吳小云，張本鳳，岳 軍

(1.連云港堿業(yè)有限公司，江蘇連云港 222042；2.北京清創(chuàng)晉華科技有限公司，北京 100084)

1 概述

水煤漿水冷壁輻射廢鍋型氣化技術(shù)是以晉華爐為代表的合成氣—蒸汽聯(lián)產(chǎn)氣化工藝。來自高壓煤漿泵的煤漿和來自空分的純氧通過工藝燒嘴進(jìn)入晉華爐的燃燒室，兩種物質(zhì)在高溫高壓條件下發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO、H2、H2O、CO2為主的粗合成氣。晉華爐分為3個(gè)部分，上部為燃燒室，中部為輻射廢鍋，下部為激冷室。燃燒室采用垂直水冷壁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大煤種的選擇范圍，在燃燒室內(nèi)煤漿和氧氣反應(yīng)生成粗合成氣和熔融的灰渣，產(chǎn)物通過渣口進(jìn)入輻射廢鍋并副產(chǎn)飽和蒸汽，降溫后的粗合成氣進(jìn)入激冷室，在激冷室內(nèi)經(jīng)激冷水洗滌、除渣至下一洗滌設(shè)備。

晉華爐的輻射廢鍋副產(chǎn)飽和蒸汽，蒸汽壓力要求比氣化壓力高0.5 MPa，以保證鍋爐水管發(fā)生泄漏時(shí)合成氣不外竄。氣化壓力一般為4.0 MPa和6.5 MPa，故輻射廢鍋副產(chǎn)蒸汽壓力一般≥5.0 MPa。

2 對比飽和蒸汽和過熱蒸汽

對飽和蒸汽加熱，當(dāng)溫度超過飽和溫度，得到的蒸汽即為過熱蒸汽。以下從不同角度，考慮飽和蒸汽和過熱蒸汽產(chǎn)生的作用。

2.1 焓值差異

從焓值角度考慮，用于熱交換時(shí)的過熱蒸汽和飽和蒸汽差別并不明顯。從微觀角度講，物質(zhì)內(nèi)能是物體中所有分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子勢能之和。過熱蒸汽降溫時(shí)，勢能幾乎不變，而水分子的熱運(yùn)動(dòng)逐步減弱，動(dòng)能降低，釋放出一部分能量，稱為顯熱。飽和蒸汽散熱時(shí)，溫度不變，因而分子平均動(dòng)能不變，但水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水后，比容減小，體積大幅縮小，水分子間距減小，導(dǎo)致分子勢能急劇下降，瞬間釋放出大量能量，稱為潛熱[1]。發(fā)生相變時(shí)，汽化或冷凝的潛熱遠(yuǎn)大于溫度變化的顯熱(見表1)。

表1 飽和蒸汽和過熱蒸汽的焓值對比

2.2 有效能差異

有效能是指物質(zhì)從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)過程中所能做的最大功。物質(zhì)的有效能越大，其做功本領(lǐng)也越大。從有效能角度考慮，相同壓力下，過熱蒸汽比飽和蒸汽具有更強(qiáng)的做功本領(lǐng)；過熱蒸汽過熱度越高，則做功本領(lǐng)越強(qiáng)[1]。飽和蒸汽和過熱蒸汽的有效能對比見表2。

表2 飽和蒸汽和過熱蒸汽的有效能對比

蒸汽的有效能公式：

Ex=(Hx-Ho)-T0(Sx-So)

(1)

其中，Ex為有效能，kJ/kg；Hx為焓值，kJ/kg；Ho為基態(tài)焓值，kJ/kg；To為基態(tài)溫度，K；Sx為熵值，kJ/(kg·K)；So為基態(tài)熵值，kJ/(kg·K)。

0.1 MPa、373 K飽和水為基態(tài)，基態(tài)焓值為418.99 kJ/kg，基態(tài)熵值為1.31 kJ/(kg·K)。

3 飽和蒸汽的產(chǎn)量

根據(jù)不同的煤種，以及變換工段對合成氣水汽比的要求，晉華爐副產(chǎn)蒸汽的量有所不同。

新疆天業(yè)匯合新材料有限公司(簡稱天業(yè)匯合)年產(chǎn)60萬t合成氣制乙二醇項(xiàng)目，氣化爐3開1備，氣化裝置單爐97 000 m3/h(CO+H2)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)長超140 d，每小時(shí)氣化爐單爐蒸汽產(chǎn)量90 t/h、928 kg/km3(CO+H2)。按蒸汽價(jià)格為80元/t、年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，經(jīng)濟(jì)收益為1.7億元/a。

河南金大地化工有限責(zé)任公司(簡稱金大地化工)60萬t/a小蘇打項(xiàng)目，氣化爐4開1備，氣化裝置單爐78 000 m3/h(CO+H2)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)長超90 d，每小時(shí)氣化爐單爐蒸汽產(chǎn)量75 t、961 kg/km3(CO+H2)。按照蒸汽價(jià)格為80元/t、年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，經(jīng)濟(jì)收益為1.9億元/a。

蒸汽產(chǎn)量多少主要是受煤種和廢鍋大小影響。變換工段若是全變換，出氣化工段的合成氣水氣比≥0.78；若采用半變換，出氣化工段的合成氣水氣比≥0.65。若采用褐煤，晉華爐每小時(shí)副產(chǎn)蒸汽量可達(dá)1 300 kg/km3(CO+H2)。

晉華爐副產(chǎn)蒸汽為飽和蒸汽，用戶可根據(jù)全廠的蒸汽平衡來規(guī)劃飽和蒸汽是否需要過熱再利用，天業(yè)匯合所產(chǎn)蒸汽送至焚燒爐過熱后發(fā)電，金大地化工所產(chǎn)蒸汽減壓后送至聯(lián)堿工段供驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)透平。

4 飽和蒸汽的應(yīng)用

4.1 飽和蒸汽至各類型換熱設(shè)備

從焓值角度考慮，飽和蒸汽比過熱蒸汽更有利于熱交換。若采用過熱蒸汽換熱，不利之處有以下幾點(diǎn)：一是會(huì)增加設(shè)備投資；二是過熱蒸汽容易在換熱管表面形成溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力，設(shè)備易損壞；三是在換熱過程中，過熱蒸汽換熱前期存在氣膜控制階段，其換熱系數(shù)遠(yuǎn)低于飽和蒸汽在該階段的換熱系數(shù)。綜上所述，飽和蒸汽更適用于工藝過程換熱。

4.2 飽和蒸汽至各類型除氧器

在除氧器中,通過飽和蒸汽將鍋爐給水加熱至除氧器壓力下的飽和溫度，除去鍋爐給水中的氧氣和二氧化碳等非冷凝氣體，保證給水的品質(zhì)，防止設(shè)備及其汽水系統(tǒng)管路被腐蝕。此熱力除氧的原理是把壓力穩(wěn)定的蒸汽通往除氧器內(nèi)加熱給水，在加熱過程中水面上水蒸氣的分壓力逐漸增加，而其它氣體的分壓力逐漸降低，水中的氣體就不斷被分離，當(dāng)水被加熱到除氧壓力下的飽和溫度時(shí)，水面上的空間全部被水蒸氣充滿，各種氣體的分壓力趨于零，此時(shí)水中的氣體即被除去。

4.3 飽和蒸汽至汽輪機(jī)發(fā)電

汽輪機(jī)是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力設(shè)備，因流道改變，進(jìn)入汽輪機(jī)后的蒸汽對外膨脹，釋放熱能推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

汽輪機(jī)的排氣溫度會(huì)隨著排氣壓力增大而升高，排氣壓力過大就會(huì)造成蒸汽焓值較低，影響發(fā)電量和發(fā)電效率。一般排氣壓力控制在0.004～0.010 MPa之間。

4.3.1 中低壓飽和蒸汽發(fā)電

中低壓飽和蒸汽發(fā)電應(yīng)用很成熟，例如，鶴壁煤電股份有限公司60萬t/a甲醇裝置能產(chǎn)生3.1 MPa的中壓飽和蒸汽，采用德萊賽蘭的飽和透平發(fā)電機(jī)組，按照0.35元/(kW·h)的價(jià)格計(jì)算，每年(8 000 h)可增加收益4 200萬元。

4.3.2 高壓飽和蒸汽發(fā)電

高壓飽和蒸汽發(fā)電存在典型的濕度過大問題，可以用級間再熱或者級間汽水分離來解決。

(1) 進(jìn)汽壓力為10.0 MPa，飽和蒸汽，質(zhì)量流量為100 t/h，排氣壓力為7 kPa，采取級間再熱，10.0 MPa飽和蒸汽膨脹至3.9 MPa時(shí)干度為88%，再熱至飽和溫度所需熱量為5.7 MW，壓損為10%；排氣膨脹至7 kPa時(shí)干度為88%，功率可達(dá)16.2 MW。此方案避免了濕度過大帶來的葉片強(qiáng)度問題。葉片防水蝕措施為動(dòng)葉片電火花強(qiáng)化、鑲嵌合金片等。

(2) 進(jìn)汽壓力為10.0 MPa，飽和蒸汽，質(zhì)量流量為100 t/h，排氣壓力為7 kPa，采取級間汽水分離，10.0 MPa飽和汽膨脹至3.9 MPa時(shí)干度為88%，汽水分離后剩余蒸汽質(zhì)量流量約為85.6 t/h，壓損為10%；排氣膨脹至7 kPa時(shí)干度為88%，功率可達(dá)14.4 MW。此方案避免了濕度過大帶來的葉片強(qiáng)度問題。葉片防水蝕措施為動(dòng)葉片電火花強(qiáng)化、鑲嵌合金片等。因無需外部熱源，該方案優(yōu)于級間再熱。

另外，飽和蒸汽還可供輕質(zhì)堿燃燒爐、小蘇打干燥、低甲分離塔/再生塔再沸器等用汽。

5 過熱蒸汽的應(yīng)用

5.1 食品加工領(lǐng)域

過熱蒸汽在食品加工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。過熱蒸汽具有食品受熱均勻、加熱速度快、防止維生素流失等顯著優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)過熱蒸汽技術(shù)還可以用于食品加工廠輸送帶的清洗、殺菌處理，以及食材加熱、食物殘?jiān)姆勰┗俺舻忍幚怼?/p>

5.2 干燥技術(shù)應(yīng)用

通過熱蒸汽干燥技術(shù),可使較高焓值的過熱蒸汽快速將熱量傳遞給被加工的物料，使物料水分快速蒸發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)為：熱效率高，節(jié)能效果明顯；傳熱系數(shù)高，無傳質(zhì)阻力；有效減少有害物質(zhì)的二次污染，防止爆炸發(fā)生。該干燥技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于褐煤加工、污泥干燥、罐頭加工、木材干燥、食品殺菌等領(lǐng)域[2]。

比如，褐煤經(jīng)干燥提質(zhì)可在一定溫度下脫水轉(zhuǎn)化成具有類似煙煤性質(zhì)的提質(zhì)煤，提質(zhì)后的褐煤更有利于綜合利用。褐煤的干燥介質(zhì)包括熱煙氣、飽和蒸汽、熱油、熱水和過熱蒸汽等。其中過熱蒸汽干燥具有節(jié)能效果突出、干燥品質(zhì)好、無失火和爆炸危險(xiǎn)、傳熱傳質(zhì)效率高等特點(diǎn)。褐煤的過熱蒸汽干燥分為3個(gè)階段：一是冷凝段，含水率增加，物料溫度同時(shí)升高；二是恒速段，為物料顆粒表面水的蒸發(fā)過程，含水率直線下降；三是降速段，為物料內(nèi)部水分遷移至顆粒表面擴(kuò)散的過程，含水率呈指數(shù)規(guī)律下降。與熱煙氣等干燥技術(shù)相比，過熱蒸汽干燥利用回收循環(huán)系統(tǒng)中抽出的蒸汽熱量，節(jié)能率高達(dá)50%～70%[3]。

5.3 遠(yuǎn)距離輸送

在遠(yuǎn)距離輸送蒸汽的過程中，水擊問題始終伴隨蒸汽運(yùn)行系統(tǒng)。水擊現(xiàn)象輕微時(shí)，只表現(xiàn)為噪音與振動(dòng)；嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管道振動(dòng)、搖晃、支架脫落。用飽和蒸汽輸送時(shí)，在啟動(dòng)、正常運(yùn)行以及負(fù)荷變化時(shí)，為避免蒸汽管道內(nèi)的水積聚到產(chǎn)生危害的程度，每隔30～50 m布置疏水點(diǎn)。過熱度在100 ℃以內(nèi)的管道，一般建議每隔100～200 m布置疏水點(diǎn)[4]。采用過熱蒸汽輸送時(shí)，沿程熱損失更小，同時(shí)也更安全。因此，蒸汽輸送首選過熱蒸汽形式。

5.4 供透平驅(qū)動(dòng)或汽輪機(jī)發(fā)電

5.4.1 供透平驅(qū)動(dòng)

過熱蒸汽供空壓機(jī)+增壓機(jī)透平、合成循環(huán)氣壓縮機(jī)透平、真空泵透平、氨壓縮機(jī)透平、CO2壓縮機(jī)透平等驅(qū)動(dòng)，可相應(yīng)減少鍋爐建造的費(fèi)用。

比如，空分裝置的空壓機(jī)及增壓機(jī)采用離心式壓縮機(jī)時(shí)，為節(jié)省投資并提高蒸汽轉(zhuǎn)換效率，可采用同一臺(tái)蒸汽透平驅(qū)動(dòng)。當(dāng)氧氣壓力為8.5 MPa、制氧能力為43 000 m3/h時(shí)，采用全凝式機(jī)組，蒸汽參數(shù)為10.0 MPa、540 ℃，所消耗的過熱蒸汽質(zhì)量流量為100 t/h。

5.4.2 供汽輪機(jī)發(fā)電

過熱蒸汽發(fā)電技術(shù)應(yīng)用成熟，業(yè)績眾多。

以進(jìn)汽壓力為10.0 MPa、進(jìn)汽溫度為391 ℃(過熱80 ℃)為例，排氣壓力為7 kPa，質(zhì)量流量為100 t/h，干度為82%，功率可達(dá)24.2 MW，過熱所需熱量為9.5 MW。

以進(jìn)汽壓力為10.0 MPa、進(jìn)汽溫度為540 ℃(過熱230 ℃)為例，排氣壓力為7 kPa，質(zhì)量流量為100 t/h，干度為82%，功率可達(dá)35.3 MW，過熱所需熱量為20.9 MW。

過熱蒸汽發(fā)電的汽輪機(jī)為常規(guī)機(jī)組，設(shè)計(jì)上無難度。但由于加熱量較大，需平衡燃料成本與發(fā)電收益之間的關(guān)系。

6 結(jié)語

晉華爐輻射廢鍋流程集中回收水煤漿氣化后的高溫合成氣熱量，副產(chǎn)大量高壓飽和蒸汽，相較于激冷流程，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗目標(biāo)。不論是飽和蒸汽發(fā)電還是過熱蒸汽發(fā)電，在技術(shù)上都能夠順利實(shí)現(xiàn)，用戶可根據(jù)自身需求確定應(yīng)用。