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。