航天煤氣化工藝高閃廢蒸汽的優化利用

王永勝,張士祥,趙振新,趙軍杰,黨 夏

(1.河南煤業化工集團新鄉中新化工公司 ,河南新鄉 453800;2.河南城建學院化學化工系 ,河南平頂山 467044)

航天煤氣化工藝高閃廢蒸汽的優化利用

王永勝1,張士祥1,趙振新2,趙軍杰1,黨 夏1

(1.河南煤業化工集團新鄉中新化工公司 ,河南新鄉 453800;2.河南城建學院化學化工系 ,河南平頂山 467044)

通過優化航天煤氣化高閃蒸汽回收工藝,充分利用高閃蒸汽,既回收利用了能源,又得到了高品質蒸汽。

煤氣化 ;航天 ;高閃 ;蒸汽

河南煤化集團新鄉中新化工于 2007年新上一套 30萬 t/a甲醇裝置。其氣化采用了航天粉煤氣化工藝,變換采用了耐硫低水汽比寬溫變換工藝,凈化采用了低溫甲醇洗工藝,甲醇合成采用了低壓合成工藝,精餾采用了三塔流程。航天煤氣化生產工藝中,來自氣化爐激冷室的高溫、高壓黑水 (40 t/h,溫度 215℃;壓力 4.0 MPa)和來自合成氣碳洗塔的高溫、高壓黑水 (10 t/h,溫度 210℃;壓力 3.72 MPa)在高壓閃蒸槽中閃蒸得到 13 t/h的低壓飽和蒸汽(壓力 0.5 MPa,溫度 158℃)。這部分蒸汽的品質較差,我們結合本單位的實際情況,在原有設計的基礎上,大膽創新,對原工藝路線進行了優化,合理利用了這部分低品質蒸汽,從而節約了成本,降低了能耗。本文主要介紹了如何充分利用這部分經過高壓閃蒸得到的低品質低壓飽和蒸汽。

1 航天煤氣化技術簡介

航天煤氣化技術由航天科技集團自主研發,充分吸收了當今世界兩大先進煤氣化技術 (即 Texco水煤漿加壓氣化技術和 Shell粉煤加壓氣化技術)的優點。在原料煤本地化、工藝路線優化、節省投資、關鍵設備國產化方面做了大量的研究工作,最終研制出了高效節能的煤氣化技術。該技術在燃燒調節系統、氣化爐輻射段均采用先進的粉煤氣流床氣化技術;灰渣水系統、洗滌、凈化則采用氣體急冷流程技術。其主要技術有如下特點：①以干煤粉為原料,用高壓 CO2(或N2)輸送進入氣化爐,對煤的特性(如含水量、含硫量、含氧量及灰分含量)不敏感,煤種適應范圍寬;②氣化爐為水冷壁結構,操作溫度高,有效地提高了碳的轉化率 (達到 99%以上),冷煤氣效率可達到 80%;③水激冷流程除渣,同時冷卻粗合成氣,氣體中的汽/氣比較高。

航天煤氣化技術性能已達到了目前國際上最先進的殼牌的主要經濟技術指標水平。目前,國內已經投產和即將投產的裝置共計有 23套。

2 現有裝置中高壓閃蒸蒸汽的利用情況

2.1 高閃蒸汽利用現狀

現有工藝路線的高壓閃蒸蒸汽利用方案如下頁圖1所示。

2.2 工藝介紹

現有裝置高壓閃蒸蒸汽的工藝利用路線為：氣化爐激冷室和合成氣洗滌塔 (C-1301)底部來的黑水在減壓后送入高壓閃蒸罐 (V-1401)進行閃蒸,經高壓閃蒸分離罐(V-1403)分離出的冷凝液送到除氧器(V-1408)回收工藝水,分離出的高閃蒸汽則全部送除氧器作為除氧蒸汽用。因這部分蒸汽品質不好,含有大量的不凝氣體和雜質,不能作為清潔蒸汽利用,如果作為工藝灰水的除氧蒸汽使用,又容易造成除氧器超壓和填料堵塞,因此只能作放空處理,大量的蒸汽被一并直接放空排放,每小時有 5 t左右的蒸汽被浪費。

高壓閃蒸罐底部的黑水減壓后送到真空閃蒸罐(V-1404)進一步處理利用。經除氧器預熱、除氧后的工藝灰水(溫度約 95℃)經泵送到粗合成氣洗滌塔。粗合成氣在洗滌塔內經工藝灰水洗滌后送到變換工序,首先進入低壓蒸汽發生器管程與殼程的脫氧水換熱,殼程產生低壓飽和蒸氣的同時粗合成氣中的水蒸氣冷凝下來。通常控制粗合成氣出低壓蒸汽發生器的溫度為 190℃左右,水汽比在 0.6左右。

圖 1 現有高壓閃蒸蒸汽利用方案

2.3 高壓閃蒸蒸汽的品質分析

由于航天煤氣化工藝采用的是激冷流程,即粉煤氣化后 1 500℃的粗合成氣和熔渣經水激冷后全部進入激冷室的水浴降溫,降溫后粗合成氣溫度約220℃,進入粗合成氣洗滌塔進一步洗滌、凈化和降溫。這就決定了來自氣化爐激冷室的黑水和來自粗合成氣洗滌塔的黑水攜帶有較多的雜質;也決定了這兩股黑水閃蒸出來的蒸汽品質不太好。蒸汽品質如表 1所示。其溫度為 158℃,壓力 0.5 MPa,流量為 13 t/h。

表1 蒸汽品質表 %

2.4 原工藝存在問題分析

①蒸汽的品質決定了無法作為清潔蒸汽使用,除氧器無法完全吸收高閃分離器來的閃蒸蒸汽,放空造成了蒸汽和熱量的嚴重浪費,每小時排掉約 5 t廢蒸汽;②除氧器內設計操作溫度104℃,而實際操作中溫度只能達到 92℃,遠遠不能達到設計要求,不能達到除氧效果,這樣就會造成后續氣化設備的氧化腐蝕,降低了設備使用壽命,提高了潛在危險系數;③大量不凝氣和蒸汽的放空污染了環境,同時也嚴重惡化了現場的操作環境。

3 優化利用改造方案

3.1 工藝方案的優化

我們根據原有工藝存在的問題,結合航天煤氣化工藝特點對閃蒸蒸汽的利用工藝進行了優化,優化的工藝方案如圖 2所示。

圖 2 優化后的閃蒸蒸汽利用方案

3.2 工藝介紹

高壓閃蒸出的廢蒸汽從汽提塔底部入塔,工藝灰水從汽提塔頂部入塔,工藝灰水和高閃來蒸汽逆向接觸換熱,汽提塔控制壓力在 0.5MPa左右,溫度在130℃左右,汽提換熱過程中,工藝灰水中溶的氧氣被汽提出自下向上和飽和蒸汽中的不凝氣以及過量的蒸汽一起從塔頂出塔,再送到變換的汽提塔底部,作為變換冷凝液的汽提蒸汽(蒸汽不夠時,補充低壓蒸汽),變換汽提塔塔頂的不凝氣都被送到火炬工序處理。粗合成氣的工藝流程不變。

設置汽提塔的目的是為了把高閃蒸汽攜帶的熱量帶到工藝灰水中去,使工藝灰水溫度盡可能達到130℃左右,同時,該高溫灰水進入粗合成氣洗滌塔和粗合成氣逆流接觸洗滌,將高溫灰水回收的熱量再返回氣化系統中,使出粗合成氣洗滌塔的粗合成氣溫度上升到 213℃左右,這對粗合成氣的水汽比有較大提高,可以從 1.07提高到 1.13,即粗合成氣到低壓蒸汽發生器時多帶了 4.5 t的水蒸氣。

粗合成氣進入低壓蒸汽發生器的管程和管外的脫鹽水換熱降溫到 190℃左右送到變換后工序。多余的水分全部冷凝析出,析出同時,根據熱量守恒定律(充分考慮了熱損失),在低壓蒸汽發生器的殼程實際多產生了 4 t清潔的低壓飽和蒸汽,該低壓飽和蒸汽可以和工廠的低壓蒸汽并網使用。

優化后的工藝方案,主要目的就是把廢蒸汽具有的熱量全部帶到氣化系統里,在經過低壓蒸汽發生器換熱時,多得到一定量的高品質清潔低壓蒸汽。

3.3 優化方案的優點

①高閃出的廢蒸汽合理充分利用,熱量全部返回到了氣化系統中去,沒有熱量的浪費。原工藝每小時放空掉的 5 t廢蒸汽,經此方案優化后,每小時能回收 4 t高品質的低壓飽和蒸汽;②工藝灰水溶解的氧氣能很好的除去,延緩了后續氣化設備的氧化腐蝕,提高了設備的安全系數;③現場蒸汽放空不會再出現,優化了現場的操作環境。大量的不凝氣體送到火炬處理,有效地解決了環保問題。

3.4 方案優化后關鍵點對比

優化后方案關鍵點對比見表 2。

表 2 方案優化后關鍵點的對比

優化后多產高品質低壓飽和蒸汽 3 995 kg/h。

4 汽提塔的選型優化

4.1 汽提塔工況說明和選型原則

①該塔塔內的工藝流程為：低溫的工藝灰水自頂部進入塔內,對高閃蒸汽進行接觸式換熱,盡可能回收高閃蒸汽的熱量。這對于塔內件來說,傳質和傳熱的兩方面性能都需要加以考慮;②由于該塔塔內介質主要是水蒸氣和低溫工藝灰水,且工藝介質較臟,液相硬度較高,所含 Cl-濃度高,易在內件結垢,導致塔內件堵塞,對長期平穩操作不利,需考慮塔內件自身的抗堵性能;③應該盡可能選用板式塔類,填料類的內件在此工況下很難適應。

4.2 高壓閃蒸汽提塔內件選用

①篩板塔和浮閥塔相比,在傳質和傳熱性能上相差不大 (傳質性能稍差,但不影響整體),對產品質量不會產生不利的影響;②篩板在設計上篩孔氣相流速大,同樣的負荷下,篩板塔盤上液相流動狀態要比浮閥塔盤的流動狀態混亂,這也就降低了液相在塔盤的進口堰、出口堰等處的結垢堵塞機率;③篩板塔作為板式塔的一種,只是在塔盤上開孔,沒有類似浮閥等塔盤的傳質元件,這就降低了塔盤堵塞的機率。類似浮閥的塔盤在此工況下,浮閥的邊沿、閥腿、導向小孔等處極易形成結垢形成所需的中心點(類似結晶中心),而篩孔則沒有這些因素。本方案的汽提塔選用了篩板塔。

5 綜合效益分析

該優化方案充分回收利用了能源。并且提高了除氧水的除氧效果,改善了設備使用環境,保護了后續設備,有利于系統長周期穩定運行,提高了航天煤氣化運行中的綜合效益。以每小時多回收 4 t蒸汽、蒸汽價格 125元/t、全年生產時間 8 000 h計算,全年累計回收低壓蒸汽 32 000 t,折合人民幣 400萬元。

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1003-3467(2010)16-0083-03

2010-06-28

王永勝(1974-),男,工程師,從事煤化工生產技術管理工作,電話：13703736395。