氣化渣水系統(tǒng)低壓閃蒸氣回收利用總結(jié)

趙 岐，馬園媛，孔德升

［1.山東兗礦國(guó)拓科技工程股份有限公司，山東滕州 277527；2.兗礦水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心有限公司，山東滕州 277527；3.新能鳳凰 （滕州）能源有限公司，山東滕州 277527］

0 引 言

新能鳳凰 （滕州）能源有限公司 （以下簡(jiǎn)稱新能鳳凰）2×360kt／a甲醇項(xiàng)目采用多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)，氣化渣水系統(tǒng)采用三級(jí)閃蒸工藝。其中，低壓閃蒸罐閃蒸產(chǎn)生的低壓閃蒸氣量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，除用于除氧器對(duì)脫鹽水熱力除氧外，仍有大量富余，頻繁造成除氧器放空氣帶水、噪音較大和環(huán)境污染等問題，低壓閃蒸氣之熱量及其冷凝液得不到有效回收利用逐漸成為裝置節(jié)能增效、擴(kuò)能提產(chǎn)和清潔文明生產(chǎn)的制約因素。

1 低壓閃蒸系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

新能鳳凰氣化渣水處理系統(tǒng)采用三級(jí)閃蒸工藝：蒸發(fā)熱水塔作為第一級(jí)閃蒸，操作壓力0.78MPa，旨在解吸黑水中溶解的絕大部分酸性氣，并對(duì)閃蒸氣之熱量及其冷凝液予以回收利用；低壓閃蒸系統(tǒng)作為第二級(jí)閃蒸，操作壓力0.25MPa，旨在解吸出黑水中溶解的剩余氣體，副產(chǎn)的閃蒸氣送入除氧器，與脫鹽水直接接觸換熱進(jìn)行熱力除氧，預(yù)熱和脫除氧氣后的脫鹽水則進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔，作為氣化系統(tǒng)補(bǔ)水；真空閃蒸系統(tǒng)作為第三級(jí)閃蒸，操作壓力-0.056MPa，旨在完全解吸出黑水中溶解的剩余氣體，并對(duì)黑水進(jìn)行降溫和濃縮。

2 低壓閃蒸系統(tǒng)運(yùn)行狀況

低壓閃蒸罐在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著解吸黑水中溶解的微量氣體、濃縮黑水、黑水降溫和副產(chǎn)低壓閃蒸氣的重要作用，閃蒸出的低壓閃蒸氣直接送入除氧器，對(duì)脫鹽水進(jìn)行熱力除氧，實(shí)現(xiàn)熱量回收，降低氣化系統(tǒng)的蒸汽消耗，在質(zhì)熱交換中絕大部分蒸汽冷凝進(jìn)入脫氧水中，冷凝液隨脫氧水直接返回工藝系統(tǒng)得以回收利用。但實(shí)際運(yùn)行中，由于低壓閃蒸氣富余量過大，導(dǎo)致除氧器放空氣頻繁嚴(yán)重帶水，加入的脫鹽水被直接帶出，限制了新鮮水的補(bǔ)入，系統(tǒng)水中懸浮物和各種離子不斷積累，導(dǎo)致系統(tǒng)易出現(xiàn)結(jié)垢且結(jié)垢狀況快速惡化；激冷水是保護(hù)激冷環(huán)和下降管不被高溫合成氣流輻射損壞的保護(hù)介質(zhì)，并能轉(zhuǎn)移出激冷室內(nèi)的細(xì)顆?；以?，改善合成氣洗滌水水質(zhì)，激冷水量越大，低壓閃蒸氣量越大，低壓閃蒸氣得不到有效消化或處理也限制了激冷水量的增大，進(jìn)而限制了氣化爐負(fù)荷的提高，成為裝置擴(kuò)能的瓶頸；另外，冬季除氧器放空氣帶出的水在周圍樓層上結(jié)冰，造成設(shè)備周圍地面結(jié)冰嚴(yán)重、框架和樓梯多處掛有冰溜，影響巡檢和檢修人員的作業(yè)安全。

3 業(yè)內(nèi)較常用的幾種處理方法及利弊分析

3.1 低壓閃蒸罐安全閥放空法

氣化黑水中的酸性氣在進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室時(shí)幾乎完全閃蒸出來，也就是說低壓閃蒸氣幾乎不含有害氣體，符合氣體直接排放要求，將富余的低壓閃蒸氣通過低壓閃蒸罐安全閥旁路直接放空，可快速消除除氧器放空氣帶水的問題，保障系統(tǒng)新鮮水的補(bǔ)入，但富余閃蒸氣直接放空，其熱量及其冷凝液得不到回收利用，經(jīng)濟(jì)性差，且放空時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，對(duì)周邊環(huán)境和人員造成影響。

3.2 真空閃蒸吸收法

新能鳳凰共有3臺(tái)氣化爐，采用兩開一備的運(yùn)行模式，配套建設(shè)有3臺(tái)低壓閃蒸罐，3套氣化系統(tǒng)中的低壓閃蒸氣先匯聚到閃蒸氣總管，再一同進(jìn)入除氧器，支管線上無單向閥設(shè)計(jì)，只需用水環(huán)式真空泵將備用真空閃蒸系統(tǒng)建立微負(fù)壓，然后投用真空閃蒸冷凝器，即可通過調(diào)節(jié)低壓閃蒸罐去真空閃蒸罐液位調(diào)節(jié)閥的開度將在運(yùn)低壓閃蒸罐的富余閃蒸氣全部引入備用真空閃蒸系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓閃蒸氣的消化吸收；閃蒸氣通過備用真空閃蒸冷凝器冷凝后，利用真空閃蒸分離罐與灰水槽之間的 （液）位差即可將冷凝液壓入灰水槽 （無需頻繁調(diào)節(jié)和增加監(jiān)控力度），不凝氣則被水環(huán)式真空泵抽出排入大氣?？梢姡婵臻W蒸吸收法既可使冷凝液得到回收利用，又可使除氧器放空氣帶水和放空噪音問題得到解決。但此方法操作復(fù)雜，投用前需考慮諸多因素，具有一定的局限性：首先，此方法必須在備用低壓閃蒸系統(tǒng)和真空閃蒸系統(tǒng)檢修清理后進(jìn)行；其次，當(dāng)備用氣化爐、水洗塔和蒸發(fā)熱水塔等設(shè)備未檢修完成時(shí)，需要增加數(shù)塊臨時(shí)盲板，將備用低壓閃蒸系統(tǒng)、真空閃蒸系統(tǒng)與正檢修設(shè)備可靠隔絕方可實(shí)施；再者，一旦進(jìn)入的低壓閃蒸氣氣量過大，大于真空泵的抽吸能力時(shí)，需及時(shí)增大備用真空閃蒸系統(tǒng)的真空度，否則閃蒸氣會(huì)竄入檢修設(shè)備內(nèi)，對(duì)檢修人員的生命安全造成威脅。

3.3 換熱器冷凝回收法

真空閃蒸吸收法雖能實(shí)現(xiàn)閃蒸氣的消化吸收，但只能在備用系統(tǒng)檢修后實(shí)施，且需增加大量臨時(shí)盲板、頻繁切換，勞動(dòng)量大，并存在一定的安全隱患。于是一些廠家采取了換熱器冷凝回收法，即增加低壓閃蒸冷凝器，并在低壓閃蒸氣壓力調(diào)節(jié)閥前增加支管路，將富余的閃蒸氣引入低壓閃蒸冷凝器中冷凝，冷凝液儲(chǔ)存在分離罐內(nèi)，通過液位調(diào)節(jié)閥控制連續(xù)性地將其排入灰水槽，不凝氣則通過控制閥高點(diǎn)放空。此方法既可回收冷凝液，又可避免富余閃蒸氣放空帶來的環(huán)境污染和噪音問題，并解決除氧器放空氣帶水的問題，但此法只是回收了閃蒸氣，依然未能回收利用閃蒸氣的熱量，并因增設(shè)低壓閃蒸冷凝器增加了循環(huán)水的消耗和檢修維護(hù)成本。

3.4 蒸汽噴射泵利用法

低壓閃蒸氣壓力為0.25MPa，絕大部分為水蒸氣，于是部分廠家配套建設(shè)了蒸汽噴射泵對(duì)低壓閃蒸氣進(jìn)行綜合利用 （即蒸汽噴射泵利用法），運(yùn)行狀況良好。此法利用富余的閃蒸氣作為抽引介質(zhì)，負(fù)壓室與真空閃蒸系統(tǒng)連接，真空閃蒸系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，可用蒸汽噴射泵代替水環(huán)式真空泵維持真空閃蒸系統(tǒng)所需的真空度，按水環(huán)式真空泵小時(shí)耗電30kW·h、年運(yùn)行8000h計(jì)，每年可節(jié)約用電30×8000＝2.4×105kW·h，同時(shí)每年可節(jié)約水環(huán)式真空泵的脫鹽水消耗16000m3，節(jié)能降耗效果非常明顯。

但此方法需對(duì)低壓閃蒸氣富余量能否滿足真空閃蒸系統(tǒng)運(yùn)行要求 （真空度）進(jìn)行論證。因?yàn)殚W蒸氣與水蒸氣本質(zhì)上是不同的，進(jìn)入低壓閃蒸罐的是高溫黑水，含固量高，閃蒸產(chǎn)生水蒸氣的同時(shí)，部分細(xì)灰也會(huì)隨閃蒸氣帶出，而水系統(tǒng)流量在調(diào)節(jié)控制中又不斷變化，低壓閃蒸氣量并不穩(wěn)定，細(xì)灰進(jìn)入抽引系統(tǒng)動(dòng)能降低后容易沉積而形成堵塞，尤其是蒸汽噴射泵的消音器部位，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)灰在此被捕集后無法除去，會(huì)造成噴射泵性能下降，堵塞嚴(yán)重時(shí)閃蒸氣甚至?xí)Z入真空閃蒸系統(tǒng)，造成黑水溫度升高、絮凝效果變差和水系統(tǒng)紊亂等一系列問題；此外，開、停車過程中，水系統(tǒng)波動(dòng)大，閃蒸氣量不穩(wěn)定，真空閃蒸系統(tǒng)仍需切換為水環(huán)式真空泵運(yùn)行。

4 變換汽提系統(tǒng)流程及運(yùn)行情況

氣化反應(yīng)過程中會(huì)副產(chǎn)大量的氨，氨極易溶于水，造成排放廢水中氨氮超標(biāo)，氣化系統(tǒng)不能自我消減氨氮，只能排至污水處理系統(tǒng)進(jìn)行微生物降解，導(dǎo)致生化處理系統(tǒng)投資大、維護(hù)成本高，且若氣化廢水氨氮含量過高，還會(huì)抑止生物菌生長(zhǎng)，甚至造成生物菌死亡。但水煤氣中的氨會(huì)在變換洗氨塔洗滌液中富集、累積，氨氮含量可高達(dá)4500×10-6，變換汽提系統(tǒng)便是脫除洗氨塔洗滌液中氨氮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變換汽提系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)為：洗氨塔洗滌液通過液位調(diào)節(jié)閥連續(xù)送入汽提塔上塔預(yù)熱段，與蒸汽通過列管換熱后進(jìn)入汽提塔汽提段，再與汽提塔塔盤下部通入的低壓蒸汽 （變換汽提塔所用0.3MPa低壓蒸汽，先由蒸汽管網(wǎng)2.5MPa蒸汽減壓為1.1MPa蒸汽，再由1.1MPa蒸汽減壓為0.3MPa蒸汽）進(jìn)行質(zhì)熱交換，洗氨液不斷升溫，洗氨液中的氨氮隨著氣相中氨分壓的降低逐漸解吸釋放出來，解吸出的氨和H2S氣體隨蒸汽經(jīng)列管預(yù)熱段后排至硫回收系統(tǒng)。

變換汽提塔由上塔、中塔和下塔組成，上塔為立式列管式換熱器，汽提后的蒸汽溫度仍有120℃，用其對(duì)洗氨液預(yù)熱升溫；中塔為填料層，下塔為篩板塔，洗氨液在填料層和篩板上與蒸汽充分接觸，進(jìn)行質(zhì)熱交換，洗氨液自上而下溫度逐漸升高，氣相中氨、H2S、CO2等氣體分壓逐漸降低，洗氨液中溶解的氨氮逐漸解吸，在到達(dá)最后一層塔板時(shí)，氣相中氨、H2S、CO2等氣體分壓幾乎降至0，廢水中的氨氮和H2S含量亦降至最低；其后，氨氮含量低于100mg／L的低溫冷凝液由泵加壓送入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室作為系統(tǒng)補(bǔ)水?？梢姡?jīng)過變換汽提系統(tǒng)的汽提，變換冷凝液中的氨氮得以除去，從而可減輕污水處理系統(tǒng)的負(fù)荷，減少污水處理系統(tǒng)的投資與運(yùn)維費(fèi)用，但氨氮汽提需要消耗大量的蒸汽，約為3.8t／h，以年運(yùn)行8000h計(jì)，變換汽提塔年消耗蒸汽約30000t。

5 低壓閃蒸氣回收利用技改

鑒于低壓閃蒸氣中夾雜一定量的細(xì)灰，且具有氣量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在氣化裝置內(nèi)一直未能找到低壓閃蒸氣回收利用的有效途徑，于是新能鳳凰開始將尋找范圍擴(kuò)大到整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，經(jīng)分析后認(rèn)為，變換汽提塔下塔采用篩板，對(duì)蒸汽品質(zhì)的要求較低，可用低壓閃蒸氣進(jìn)行替代。2014年，新能鳳凰開始實(shí)施此項(xiàng)改造 （如圖1所示）：將低壓閃蒸氣從低壓閃蒸壓力調(diào)節(jié)閥前引出，配管引至低壓蒸汽入變換汽提塔調(diào)節(jié)閥后管線上，原低壓閃蒸壓力調(diào)節(jié)閥改為溫度調(diào)節(jié)閥，與除氧器水溫檢測(cè)儀表連接，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，配管上增加壓力控制閥，實(shí)現(xiàn)低壓閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定控制；運(yùn)行時(shí)，除氧器溫度調(diào)節(jié)閥據(jù)水溫變化控制入除氧器閃蒸氣的流量，保障脫鹽水除氧所需的蒸汽量，同時(shí)由新設(shè)置的低壓閃蒸壓力調(diào)節(jié)閥將低壓閃蒸系統(tǒng)壓力穩(wěn)定控制在0.25MPa，將富余的閃蒸氣送入變換汽提塔，并將變換汽提塔蒸汽流量調(diào)節(jié)閥與汽提塔塔底溫度信號(hào)連接形成溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，據(jù)低壓閃蒸氣量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)入變換汽提塔的低壓蒸汽量，滿足變換汽提塔汽提的熱量之需。此項(xiàng)改造，自動(dòng)化程度高，無需增加人員配置，在系統(tǒng)開、停車過程中也可投用。

圖1 低壓閃蒸氣回收利用技改示意圖

6 蒸汽系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況

新能鳳凰配套建設(shè)有3臺(tái)150t／h的蒸汽鍋爐和1臺(tái)發(fā)電機(jī)組，蒸汽鍋爐采用兩開一備的運(yùn)行模式，供應(yīng)空分裝置汽輪機(jī)、凈化系統(tǒng)冰機(jī)汽輪機(jī)和甲醇精餾系統(tǒng)所需的蒸汽。原始設(shè)計(jì)中，變換系統(tǒng)接氣后，中、低壓廢熱鍋爐均能副產(chǎn)一定量的蒸汽，副產(chǎn)的蒸汽補(bǔ)入蒸汽管網(wǎng)中，系統(tǒng)內(nèi)蒸汽富余量增大，于是將富余蒸汽送往發(fā)電機(jī)組發(fā)電，所發(fā)電力直接并入新能鳳凰電力系統(tǒng)，從而減少外購(gòu)電量。但實(shí)際運(yùn)行情況是，廠區(qū)內(nèi)部蒸汽富余量較少，發(fā)電機(jī)組一直未能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行。而實(shí)施低壓閃蒸氣回收利用技改后，富余低壓閃蒸氣得到充分利用，全廠蒸汽利用格局更加合理，原蒸汽管網(wǎng)中可富余更多的2.5MPa蒸汽用于發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而增加發(fā)電量，進(jìn)一步降低企業(yè)的用電成本。

7 技改效果

7.1 變換汽提系統(tǒng)的運(yùn)行情況

（1）改造前，變換汽提塔汽提氣采用鍋爐送來的低壓蒸汽，低壓蒸汽壓力為0.3MPa、溫度為143℃，平均用量3800k g／h，變換低溫冷凝液氨氮含量控制在100mg／L以下；改造后，低壓蒸汽僅在系統(tǒng)大修后原始開車時(shí)投用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后變換汽提塔汽提氣即切換為低壓閃蒸氣，手動(dòng)取樣分析，變換低溫冷凝液氨氮含量與改造前相比變化不大，也能控制在100mg／L以下，滿足工藝指標(biāo)要求。

（2）改造后，針對(duì)系統(tǒng)開停車和負(fù)荷大幅調(diào)整工況下低壓閃蒸氣流量波動(dòng)大、自調(diào)不及時(shí)的問題，執(zhí)行在系統(tǒng)開停車和負(fù)荷大幅調(diào)整前將自調(diào)閥切換為手動(dòng)控制的操作，以利實(shí)現(xiàn)氣化裝置低壓閃蒸系統(tǒng)和變換汽提系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）系統(tǒng)大修時(shí)，進(jìn)入變換汽提塔內(nèi)部檢查，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)有大量積灰和結(jié)垢問題。

7.2 除氧器的運(yùn)行情況

改造后，部分低壓閃蒸氣送往除氧器，部分送往變換汽提塔，僅有少量閃蒸氣通過消音器放空，噪音問題得到控制，除氧器放空氣帶水現(xiàn)象也得以消除，周圍地面上無積水，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境衛(wèi)生明顯改善。

7.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

改造后，富余低壓閃蒸氣得到充分利用，全廠蒸汽利用格局更加合理，蒸汽管網(wǎng)中富余的2.5MPa蒸汽用于發(fā)電機(jī)組發(fā)電，可創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。低壓閃蒸氣優(yōu)化利用改造共投資約30萬元，改造后變換汽提塔0.3MPa蒸汽消耗量減少約3800k g／h，以裝置年運(yùn)行8000h計(jì)算，全年可節(jié)約蒸汽3800×8000÷1000＝30400t，將富余的30400t蒸汽用于發(fā)電，按照噸蒸汽（2.5MPa）可發(fā)電200kW·h計(jì)算，每年可發(fā)電30400×200＝6.08×106kW·h，每年可為企業(yè)節(jié)約外購(gòu)電費(fèi)用6.08×106×0.7÷10000＝425.6萬元 ［外購(gòu)電價(jià)格0.7元／（kW·h）］。

8 結(jié)束語

綜上所述，新能鳳凰氣化渣水系統(tǒng)低壓閃蒸氣綜合利用技改完成后，消除了多噴嘴水煤漿氣化裝置運(yùn)行中除氧器放空氣帶水、放空污染環(huán)境和噪聲大的問題，激冷水流量和系統(tǒng)水質(zhì)得到保障，為生產(chǎn)系統(tǒng)的擴(kuò)能改造奠定了基礎(chǔ)；同時(shí)，每年可節(jié)約蒸汽管網(wǎng)蒸汽用量30400t，蒸汽管網(wǎng)中富余的蒸汽用于發(fā)電機(jī)組發(fā)電，年可增加發(fā)電量6.08×106kW·h，每年可為企業(yè)節(jié)約用電成本425.6萬元。本改造項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益均非常顯著。