曹国玉

（陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林 719319）

陕西北元化工集团股份有限公司 （简称北元化工）100 万t/a 聚氯乙烯综合循环利用项目配套4 条VCM 转化工序， 每条转化装置单独设一套热水塔，热水塔初始开车使用低压蒸汽加热 （T≥80 ℃），主要用于合成转化器、预热器、精馏再沸器和公用工程板换换热，正常运行时，转化器列管内氯化氢和乙炔在装填触媒的催化下反应产生大量热量， 热量通过热水塔内的热水进行自然循环和强制循环换热，换热后的部分热水闪蒸为低压蒸汽（乏汽），通过管道回至热水塔顶部冷却器与精馏回水进行换热， 少部分低压蒸汽冷凝为液态回至热水塔内， 而大部分低压蒸汽排至大气中，每条线约3 t/h，造成资源浪费、热量损失、生产消耗升高。

1 工艺流程

化工分公司聚氯乙烯分厂VCM 合成工序每条线热水塔设4 台热水泵（见图1），单台泵供水流量为800 m3/h，正常运行时用3 备1，热水塔温度为94～96 ℃，热水塔出口管与4 台泵连接，各台泵出口汇至一根总管进行热水分配，热水主要给合成转化器、预热器、精馏再沸器和公用工程板换换热。因转化装置热水需要量较大，地势相对高，而公用工程地势偏低，在实际操作过程中，供公用工程热水阀门打开后影响转化和精馏用水量，对转化器影响比较明显，越到用户末端， 影响越严重。 转化器温度控制要求90～180 ℃、预热器温度≥80 ℃。 VCM 合成 AB 线热水塔给一期公用工程供热水，CD 线热水塔给二期公用工程供热水，热水回水可以相互切换调节使用。每台热水塔初始补水约600 t。

图1 VCM热水塔工艺流程图

2 生产运行中存在的问题

一般情况下，VCM 合成根据精馏和转化用水情况给公用工程调节供水。

（1）在实际运行过程中，VCM 合成给公用工程供的热水流量较小，无法满足设计运行条件，影响热水型溴化锂机组的制冷效率，通过测量及数据分析，热水型溴化锂机组制冷能力为60%~70%；夏季室外温度高的情况下， 公用工程热水型和蒸汽型溴化锂机组不得不全部开启运行， 导致7 ℃水冷冻机组无备机，同时7 ℃水上水温度比较高，造成合成精馏系统运行不稳定，尾排压力上升，溴化锂机组蒸汽消耗增加。

（2）VCM 合成转化、 精馏和公用工程热水管道在一个分配台上，若增大给公用工程供水量，精馏和转化供水压力和循环流量就会下降，影响转化、精馏换热，并影响转化后总管指标和单体质量。

（3）VCM 合成热水塔热水温度较高的情况下，经转化器换热后部分热水闪蒸变为低压蒸汽排放（乏汽），目前尚无有效的回收措施，造成资源浪费、环境污染并增加生产成本。

（4）公用工程热水型溴化锂机组全部运行时，单台溴化锂机组热水循环流量减少，不能满足设计要求（设计热水泵2 台，1 用1 备，单台泵设计流量为1 800 m3/h，溴化锂热水循环量设计为440 m3/h），导致制冷效率下降。

3 热水分配可行性

结合目前运行情况，提高公用工程热水供用量，进一步提高溴化锂机组制冷效率， 适当降低合成热水塔温度，减少热水在换热过程中的乏汽排放量。化工一二期公用工程冷冻站各设4 台热水型溴化锂机组， 使用的热量大部分为VCM 合成热水塔热水提供的热量，热水型溴化锂机组热水通过泵自身循环，与合成热水进行热交换，实现循环换热制冷。

3.1 可行性分析

现场收集数据： 公用工程溴化锂机组合成热水供水温度t1=96.5 ℃，回水温度t2=71.5 ℃，溴化锂机组进水温度t3=78.6 ℃，出水温度t4=72 ℃，热水的比热容 CP=4.2×103J/（kg·℃）。 公用工程热水泵流量V1=1 800 m3/h。 计算过程如下（不考虑传热系数对换热的影响）。

通过理论计算可知，正常情况下化工VCM 合成热水塔给公用工程供的热水理论流量约为475 m3/h，而设计要求为1 000 m3/h，同时溴化锂机组设计进出水温度为95 ℃和85 ℃，而实际运行为78 ℃和72 ℃。

若单独给公用工程增加1 台热水泵， 流量控制在1 000 m3/h，则溴化锂机组进出水温差能达到设计要求，换热效率大大提高，可以减少蒸汽溴化锂机组运行台数，降低蒸汽型溴化锂机组蒸汽消耗。

3.2 提高公用工程热水供应流量后，热水塔热水温度变化情况

目前合成热水塔温度一般为96 ℃，热水塔热水循环量约为2 100 m3/h，VCM 合成精馏、转化大概需要热水循环量为1 650 m3/h，公用工程供水450 m3/h。按照给公用工程1 000 m3/h 供水流量计算， 即在现有基础上增加550 m3/h 供水流量， 溴化锂机组进出水温差按照设计要求进行计算， 得出合成热水塔热水经过换热后的温度。

热水塔热水经过公用换热后的温度为96-18=78 （℃）。

经过换热的热水回至热水塔后热水温度的变化为：

96 ℃热水循环量为 3 300 m3/h，78 ℃热水循环量为1 000 m3/h（原运行基础上增加550 m3/h），两种不同温度热水混合后温度变化根据热平衡方程：

得出 I2=384.6 （kJ/kg）。

查焓熵图可得I2对应的温度为91.7 ℃。

3.3 转化、精馏热水供水循环量调整

现转化和精馏单条线热水循环量约为1650m3/h，温度为 94~96 ℃，需要的热量为663.63×106kJ。若满足公用工程1 000 m3/h 供水流量， 热水塔温度变为91.7 ℃。

根据热平衡方程G2I2=G1I1

91.7 ℃热水焓值为 I2=384.6 （kJ/kg），

得出 G2=1 725 （m3/h）。

即热水温度降低至91.7 ℃后，转化和精馏需要的热水循环量需要增加至1 725 m3/h，可以满足换热要求。

4 测试情况

2020 年 3 月 25 日-5 月 25 日， 北元化工根据《VCM 合成热水塔余热利用可行性分析报告》及《合成热水塔热量分配测试方案》， 组织对VCM 合成A线热水塔热量进行分配测试。 本次测试考虑到热水温度的变化对触媒活性的影响， 每个阶段的调试时间相对比较长， 目的是防止转化器后总管含酸和含乙炔超标，测试过程中记录相关数据。

4.1 测试思路

在确保生产稳定运行的前提下进行余热分配测试。利用热量平衡的原理，通过调整热水塔供采卤公用溴化锂机组热水量来降低合成热水塔热水温度即闪蒸温度， 也就是通过热量分配调整寻找热量平衡点，实现热水塔不补水也不排汽，余热完全被利用。

4.2 测试目标

通过热水分配调整使其既能满足采卤公用热水型溴化锂机组制冷需求的热量，提高制冷效率，实现7 ℃水制冷机组备用， 同时减少蒸汽溴化锂机组的投运台数， 降低蒸汽消耗， 也可实现降低热水塔温度，减少闪蒸蒸汽量，即补水量。 化工一二期公用工程冷冻站各设4 台热水型溴化锂机组， 使用的热量大部分为VCM 合成热水塔热水提供的热量， 热水型溴化锂机组热水通过泵自身循环， 与合成热水进行热交换，实现循环换热制冷。

4.3 测试步骤及要求

（1）本次测试的温度控制点分别为94 ℃、93 ℃、92 ℃和91 ℃。 第一阶段下调温度为2 ℃，后续阶段为1 ℃，每个阶段测试时间不低于20 天，保证触媒有过渡期和适应期。

（2）根据热水塔温度变化情况调整供采卤公用的阀门开度，转化、精馏的热水阀门保持不变，分阶段进行调整，要求热水塔温度依次达到94 ℃、93 ℃、92 ℃和 91 ℃。

（3）采卤公用保持原运行方式，根据7 ℃水指标变化情况，逐步关小蒸汽板换的阀门开度，做好相关记录。

（4）每次调整后温度保持不变，密切跟踪VCM转化、 采卤公用的指标变化情况， 详细记录相关数据。

（5）测试期间，指定专人负责，如发现转化后总管及单台转化器指标整体有明显上涨的趋势， 分厂及时反馈，可提出申请，停止测试，恢复原运行方式。

4.4 测试过程

（1）3 月 25 日对转化 A 线单条线进行测试，转化B 线供采卤上回水阀门关闭，第一次调整转化A线供采卤公用一期阀门开度，实现A 线热水塔温度控制在94.0~95.0 ℃，通过调整稳定后，供采卤公用一期热水阀门开度25%。 采卤公用一期小板换蒸汽阀门开度调整至55%。4 月9 日，再次调整供采卤公用一期热水阀门，将阀门开度由之前的25%调整至40%， 转化A 热水塔温度控制在 93.0~94.0 ℃，采卤公用一期小板换蒸汽阀门调整至35%， 测试直至 6 月 9 日。

（2）6 月 9 日对转化 A/B/C/D 线同时开始测试，测试前， 转化A/B/C/D 线供采卤的热水阀门开度分别为40%、0、0 和20%，热水塔温度分别为93.8 ℃、96.9 ℃、96.9 ℃和 96.7 ℃。 调整后，供采卤的热水阀门开度分别45%、50%、45%和70%， 热水塔温度分别为 93.5 ℃、96.5 ℃、96.6 ℃和 96.5 ℃。 采卤公用一期小板换蒸汽阀门开度未进行调整， 公用二期小板换蒸汽阀门未调整。 6 月 17 日，B 线、C 线原来的3台热水泵运行调整为4 台运行， 供采卤热水阀门开度分别调整至60%、53%、25%和38%。 热水塔温度分别为 93.8 ℃、95.5 ℃、96.9 ℃和 96.3 ℃， 采卤一二期公用小板换蒸汽阀门开度由原来的20%调整至10%。7 月8 日，针对二期合成热水塔温度无明显变化， 公司组织分厂排查并做了进一步调整，7 月11日至7 月13 日，C/D 线热水塔温度最低分别降至93.1 ℃、92.1 ℃。

（3）8 月 4 日将 A/B 线热水泵各启动 4 台进行测试， 转化A/B 线热水供水阀门开度分别为30%，25%，热水塔温度分别由原来的96.5 ℃、96.9 ℃降至93.3 ℃、94.3 ℃。 采卤蒸汽小板换蒸汽流量由原来的1 304 kg/h 降至 703 kg/h。

4.5 测试数据

（1）一线后总管样（见图 2）

图2 转化A线01后总管含氯化氢、乙炔

01 线后总管含酸及乙炔在控制范围之内，中间有上涨趋势，主要是A 线有部分转化器未及时抽翻触媒，单台设备含乙炔偏高。

（2）二线后总管样（见图 3）

图3 转化A线02后总管含氯化氢、乙炔

02 线后总管含乙炔有下降趋势，后期运行相对稳定，含乙炔在1.5%之内。

同理，BCD 线测试1 个多月以来， 转化后总管指标含氯化氢基本稳定，转化D 线氯化氢整体有下降，主要是测试前期，02 线无汞触媒投用2 台，后总管指标偏高；含乙炔略微上涨，和转化A 线测试前期相似，调整前期指标有波动。

（3）热水塔温度（见图 4）

图4 热水塔温度/℃

未调整前热水塔温度为96.3 ℃，第一阶段调整至94 ℃能维持运行，第二阶段温度不好控制，出现波动现象，最低温度为92.6 ℃，热水塔基本实现不排汽，达到热量利用的平衡点。热水塔温度和压力偶尔变化会出现少量排汽现象。

同理， 一二期两条线同时给采卤公用工程供水时，热水塔温度没有明显变化，当B、C 线分别增加1 台热水泵投用后，B 线温度明显下降，降至95.5 ℃，C、D 线温度略微下降，但下降不明显。 说明C、D 线供往公用工程的水量增加不明显。

（4）供采卤公用热水阀门开度（见图5）

图5 供采卤公用阀门开度/%

供采卤公用热水阀门开度由25%调整为45%，因热水塔温度不好控制， 将供水阀门调整为40%，供水流量有所增加。 另采卤公用蒸汽型溴化锂机组使用蒸汽阀门开度由52%调整为35%，蒸汽使用量有所减少。

（5）溴化锂机组板换蒸汽阀门开度（见图6）

图6 一期蒸汽板换阀门开度

一期合成热水塔热量分配期间， 采卤公用工程一期小板换蒸汽阀门开度调小20%左右， 公用工程二期小板换蒸汽阀门开度无明显变化， 调节阀门故障， 显示开度12.5%， 岗位人员用旁路手动阀门调节，阀门开度根据溴化锂机组进口热水温度在10%~20%调整。二期合成多启用1 台热水泵后，相对阀门开度调至最小。

5 存在的问题

（1）因超声波流量计故障，合成热水塔供采卤公用的热水流量未定量检测，达到热量利用平衡点时，不能获得供水量相关数据。

（2）合成热水塔补水改为蒸汽冷凝液，无法实现计量，影响热水塔补水变化情况分析。

（3）热水塔温度调至第二阶段时，供采卤热水回水分别回至AB 线热水塔，现场手阀不好控制，热水塔液位、温度出现波动。

（4）转化预热器温度有所下降，分厂未及时调整热水在转化与精馏之间的循环量。

（5）采卤公用热水循环量增大时，溴化锂机组使用的蒸汽计量不准确，影响分析核算。

（6）VCM 合成热水塔单线给采卤公用供热水，溴化锂机组制冷效率变化不明显， 需要对另一条线热水分配进行测试，测试结束后，2 条热水线同时给采卤公用供热水， 观察溴化锂机组制冷效率变化情况。

（7）热水分配台阀门有内漏现象，导致热水塔液位、温度不好控制，调整频繁。

（8）热水塔温度调至 93 ℃左右时，A 线热水塔基本实现不补水，而B 线热水塔液位通过A 线补水来维持稳定运行，脱吸停车后，热水塔只能补纯水进行液位调节，温度下降比较快。

（9）一期（二期）热水换热完成后回至AB 线热水塔（CD 线），一二期回水管线各设1 台调节阀，岗位人员为方便操作，通过调节阀控制回水量，导致热水塔液位、温度频繁波动，岗位人员调整过于频繁。

（10）热水出水总管与溴化锂机组使用点存在较大的落差，通过测量一二期，分别为12 m 和25 m，落差较大，压力损耗较多，热水塔出口阀门调整供水量，变化不明显。

6 经济效益

乏汽温度约104 ℃， 热水温度降至93 ℃运行，ABCD 线合成热水塔共回收12 t/h 二次乏汽及除盐水， 系统按年运行 8 000 h， 依据国家标准 GB/T 2589-2008 综合能耗计算，热力（当量值）折标准煤系数0.034 12 kgce/MJ， 则回收的热量折合标煤约为：7 510 t/a，折合原煤为9 063 t，每吨厂用原煤按800 元计算， 每年节省的厂用原煤折合人民币约为725 万元。

回收的除盐水按成本价10 元/t 计算，每年回收的除盐水折合人民币约为96 万元，同时减少乏汽排放，降低环境污染。

7 结论

（1）通过此次的调整测试，热水塔乏汽外排明显减少，基本实现不排汽，不补水，合成热水塔温度控制在93 ℃左右，即达到热量利用平衡点，第三阶段测试无需再进行， 转化器后总管含乙炔均维持在控制范围之内，未发生超指标的情况。热水塔的余热充分被溴化锂机组利用， 经济效益显著， 达到预期效果。

（2）在其他工况不变的情况下，通过降低合成热水塔温度来降低热水闪蒸温度，降低乏汽排放量，最终降低纯水的消耗。

（3）建议一二期合成热水塔单独设泵给公用工程供热水，流量提至1 000 m3/h，可以满足热水型溴化锂机组制冷需求，提高制冷效率，实现7 ℃水制冷机组备用，同时减少蒸汽溴化锂机组的投运台数，降低蒸汽消耗，经济效益显著。

（4）提高给公用工程供水流量后，热水塔温度发生变化，为了保证转化和精馏热量需求，需提高供水流量满足工艺需求。

（5）建议供往采卤公用工程的热水回水管道进A、C 线热水塔需增加调节阀，均匀控制回水量，维持热水塔温度和液位稳定，提高余热利用，实现降本增效的目的。

（6）热水塔温度下降后，转化A 后总管指标在4个月内未发生明显变化， 但转化B 线后总管含乙炔有明显上涨趋势， 转化C、D 线测试1 个多月，后总管含一期也未出现明显变化，需长期观察、整体分析， 而且热水塔温度降低后对触媒使用是否影响暂未得出具体结论。