具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉的制作方法

本发明涉及一种具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉，主要应用于氯化氢合成技术领域。

背景技术：

现有的副产蒸汽氯化氢合成炉主要有钢制的合成炉、石墨制的合成炉和半钢制半石墨制合成炉。基本工作原理都是：氯气、氢气从炉底进入，经灯头混合、燃烧获得氯化氢气体，在炉底使用循环水将高温辐射段降温到合适温度后，利用氯化氢合成余热副产蒸汽，低温段再使用冷却水进一步降温到工艺要求温度后从炉顶排出，获得氯化氢气体。钢制合成炉副产蒸汽压力高，但受化学腐蚀温度区间的限制，取热温度区间小，余热利用率低。石墨合成炉，产品中不含铁离子，产品纯净，但受材料耐温能力和强度限制，取热温差小，余热利用率也不高。

现有的副产蒸汽氯化氢合成炉都存在：副产余热利用不充分、换热效率低，氯氢混合反应不彻底，产品中含氯离子、氯化氢，纯度低等缺陷。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种换热效率高、余热利用充分，氯氢混合反应彻底，产品纯净，不含铁离子和氯离子，结构紧凑合理，具有节能降耗功能的具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉。

本发明所述的具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉，包括石墨炉筒和汽包，石墨炉筒的顶部内设有气体再混合器，气体再混合器顶部从下至上依次设置密封连接的蒸发结构段、省煤器段及冷却结构段，蒸发结构段包括蒸发段换热块组件，石墨炉筒上段及蒸发段换热块组件外围设有蒸发段金属结构筒体，蒸发段金属结构筒体的上下部通过循环管路串联汽包，石墨炉筒底部设置整体式炉底封头，整体式炉底封头上安装预混式合成炉灯头，冷却结构段顶部设置整体式炉顶封头，整体式炉顶封头上设置氯化氢出口；省煤器段的底部设置无离子水进口，顶部设置无离子预热水出口，无离子预热水出口连通汽包，冷却结构段的底部设置冷却水进口，顶部设置冷却预热水出口。

所述的冷却结构段包括冷却器换热块组件，冷却器换热块组件外围设有冷却段金属结构夹套，冷却段金属结构夹套下部设有冷却水进口，上部设有冷却预热水出口，冷却段金属结构夹套上端与整体式炉顶封头密封固连，冷却段金属结构夹套下端与冷却器换热块组件密封固连。

所述的省煤器段包括省煤器换热块组件，省煤器换热块组件外围设有省煤器双层夹套金属结构筒体，省煤器双层夹套金属结构筒体包括同轴设置的金属内筒和金属外筒，金属内筒上部沿圆周方设有若干均匀分布的上部过流孔，金属内筒下部沿圆周方设有若干均匀分布的下部过流孔，金属外筒下部设有无离子水进口，上部设有无离子预热水出口，金属内筒上端与金属外筒上端及省煤器换热块组件上端均密封固连，金属内筒下端与金属外筒下端及省煤器换热块组件下端均密封固连。

所述的汽包顶部设置汽包蒸汽出口，循环管路包括循环管，循环管一端连通无离子水预热水进口，无离子水预热水进口连通蒸发段金属结构筒体底部与石墨炉筒之间的腔体，循环管另一端连通水蒸汽出口，水蒸汽出口连通蒸发段金属结构筒体顶部与蒸发段换热块组件之间的腔体，无离子水预热水进口和水蒸汽出口均安装在蒸发段金属结构筒体上。

所述的冷却预热水出口通过管道连通冷却预热水进口，冷却预热水进口安装在控温段金属结构筒体上，控温段金属结构筒体安装在蒸发段金属结构筒体和整体式炉底封头之间，且控温段金属结构筒体位于石墨炉筒下段的外周，控温段金属结构筒体上部设有冷却水出口，内部设有螺旋状折流板，外部分别通过炉门、视镜的伸出密封固连结构与炉门、视镜连接。

所述的预混式合成炉灯头包括同轴设置的石英玻璃内管和外管，外管为直通管，内管的顶端为半球形封闭结构，半球形封闭结构的底部设置内管直通段，内管直通段的上部设有横截面为梅花状的喷射段，喷射段上分布有喷孔。工作时，氢气从外管通入；氯气从内管通入，并且氯气通过内管梅花状结构上的喷孔，垂直喷射进入氢气通道，形成特殊湍流结构；与氢气形成充分的预混合，混合气体向上在灯头顶端充分燃烧：由于氯气并入氢气通道，进一步提高气速；火焰垂直向上，燃烧高度适中，介于长焰与短焰之间；即有效降控制火焰对合成炉炉体的辐射伤害，又降底了火焰对炉胆顶部的热伤害，燃烧室空间高度较小。

所述的梅花状的喷射段包括多个弧形段，相邻弧形段之间通过连接板连接，弧形段上分布有喷孔。

所述的气体再混合器为带灯头防爆功能的石墨材质气体再混合器；蒸发段换热块组件为YKB型石墨换热块组件；省煤器换热块组件为YKA型石墨换热块组件；冷却器换热块组件为YKB型石墨换热块组件。

本发明的有益效果是：

1、由于采用预混式合成炉灯头，使得氯气、氢气混合更加均匀，燃烧更加充分，产品不含游离氯，产出氯化氢纯度高。

2、氯化氢合成反应过程中，400℃时就会发生剧烈反应，在有水触媒的情况下，150℃即可发生剧烈反应，放出热量使得合成气体温度上升超过2000℃；而氯化氢在1700℃时就会发生明显的离解反应，由于本发明在中段设置了气体再混合器，强制离解的氯气和氢气重新混合、反应、合成氯化氢，使产品不含游离氯，氯化氢纯度更高。

3、由于采用了整体式炉底封头和整体式炉顶封头结构，使得设备整体结构强度更好，避免了分体炉底封头和分体式炉顶封头连接处必须设置密封件，密封件密封性能降低带来的泄漏问题，更加安全可靠。

4、由于设置了无离子水预热段的省煤器结构，克服了现有的副产蒸汽合成炉，在副产蒸汽段尾端，氯化氢温度降至200℃～300℃；即进入冷却段，冷却到工艺温度，一般为40℃，排出成品氯化氢；副产蒸汽合成炉冷却负荷大，余热利用不充分的问题，本发明在副产蒸汽段与冷却段之间设置的省煤器，将氯化氢约为100℃～300℃区间所携带的热能回收，用于预热副产蒸汽的无离子水，实现了进一步利用余热，余热利用更加充分，提高热利用率4％～10％，同时实现对氯化氢进一步降温，省煤器段出口氯化氢温度约为100℃～150℃，减少冷却负荷约20％～40％，具有节能降耗、余热利用充分、热利用率高的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中A部分的放大结构示意图。

图3是图1中B部分的放大结构示意图。

图4是图1中C部分的放大结构示意图。

图5是图1中D部分的放大结构示意图。

图6是预混式合成炉灯头的结构示意图。

图7是图6中A-A的截面结构示意图。

图中：1、氯气进口；2、预混式合成炉灯头；3、整体式炉底封头；4、炉门；5、无离子水预热水进口；6、循环管；7、水蒸汽出口；8、汽包；9、无离子预热水出口；10、蒸汽出口；11、整体式炉顶封头；12、氯化氢出口；13、冷却预热水出口；14、冷却器换热块组件；15、冷却段金属结构夹套；16、冷却水进口；17、省煤器双层夹套金属结构筒体；18、上部过流孔；19、金属内筒；20金属外筒；21、省煤器换热块组件；22、下部过流孔；23、无离子水进口；24、蒸发段换热块组件；25、蒸发段金属结构筒体；26、气体再混合器；27、石墨炉筒；28、冷却水出口；29、控温段金属结构筒体；30、视镜；31、冷却预热水进口；32、螺旋状折流板；33、氢气进口；34、喷射段；35、外管；36、内管；37、喷孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1～图7所示，本发明所述的具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉，包括石墨炉筒27和汽包8，石墨炉筒27的顶部内设有气体再混合器26，气体再混合器26顶部从下至上依次设置密封连接的蒸发结构段、省煤器段及冷却结构段，蒸发结构段包括蒸发段换热块组件24，石墨炉筒27上段及蒸发段换热块组件24外围设有蒸发段金属结构筒体25，蒸发段金属结构筒体25的上下部通过循环管路串联汽包8，石墨炉筒27底部设置整体式炉底封头3，整体式炉底封头3上安装预混式合成炉灯头2，冷却结构段顶部设置整体式炉顶封头11，整体式炉顶封头11上设置氯化氢出口12；省煤器段的底部设置无离子水进口23，顶部设置无离子预热水出口9，无离子预热水出口9连通汽包8，冷却结构段的底部设置冷却水进口16，顶部设置冷却预热水出口13。冷却结构段包括冷却器换热块组件14，冷却器换热块组件14外围设有冷却段金属结构夹套15，冷却段金属结构夹套15下部设有冷却水进口16，上部设有冷却预热水出口13，冷却段金属结构夹套15上端与整体式炉顶封头11密封固连，冷却段金属结构夹套15下端与冷却器换热块组件14密封固连。省煤器段包括省煤器换热块组件21，省煤器换热块组件21外围设有省煤器双层夹套金属结构筒体17，省煤器双层夹套金属结构筒体17包括同轴设置的金属内筒19和金属外筒20，金属内筒19上部沿圆周方设有若干均匀分布的上部过流孔18，金属内筒19下部沿圆周方设有若干均匀分布的下部过流孔22，金属外筒20下部设有无离子水进口23，上部设有无离子预热水出口9，金属内筒19上端与金属外筒20上端及省煤器换热块组件21上端均密封固连，金属内筒19下端与金属外筒20下端及省煤器换热块组件21下端均密封固连。汽包8顶部设置汽包蒸汽出口10，循环管路包括循环管6，循环管6一端连通无离子水预热水进口5，无离子水预热水进口5连通蒸发段金属结构筒体25底部与石墨炉筒27之间的腔体，循环管6另一端连通水蒸汽出口7，水蒸汽出口7连通蒸发段金属结构筒体25顶部与蒸发段换热块组件之间的腔体，无离子水预热水进口5和水蒸汽出口7均安装在蒸发段金属结构筒体25上。冷却预热水出口通过管道连通冷却预热水进口31，冷却预热水进口31安装在控温段金属结构筒体29上，控温段金属结构筒体29安装在蒸发段金属结构筒体25和整体式炉底封头3之间，且控温段金属结构筒体29位于石墨炉筒27下段的外周，控温段金属结构筒体29上部设有冷却水出口28，内部设有螺旋状折流板32，外部分别通过炉门、视镜的伸出密封固连结构与炉门4、视镜30连接。预混式合成炉灯头2包括同轴设置的石英玻璃内管36和外管35，外管35为直通管，内管36的顶端为半球形封闭结构，半球形封闭结构的底部设置内管直通段，内管直通段的上部设有横截面为梅花状的喷射段34，喷射段34上分布有喷孔。梅花状的喷射段34包括多个弧形段，相邻弧形段之间通过连接板连接，弧形段上分布有喷孔37。气体再混合器26为带灯头防爆功能的石墨材质气体再混合器26；蒸发段换热块组件为YKB型石墨换热块组件；省煤器换热块组件21为YKA型石墨换热块组件；冷却器换热块组件14为YKB型石墨换热块组件。

本实施例为年产540吨的具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉，其工作过程是：

待处理氯气，通过氯气进口1进入设置在整体式炉底封头3底部的预混式合成炉灯头2；同时待处理氢气，通过氢气进口33进入设置在整体式炉底封头3底部的预混式合成炉灯头2；氯气和氢气在预混式合成炉灯头2内充分混合，在预混式合成炉灯头2顶端燃烧，合成氯化氢气体，喷射至石墨炉筒27内。火焰应为青白色，并伴生大量的热。氯化氢合成热为92KJ/mol，化学方程式为：H₂+Cl₂＝2HCl+184.096KJ/mol。燃烧时火焰温度按理论计算约为3000℃以上，但在实际合成时，由于氯气过量、不纯气体及水分的带入，以及氯化氢在1700℃以上会显著离解，等因素；使火焰温度降至2000℃左右。合成气体在石墨炉筒27下段，伴有大量的辐射热，与设置在石墨炉筒27下段、外围的控温段金属结构筒体29内，强制循环的冷却预热水，进行间壁式换热。合成气体温度降至1800℃左右，进入石墨炉筒27上段，并继续上升；依次穿过气体再混合器26、蒸发段换热块组件24的纵向过流通道。在此过程中合成气体与蒸发段金属结构筒体25内，热虹吸自循环的无离子水预热水，进行间壁式换热。合成气体温度逐渐下降；同时合成气体中离解的氯气和氢气进一步反应，生成氯化氢气体，并释放出合成热；参与热量交换。合成气体温度降至250℃左右，进入省煤器换热块组件21的纵向过流通道。在此过程中合成气体与省煤器金属内筒19内的，热虹吸自循环的无离子水预热水，进行间壁式换热。合成气体温度降至120℃左右，继续上升，进入冷却器换热块组件14的纵向过流通道。与设置在冷却器换热块组件14外围的冷却段金属结构夹套15内，强制循环的冷却水，进行间壁式换热。合成气体温度降至40℃左右；进入整体式炉顶封头11，由氯化氢出口12排出。

服务侧冷却部分：强制循环的冷却水，由设置在冷却段金属结构夹套15下部的冷却水进口16，进入冷却器，穿过冷却器换热块组件14的横向过流通道；与冷却器换热块组件14的纵向过流通道内的合成气体，进行间壁式换热。合成气体温度由120℃降至40℃左右；冷却水自身温度由25℃升高到30℃左右。从设置在冷却段金属结构夹套15上部的冷却预热水出口13排出。并进入控温段金属结构筒体29下部的冷却预热水进口31，穿过冷却段金属结构夹套15、石墨炉筒27与螺旋状折流板32等三个部件之间形成的过流通道。与石墨炉筒27下段内的高温合成气体，进行间壁式换热。合成气体温度降至1800℃左右，强制循环的冷却预热水，自身温度由30℃升高到50℃左右。从设置在控温段金属结构筒体29上部的冷却水出口28排出。完成带“省煤器”的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉的冷却工艺过程。

服务侧副产蒸汽部分：无离子水由设置在省煤器双层夹套金属结构筒体17的金属外筒20下部的无离子水进口23，进入金属外筒20与金属内筒19之间；流过设置在金属内筒19下部的若干均匀分布的下部过流孔22，进入金属内筒19，并穿过省煤器换热块组件21的径向过流通道。与省煤器换热块组件21的纵向过流通道内的合成气体，进行间壁式换热。合成气体温度由250℃降至120℃左右。无离子水自身温度升高，密度降低，在热虹吸的作用下，沿金属内筒19与省煤器换热块组件21的径向过流通道之间形成的循环通道向上，流过设置在金属内筒19上部的若干均匀分布的上部过流孔18，进入金属外筒20；继续沿着金属外筒20与金属内筒19间的环形通道向下，流过设置在金属内筒19下部的若干均匀分布的下部过流孔22，进入金属内筒19。如此反复循环，与省煤器换热块组件21的纵向过流通道内的合成气体，进行热量交换。无离子水自身温度由25℃升高到60℃～80℃。由设置在省煤器双层夹套金属结构筒体17的金属外筒20上部的无离子水预热水出口排出，并进入汽包。

进入汽包8的无离子水预热水由循环管6向下，通过设置在蒸发段金属结构筒体25，下部的无离子水预热水进口5，进入蒸发段金属结构筒体25。并穿过蒸发段金属结构筒体25与石墨炉筒上段、气体再混合器26及蒸发段换热块组件24的横向过流通道等三组部件形成的流道向上。与依次穿过石墨炉筒上段及气体再混合器26、蒸发段换热块组件24的纵向过流通道的合成气体，进行间壁式换热。合成气体温度由1800℃降至250℃左右。无离子水自身温度升高，经历“显热段过渡流”、“蒸发段泡核沸腾膜”等传热过程；在热虹吸的作用下，沿蒸发段金属结构筒体25与石墨炉筒上段、气体再混合器26及蒸发段换热块组件24的横向过流通道等三组部件形成的流道向上。流出设置在蒸发段金属结构筒体25上部的水蒸汽出口7。经过循环管6进入汽包8；在汽包8内进行气液分离，无离子水继续沿循环管6向下，通过设置在蒸发段金属结构筒体25下部的无离子水预热水进口5，进入蒸发段金属结构筒体25。如此反复循环，与合成炉内的气体，进行热量交换。同时汽包8内气液分离出的0.3MPa～0.8MPa的副产蒸汽由设置在汽包8顶部的蒸汽出口10排出，完成带“省煤器”的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉的副产蒸汽工艺过程。

本实施例为年产540吨的具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉，经过1年多的试生产验证了其结构带来的效果：

1、采用预混式合成炉灯头，使得氯气、氢气混合更加均匀，燃烧更加充分；

2、氯化氢合成反应过程中，400℃时就会发生剧烈反应，在有水触媒的情况下150℃即可发生剧烈反应，放出热量使得合成气体温度上升超过2000℃；而氯化氢在1700℃时就会发生明显的离解反应，由于本实施例中，在具有省煤器的副产蒸汽氯化氢石墨合成炉中段设置了气体再混合器，强制离解的氯气和氢气重新混合、反应、合成氯化氢，进一步保障了产品不含游离氯、氯化氢纯度更高。产出氯化氢纯度可达99％。

3、本实施例，由于采用了整体式炉底封头和整体式炉顶封头结构，使得设备整体结构强度更好，整体式炉底封头密封面减少4处，整体式炉顶封头密封面减少2处，避免了分体炉底封头和分体式炉顶封头连接处必须设置密封件，密封件密封性能降低带来的泄漏问题，更加安全可靠。

4、本实施例，由于设置了无离子水预热段的省煤器结构。现有的副产蒸汽合成炉，在副产蒸汽段尾端，氯化氢温度降至200℃～300℃；即进入冷却段，冷却到工艺温度，一般为40℃，排出成品氯化氢；副产蒸汽合成炉冷却负荷大，余热利用不充分。本发明在副产蒸汽段与冷却段之间，设置了一个省煤器，将氯化氢约为100℃～300℃区间所携带的热能回收，用于预热副产蒸汽的无离子水；实现了进一步利用余热，余热利用更加充分，提高热利用率4％～10％。同时实现对氯化氢进一步降温，省煤器段出口氯化氢温度约为100℃～150℃。减少冷却负荷约20％～40％，具有节能降耗、余热利用充分、热利用率高的优点。