郭志強

(新鄉(xiāng)中新化工有限責任公司，河南 獲嘉 453800)

0 引 言

新鄉(xiāng)中新化工有限責任公司(簡稱中新化工)200 kt/a煤制甲醇項目氣化裝置采用HT-L粉煤加壓氣化工藝(現(xiàn)階段2臺航天爐運行)，HT-L氣化裝置渣水處理系統(tǒng)采用高壓閃蒸+真空閃蒸二級閃蒸工藝，主要處理洗滌塔和氣化爐的外排黑水，黑水經(jīng)高壓閃蒸罐(簡稱高閃罐)產(chǎn)生的閃蒸氣(簡稱高閃氣)去汽提塔，高閃罐底部黑水(流量約250 t/h、溫度約158 ℃)減壓后排至真空閃蒸罐(簡稱真閃罐)進一步處理，真空閃蒸出的氣體(簡稱真閃氣，壓力約0.05 MPa、溫度約85 ℃)經(jīng)真閃冷卻器冷卻后尾氣由真空泵抽真空放空，真閃罐底部黑水排入沉降槽中通過添加絮凝劑促使其中的可溶性懸浮物等沉降，固液分離并經(jīng)初步處理后的灰水大部分經(jīng)除氧器除氧、汽提塔汽提后返回系統(tǒng)循環(huán)使用，細灰抽濾后形成的濾餅外運處理。

其中，真閃氣通過真閃冷卻器降溫至45 ℃以下后形成的冷凝液排至沉降槽，真閃冷卻器需要用循環(huán)水作為冷卻介質，消耗大量的循環(huán)水，真閃氣的熱量未能得到有效利用。為此，在充分調研與分析的基礎上，結合青島華捷汽輪機有限公司超低壓汽輪機的應用業(yè)績，中新化工決定將真閃氣通過管道引入超低壓汽輪機，汽輪機拖動異步發(fā)電機發(fā)電，所發(fā)電能返送電網(wǎng)沖減廠用電，由此使真閃氣余熱可以得到充分利用。以下對有關情況作一簡介。

1 項目研究的意義

中新化工HT-L氣化裝置真閃氣直接送真閃冷卻器冷卻，一方面會造成真閃氣余熱損失，增加系統(tǒng)循環(huán)水消耗；另一方面，由于真閃氣冷凝液水質較差，長此以往易造成真閃冷卻器堵塞、換熱效果差，影響整個灰水系統(tǒng)的長周期、穩(wěn)定運行。據(jù)了解，同類型氣化裝置真閃氣余熱均未得到有效利用。

經(jīng)測算，如果將250 t/h、158 ℃的灰水(高閃罐底部黑水)予以適當閃蒸，可以產(chǎn)生0.09 MPa飽和蒸汽約28 t/h，將此0.09 MPa蒸汽導入超低壓汽輪機拖動異步電動機做功，小時發(fā)電量可達1 257 kW·h，不僅真閃氣余熱可得到充分利用，而且可降低系統(tǒng)循環(huán)水消耗。

2 氣化黑水閃蒸過程中的物料衡算

2.1 高壓閃蒸系統(tǒng)物料衡算

中新化工氣化裝置(單臺氣化爐)高壓閃蒸系統(tǒng)的黑水，一部分來自氣化爐(設計為120 t/h)，一部分來自洗滌塔(設計為30 t/h)，2臺氣化爐共300 t/h的黑水送至高壓閃蒸罐，通過閃蒸，黑水溫度由200 ℃降至158 ℃，壓力由3.8 MPa(絕壓，下同)降至0.6 MPa。據(jù)有關物性表，水的比熱容c水=4.18 kJ/(kg·℃)，水在200 ℃下的液體焓為851.84 kJ/kg、水在158 ℃下的液體焓為639.59 kJ/kg，158 ℃下飽和蒸汽焓為2 752.8 kJ/kg，據(jù)能量守恒與質量守恒定律，計算可得300 t/h的黑水高壓閃蒸后的蒸汽量為30 t/h、高壓閃蒸后的凝液量為270 t/h，即300 t/h、3.8 MPa黑水通過高壓閃蒸罐可閃蒸分離出0.6 MPa蒸汽30 t/h、0.6 MPa黑水270 t/h。

2.2 真空閃蒸系統(tǒng)物料衡算

高閃罐底部約270 t/h黑水進真閃罐閃蒸，其溫度由158 ℃降至98 ℃，壓力由0.6 MPa降至0.09 MPa。據(jù)有關物性表，水在158 ℃下的液體焓為639.59 kJ/kg、水在98 ℃下的液體焓為402.23 kJ/kg，98 ℃下飽和蒸汽焓為2 670.96 kJ/kg，據(jù)能量守恒與質量守恒定律，計算可得270 t/h的高閃罐底部黑水真空閃蒸后的蒸汽量為28 t/h、真空閃蒸后的凝液量為242 t/h。

3 真閃氣余熱利用的可行性分析

據(jù)上述真空閃蒸系統(tǒng)物料衡算，理論上可閃蒸出0.09 MPa低壓蒸汽28 t/h，該蒸汽流量相對穩(wěn)定，理論上可以驅動超低壓汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，基于此核算發(fā)電量，分析真閃氣余熱利用項目的可行性。

與超低壓汽輪機廠家(青島華捷)協(xié)作，此工況下汽輪機排汽壓力可達20 kPa。依據(jù)有關物性表，0.09 MPa、98 ℃蒸汽的比熵為7.4 kJ/(kg·K)、比焓為2 670.96 kJ/kg；60 ℃、20 kPa排汽在比熵7.4 kJ/(kg·K)下的比焓為2 440.05 kJ/kg，多級汽輪機的熱效率η為0.7，0.09 MPa蒸汽流量(V)為28 t/h，則汽輪機的功率P=(H進-H排)×V×η=(2670.96-2440.05)×28×1000×0.7=4 526×103kJ/h，折合1 257 kW(1 kW=3 600 kJ/h)。

粗略分析表明，理論上28 t/h的閃蒸蒸汽驅動超低壓汽輪機做功每小時可以發(fā)電1 257 kW·h，電價以0.58元/(kW·h)、年運行時間8 000 h計，全年可創(chuàng)造效益約583萬元，如此一來，真閃氣的余熱可得到利用并可創(chuàng)造不錯的經(jīng)濟效益。該真閃氣余熱利用技改項目，設備簡單，僅需增設1臺超低壓汽輪機發(fā)電機組及相關管線等，發(fā)電機采用三相異步電機，總投資約300萬，項目投資回收期短、見效快。

4 真閃氣余熱利用項目概況

4.1 改造后系統(tǒng)工藝流程

在真閃冷卻器入口管線上增設閥門將其隔離(備用)，真閃氣不再流向真閃冷卻器，將真閃氣(蒸汽)引至全凝式汽輪機，汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的冷凝液通過凝液泵送至沉降槽；在真閃罐出口氣相管線上設置緊急放空閥，用于汽輪機故障時的緊急放空。真閃氣余熱利用項目實施后，可利用超低壓汽輪機組系統(tǒng)替代真空閃蒸冷凝和抽真空系統(tǒng)，可實現(xiàn)故障狀態(tài)下的應急切換，實現(xiàn)真空閃蒸系統(tǒng)的“一開一備”，確保氣化裝置的穩(wěn)定運行。

4.2 真閃氣余熱利用項目運行情況

中新化工真閃氣余熱利用項目于2021年2月投運，迄今已連續(xù)穩(wěn)定運行1 a有余，超低壓汽輪機運行平穩(wěn)，智能化程度高，真空閃蒸系統(tǒng)操作壓力0.09 MPa，真空閃蒸系統(tǒng)真空泵停運，真閃分離效果得到改善；2臺汽輪機發(fā)電機組小時凈發(fā)電量達900 kW·h(汽輪機輔助設備小時耗電量約100 kW·h，停運的真空閃蒸系統(tǒng)真空泵小時耗電約100 kW·h，互相沖抵)，按汽輪機年運行時間7 200 h、電價0.58元/(kW·h)計，每年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為375.84萬元(不包括設備折舊與運維費用等)。

由于真閃氣(負壓閃蒸蒸汽)含有較多的細灰，作為汽輪機用汽，其品質較差，超低壓汽輪機運行初期存在工況不穩(wěn)定的問題，采取將汽輪機轉子改造為無裙帶轉子等優(yōu)化措施后，解決了汽輪機轉子積灰結垢的問題；同時，在汽輪機進口增設低壓蒸汽沖洗管線，在汽輪機停車過程中利用低壓蒸汽沖洗汽輪機和凝汽器2～4 h，可起到很好的防垢作用。中新化工超低壓汽輪機組的穩(wěn)定運行開創(chuàng)了業(yè)內“低品位蒸汽”(真閃氣)利用的先河，起到了很好的示范作用。

5 結束語

HT-L粉煤加壓氣化裝置渣水處理單元主要的熱能損耗在于閃蒸系統(tǒng)，中新化工在真空閃蒸系統(tǒng)增設余熱發(fā)電系統(tǒng)，避免了常規(guī)的真閃氣利用循環(huán)水降溫而造成的熱量浪費，成功回收了真閃氣的熱量，避免了資源浪費，利用真閃氣(負壓閃蒸蒸汽)驅動汽輪機繼而拖動異步電動機發(fā)電，提高了氣化裝置的能源綜合利用率，實現(xiàn)了系統(tǒng)的減排增效，可為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益，這在HT-L粉煤加壓氣化裝置尚屬首次，開啟了粉煤氣化裝置真閃氣余熱利用的新篇章，對粉煤加壓氣化裝置與水煤漿加壓氣化裝置均有參考與借鑒意義，具有良好的應用前景。此外，中新化工氣化裝置真閃氣余熱利用項目的實施，實現(xiàn)了超低壓汽輪機組系統(tǒng)替代原真空閃蒸冷凝和抽真空系統(tǒng)，故障狀態(tài)下超低壓汽輪機組系統(tǒng)可與原真空閃蒸冷凝和抽真空系統(tǒng)應急切換，提高了氣化裝置運行的穩(wěn)定性。