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        結(jié)合AspenPlus軟件建模淺談氣化低壓黑水余熱利用方案

        2021-12-23 08:15:14張蒙恩
        中氮肥 2021年5期

        張蒙恩

        (河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南新鄉(xiāng) 453700)

        0 引 言

        現(xiàn)代煤化工氣化裝置生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的渣水,氣化爐、旋風(fēng)分離器、水洗塔底排水統(tǒng)稱(chēng)為氣化黑水,經(jīng)三級(jí)閃蒸并分離細(xì)渣后的水稱(chēng)為灰水。煤氣化裝置渣水處理系統(tǒng)大多采用三級(jí)閃蒸工藝,高壓閃蒸氣和低壓閃蒸氣分別送變換汽提塔和除氧器回收利用,真空閃蒸氣在真空閃蒸冷凝器被循環(huán)水冷凝后再回收凝液。實(shí)踐表明,氣化黑水三級(jí)閃蒸工藝普遍存在真空閃蒸氣量大、真空閃蒸冷凝器循環(huán)水用量多、黑水余熱無(wú)法再利用的問(wèn)題。

        某甲醇廠氣化裝置采用多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐,氣化爐設(shè)計(jì)投煤量3000t/d,真空閃蒸冷凝器循環(huán)水用量高達(dá)2022t/h,通過(guò)Aspen Plus軟件建模分析,其原因在于進(jìn)入真空閃蒸罐的低壓黑水溫度達(dá)140℃,黑水溫度遠(yuǎn)高于真空閃蒸壓力-65kPa下蒸汽的飽和溫度,使得真空閃蒸氣量高達(dá)34.92t/h,140℃低壓黑水的低品位熱量在真空閃蒸階段被循環(huán)水移走成為無(wú)法再利用的余熱。

        1 氣化黑水三級(jí)閃蒸AspenPlus軟件建模分析

        氣化黑水三級(jí)閃蒸AspenPlus軟件建模如圖1(圖中:S1為水洗塔黑水,S2為旋風(fēng)分離器黑水,S3為氣化爐黑水,S4為除氧器補(bǔ)入除氧水,S5為低壓灰水,S6為高壓閃蒸罐頂閃蒸氣,S7為高壓閃蒸氣,S8為高溫?zé)崴?,S9為高壓閃蒸罐底液,S10為低壓閃蒸氣,S11為低壓黑水,S12為真空閃蒸罐底液,S13為真空閃蒸氣,S14為渣池泵來(lái)黑水,S15為真空閃蒸冷凝器出液)。

        圖1 氣化黑水三級(jí)閃蒸AspenPlus軟件建模示意圖

        氣化黑水三級(jí)閃蒸工藝流程為:氣化黑水進(jìn)入0.8MPa高壓閃蒸罐閃蒸,得到的高壓閃蒸氣進(jìn)入熱水塔加熱低壓灰水,高壓閃蒸罐底液依次經(jīng)過(guò)0.26MPa低壓閃蒸罐閃蒸和-65kPa真空閃蒸罐閃蒸后進(jìn)入澄清槽沉降分離,真空閃蒸氣則在真空閃蒸冷凝器中被循環(huán)水降溫冷凝。

        摘取2021年1月28日該廠的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為AspenPlus建模各物流輸入數(shù)據(jù),氣化黑水三級(jí)閃蒸AspenPlus軟件模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1??梢钥吹?,模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值基本吻合。

        表1 氣化黑水三級(jí)閃蒸AspenPlus模擬計(jì)算結(jié)果

        另外,通過(guò)輔助測(cè)溫槍測(cè)得真空閃蒸冷凝器(E1)循環(huán)水上水溫度24.5℃、循環(huán)水回水溫度35.0℃,用便攜式流量計(jì)測(cè)得E1循環(huán)水用量為2022t/h,將E1的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入AspenEDR軟件并輸入循環(huán)水上/回水溫度,得出循環(huán)水用量模擬值為2040t/h,實(shí)際值與模擬值基本吻合,佐證了黑水三級(jí)閃蒸過(guò)程中的確存在真空閃蒸氣量大、真空閃蒸冷凝器循環(huán)水用量多的問(wèn)題。因此,為降低氣化黑水三級(jí)閃蒸工藝真空閃蒸氣量及真空閃蒸冷凝器的循環(huán)水消耗,必須降低進(jìn)入真空閃蒸罐的低壓黑水的溫度,即將低壓黑水的熱量通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞揭瞥霾⒓右岳谩?/p>

        2 氣化低壓黑水余熱利用方案

        2.1 方案一——低壓黑水加熱低壓灰水

        結(jié)合低壓黑水S11的熱量品質(zhì)和各流股狀態(tài),提出氣化低壓黑水余熱利用方案一——低壓黑水加熱低壓灰水。改造后系統(tǒng)工藝流程為:在低壓閃蒸罐(V1)和真空閃蒸罐(V2)之間增設(shè)黑灰水換熱器(E2),通過(guò)E2將低壓黑水溫度降至96.1℃后再進(jìn)入真空閃蒸罐,同時(shí)通過(guò)E2將低壓灰水升溫至125℃后再進(jìn)入熱水塔。低壓黑水加熱低壓灰水的AspenPlus軟件建模如圖2(圖中,S51為黑灰水換熱器出口低壓灰水,S111為黑灰水換熱器出口低壓黑水,其他流股同圖1)。采用低壓黑水加熱低壓灰水的余熱利用方案,可使高壓閃蒸氣量增大、真空閃蒸氣量減少,從而實(shí)現(xiàn)73.6℃低品位熱向174℃高品位熱的轉(zhuǎn)變。

        圖2 低壓黑水加熱低壓灰水建模示意圖

        低壓黑水加熱低壓灰水的余熱利用方案,各流股的AspenPlus軟件模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2??梢钥吹?,真空閃蒸氣量降低25.04t/h,高壓閃蒸氣量增加27.29t/h。模擬輸出真空閃蒸冷凝器(E1)循環(huán)水用量為576t/h(模型中E1選擇公用工程供水,上水溫度設(shè)置為24.5℃、回水溫度設(shè)置為35.0℃,模型收斂得到循環(huán)水用量;下同),與不采用方案一前循環(huán)水用量模擬值2040t/h相比降低1464t/h,而增加的174℃高壓閃蒸氣可用于替代變換汽提塔或除氧器所需的0.5MPa蒸汽,亦可用于發(fā)電。

        表2 低壓黑水加熱低壓灰水AspenPlus模擬計(jì)算結(jié)果

        黑灰水換熱器(E2)采用管殼式換熱器并利用AspenEDR建模,在EDR軟件中輸入黑水、灰水的相關(guān)參數(shù),得到黑灰水換熱器(E2)的外形尺寸為φ1500mm×6000mm,其結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)見(jiàn)表3。需要注意的是,低壓黑水中含有0.4%~0.6% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的細(xì)渣顆粒,會(huì)對(duì)換熱設(shè)備造成一定的沖刷腐蝕,需改進(jìn)換熱列管的材質(zhì)及其表面處理工藝。

        表3 黑灰水換熱器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

        2.2 方案二——低壓黑水余熱發(fā)電

        隨著近年來(lái)有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電技術(shù)的日趨成熟,低品位熱源溫度高于95℃即可采用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電。140℃低壓黑水余熱發(fā)電的模式有兩種:模式一,低壓黑水直接向工質(zhì)蒸發(fā)器供熱并通過(guò)透平膨脹機(jī)發(fā)電;模式二,低壓黑水在105℃溫度下閃蒸,閃蒸氣向工質(zhì)蒸發(fā)器供熱。此兩種模式中,模式一的發(fā)電量更大,但模式二之設(shè)備安全性和穩(wěn)定性更好,以下對(duì)模式二進(jìn)行討論。

        改造后氣化黑水閃蒸系統(tǒng)工藝流程為:在低壓閃蒸罐(V1)后增設(shè)微正壓閃蒸罐(V3),得到105℃的微正壓閃蒸氣向工質(zhì)蒸發(fā)器(E5)和工質(zhì)預(yù)熱器(E4)供熱發(fā)電,微正壓閃蒸罐底液(105℃)則進(jìn)入真空閃蒸罐(V2)。低壓黑水余熱發(fā)電AspenPlus軟件建模如圖3(圖中,S16為微正壓閃蒸罐底液,S17為微正壓閃蒸氣,S18為工質(zhì)蒸發(fā)器出口凝液,S19為工質(zhì)預(yù)熱器出口工質(zhì),S20為工質(zhì)蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸氣,S21為膨脹機(jī)出口工質(zhì),S22為工質(zhì)冷卻器出口工質(zhì),S23為不凝氣,S24為微正壓凝液分離罐凝液,S25為工質(zhì)預(yù)熱器低溫凝液,S26為工質(zhì)泵出口工質(zhì),其他流股同圖1)。

        圖3 低壓黑水余熱發(fā)電建模示意圖

        有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電技術(shù)通常使用的有機(jī)工質(zhì)有異丁烷和五氟丙烷,其飽和蒸氣壓隨溫度的變化趨勢(shì)如圖4。有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電過(guò)程中,有機(jī)工質(zhì)不斷在工質(zhì)蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、工質(zhì)冷卻器、工質(zhì)泵、工質(zhì)預(yù)熱器之間循環(huán),其中,工質(zhì)冷卻器出口工質(zhì)相態(tài)為液相、工質(zhì)蒸發(fā)器出口工質(zhì)相態(tài)為氣相。

        圖4 兩種有機(jī)工質(zhì)飽和蒸氣壓隨溫度的變化趨勢(shì)

        2.2.1 異丁烷作為ORC發(fā)電工質(zhì)

        以異丁烷作為ORC發(fā)電工質(zhì)的低壓黑水余熱利用方案,各流股的AspenPlus軟件模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4??梢钥吹剑婵臻W蒸氣量降低了21.21t/h。模擬輸出真空閃蒸冷凝器(E1)循環(huán)水用量801t/h、增設(shè)的工質(zhì)冷卻器(E3)循環(huán)水用量1074t/h,即系統(tǒng)循環(huán)水總用量為1875t/h,與不采用方案二前循環(huán)水用量模擬值2040t/h相比凈節(jié)約循環(huán)水165t/h。

        表4 異丁烷作為ORC發(fā)電工質(zhì)的模擬計(jì)算結(jié)果

        2.2.2 五氟丙烷作為ORC發(fā)電工質(zhì)

        以五氟丙烷作為ORC發(fā)電工質(zhì)的低壓黑水余熱利用方案,因微正壓閃蒸過(guò)程都是105℃閃蒸,與微正壓閃蒸罐連接的各流股數(shù)據(jù)在此工況下是唯一值,即微正壓閃蒸罐底液、微正壓閃蒸氣、E4低溫凝液、真空閃蒸氣之溫度、壓力、流量等模擬計(jì)算結(jié)果同表4,同樣真空閃蒸氣量降低了21.21t/h;不同的是,以五氟丙烷作為ORC發(fā)電工質(zhì),工質(zhì)冷卻器(E3)出口工質(zhì)模擬計(jì)算結(jié)果為溫度44.2℃、壓力0.186MPa、流量235t/h,工質(zhì)蒸發(fā)器(E5)出口工質(zhì)蒸氣模擬計(jì)算結(jié)果為溫度85.2℃、壓力0.800MPa、流量235t/h。模擬輸出真空閃蒸冷凝器(E1)循環(huán)水用量801t/h、增設(shè)的工質(zhì)冷卻器(E3)循環(huán)水用量986t/h,即系統(tǒng)循環(huán)水總用量為1787t/h,與不采用方案二前循環(huán)水用量模擬值2040t/h相比凈節(jié)約循環(huán)水253t/h。

        2.2.3 兩種ORC發(fā)電工質(zhì)之發(fā)電量對(duì)比

        低壓黑水余熱發(fā)電利用方案,兩種ORC發(fā)電工質(zhì)AspenPlus軟件建模收斂得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5,發(fā)電量AspenPlus軟件模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6(注:數(shù)據(jù)由軟件導(dǎo)出,除流股外各裝置輸出單位不一,未統(tǒng)計(jì)入表格)。

        表5 兩種ORC發(fā)電工質(zhì)AspenPlus建模收斂所得數(shù)據(jù)

        表6 兩種工質(zhì)發(fā)電量AspenPlus模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        由表6可看出:以異丁烷作為ORC發(fā)電工質(zhì),工質(zhì)循環(huán)量為144t/h,模擬輸出膨脹發(fā)電機(jī)(B1)小時(shí)發(fā)電量為1329kW·h、工質(zhì)泵(P1)的功率為53kW,無(wú)其他用電設(shè)備,系統(tǒng)小時(shí)凈發(fā)電量為1276kW·h;以五氟丙烷作為發(fā)電工質(zhì),工質(zhì)循環(huán)量為235t/h,是異丁烷循環(huán)量的1.63倍,工質(zhì)循環(huán)量和工質(zhì)膨脹比的增大使得五氟丙烷作為發(fā)電工質(zhì)的發(fā)電量增大,模擬輸出膨脹發(fā)電機(jī)(B1)小時(shí)發(fā)電量為1860kW·h、工質(zhì)泵(P1)的功率為48kW,無(wú)其他用電設(shè)備,系統(tǒng)小時(shí)凈發(fā)電量高達(dá)1812kW·h。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        對(duì)氣化黑水三級(jí)閃蒸工藝使用AspenPlus軟件建模進(jìn)行分析,得到投煤量3000t/d氣化爐的氣化黑水真空閃蒸氣量為34.92t/h,真空閃蒸冷凝器循環(huán)水用量為2040t/h,與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本相符,由此得出氣化黑水三級(jí)閃蒸工藝真空閃蒸氣量和循環(huán)水用量大的原因是進(jìn)入真空閃蒸罐的低壓黑水溫度較高。為此,提出兩種可行的低壓黑水余熱利用方案。

        方案一,低壓黑水加熱低壓灰水。在低壓閃蒸罐后增設(shè)黑灰水換熱器(尺寸φ1500mm×6000mm,換熱面積1048m2),低壓黑水將進(jìn)入熱水塔的低壓灰水加熱至125℃,低壓黑水降溫至96.1℃再進(jìn)入真空閃蒸罐。此方案可使真空閃蒸冷凝器循環(huán)水用量降低1464t/h,高壓閃蒸氣量增加27.29t/h,實(shí)現(xiàn)73.6℃低品位熱向174℃高品位熱的轉(zhuǎn)變,多產(chǎn)的高壓閃蒸氣可用于替代變換汽提塔或除氧器所需的0.5MPa蒸汽,亦可用于發(fā)電。

        方案二,低壓黑水余熱發(fā)電。在氣化黑水閃蒸系統(tǒng)低壓閃蒸罐后增設(shè)微正壓閃蒸罐,得到105℃的微正壓閃蒸氣20.75t/h用于有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電,ORC發(fā)電工質(zhì)可采用異丁烷或五氟丙烷。此方案可使真空閃蒸氣量減少21.21t/h,系統(tǒng)凈節(jié)約循環(huán)水用量165~253t/h;若以五氟丙烷作為ORC發(fā)電工質(zhì),小時(shí)凈發(fā)電量最高可達(dá)1812kW·h。

        以上兩個(gè)低壓黑水余熱利用方案(低壓黑水加熱低壓灰水、低壓黑水余熱發(fā)電)都能產(chǎn)生不錯(cuò)的效益,對(duì)于有蒸汽供應(yīng)缺口的工廠,建議采用低壓黑水加熱低壓灰水的余熱利用方案(方案一),多產(chǎn)的高壓閃蒸氣可用于替代變換汽提塔或除氧器所需的0.5MPa蒸汽;對(duì)于區(qū)域電價(jià)昂貴的工廠,建議采用低壓黑水余熱發(fā)電的利用方案(方案二),ORC發(fā)電工質(zhì)宜采用五氟丙烷,以獲得更高的發(fā)電量。

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