANG Yun-bo 2

（1. Shandong Ruicheng Testing Technology Service Co.， Ltd.， Zibo Shandong 255000， China;

2. Jiuyu （Shandong） Technology Engineering Co.， Ltd.， Zibo Shandong 255000， China）

Abstract： 20 000 t·a-1 Anhydrous hydrogen fluoride unit of a company uses the fluorite-sulfuric acid method to produce AHF.Taking the above device as the research object， the waste heat of the flue gas is used to heat the materials of the distillation tower to reduce the steam consumption of the distillation tower. Continuous spiral baffle heat exchanger with better heat exchange effect was used to reduce the power consumption of the product， at the same time， other control measures to reduce the energy consumption of the device were analyzed， which had important guiding significance for reducing the energy consumption of the product and improving the competitiveness of the product.

Key words： AHF unit; Waste heat utilization; Energy consumption; Spiral baffle heat exchanger