多元料漿氣化裝置閃蒸系統熱回收器的優化

謝玉杰 馬航 趙蒙 (.陜西延長石油興化化工有限公司，陜西 興平 7300；.西安元創化工科技股份有限公司，陜西 西安 7006)

0 引言

煤氣化技術是現代煤化工的基礎，是煤炭深加工、轉化的先導技術，是優先發展的潔凈煤技術。氣流床氣化技術是我國當前煤氣化技術的主流趨勢，采用粉煤或煤漿進料，與氣化劑并流噴射進入氣化爐，發生部分燃燒反應，熔融的灰渣以液態形式排出燃燒室，其氣化爐操作溫度高、氣化壓力高、碳轉化率高、原料適應范圍廣[1-4]。西北化工研究院對煤氣化技術進行了多年研究，開發出了多元料漿氣化技術，多元料漿氣化技術屬于濕法加壓氣流床氣化技術，具有我國自主知識產權。多元料漿氣化技術的最大特點是生產原料與其他氣體技術不同。生產中將煤、石油焦、石油瀝青等含碳物質和油(原油、重油、渣油等)中的一種或多種與添加劑和水按比例優化混配，一次共磨制成多元料漿，加壓后與氧氣一同進入氣化爐反應。該技術采用單噴嘴頂噴進料，料漿與氧氣在氣化爐內發生部分燃燒反應，生成的粗合成氣最終進入激冷室降溫。多元料漿氣化技術的原料適應性廣、氣化指標良好、工藝設備少、裝置投資少，環境友好，是新建煤化工項目的優選技術之一，已實現了廣泛的工業應用[5]。多元料漿氣化裝置由料漿制備、料漿氣化、粗煤氣洗滌凈化、灰水處理等系統構成，其中灰水處理系統包含了閃蒸系統，具有多級閃蒸換熱技術[6,7]，簡化了工藝流程，減少了設備投資[8]。

1 閃蒸系統的統現狀及存在的問題

1.1 閃蒸的原理

閃蒸的原理是利用了水在不同壓力下沸點的變化，根據水的三相圖，液態水在如果壓力如果降低至蒸發曲線以下，將變為水蒸氣，具體來說就是高壓且飽和的液態水，由于突然降壓，水的溫度高于該壓力下的沸點，水在閃蒸罐中迅速膨脹氣化，飽和水變成該壓力下的飽和水蒸氣和飽和水，根據壓力飽和水還需要進一步閃蒸，一般來說煤氣化操作壓力越高，閃蒸的級數越多。

1.2 閃蒸系統的統現狀

在多元料漿氣化裝置中，熱回收器用于回收閃蒸氣產生的熱量并將灰水加熱。氣化爐激冷室和洗滌塔的排放黑水送往灰水系統。黑水經過閃蒸，閃蒸汽與灰水換熱后分離出的氣體送入變換氣提塔，分離出的液體入脫氣水槽脫除其中的氣體，然后在泵的作用下送入洗滌塔循環使用。閃蒸后的黑水逐級濃縮后送往澄清槽，經沉淀澄清后的灰水部分送往鎖斗沖洗水罐、部分送往渣池、部分送往脫氣水槽，同時為了保持循環水中可溶性鹽及腐蝕性離子的濃度平衡，將一部分灰水送往廢水處理站進行處理。澄清后分離出的濁液經澄清槽底泵送往真空帶式過濾機，進一步分離出其中的細渣，濾液返回至澄清槽。

在閃蒸系統中，閃蒸汽在熱回收器中與灰水換熱，一般的熱回收器為U 型管式或浮頭式灰水換熱器，可將閃蒸氣冷凝，并把進入洗滌塔的灰水加熱至150℃至160℃，實現余熱回收[9,10]。具體流程見圖1。

圖1 一級閃蒸流程圖

1.3 閃蒸系統熱回收器存在的問題

在實際生產過程中，多元料漿氣化裝置的熱回收器盡管具有較多優點，但仍存在如下問題：

(1)經過長期運行，灰水中的鈣鎂離子容易在熱回收器結垢，影響換熱效率，一旦換熱效率降低，會造成閃蒸氣得不到有效冷凝，閃蒸罐壓力升高等現象，對安全生產造成影響。

(2)高溫高壓灰水中含有腐蝕性介質，容易造成設備腐蝕，而閃蒸氣中的酸性氣體不能及時析出也會對熱回收器造成腐蝕，減少設備的使用壽命。

(3)現有熱回收器結構復雜，檢修難度大，設備造價高。

2 熱回收器的優化設計

針對現有裝置的熱回收器存在換熱效果不好，制造成本高等缺點，提出了一種新型的熱回收器。

2.1 新型熱回收器的原理

該熱回收器采用直接接觸換熱的方式，即閃蒸氣和灰水在熱回收器內進行直接的傳質傳熱，與間接換熱過程相比，新型熱回收器不易在內部結垢，沒有了管道和污垢造成的熱阻，相對于現有裝置的灰水換熱器換熱效果更好。

2.2 新型熱回收器的結構

熱回收器可采用碳鋼制造，其結構不同于一般換熱器，為一塔型容器并內置噴淋裝置和塔盤構成，塔盤層數由實際工況設計確定，一般為三塊。熱回收器中塔盤一般為固閥式塔盤，根據現場實際也可設計為篩板式或浮閥式。新型熱回收器的結構見圖2。

圖2 新型熱回收器的結構圖

新型熱回收器中的固閥式塔盤正常操作條件見表1。閃蒸氣的熱回收過程如下：熱回收器內保持一定灰水液位，閃蒸氣管道向下首先進入灰水液面以下與熱回收器下部溫度較高的灰水進行直接接觸并換熱冷凝，灰水吸收了閃蒸氣的潛熱溫度升高，并使閃蒸氣進行第一步的降溫冷凝；未能冷凝的閃蒸氣繼續上升至熱回收器中部，由下向上穿過塔盤，塔盤上覆蓋一層灰水，閃蒸氣在塔盤上通過鼓泡方式接觸換熱并進一步冷凝；在熱回收器上部，灰水以噴淋形式往下噴，與剩余未冷凝的閃蒸氣接觸，由于此時噴淋出的灰水溫度較低，與閃蒸氣溫差大，此時換熱效果較好，使閃蒸氣最大化冷凝。經過以上步驟的換熱，閃蒸氣基本被冷凝成液體，灰水也被加熱至正常操作溫度，大約為150～160℃，其余不凝氣從熱回收器頂部排出進入后系統，加熱后的灰水被泵送至洗滌塔與粗煤氣進行洗滌換熱。

表1 固閥式塔盤正常操作條件

3 優化后的運行效果

熱回收器經過重新優化設計，運行狀況良好，優化效果顯著。具體表現如下：

(1)減少了熱回收器內結垢，減少了熱回收器的檢修頻率，提高了閃蒸系統運行效率。

(2)提高了熱回收效率，經過換熱后的入洗滌塔灰水溫度有效提高。

(3)閃蒸氣在較高的換熱效率下能及時冷凝，減少了閃蒸氣的放空，酸性氣體能也及時析出，減少設備腐蝕，提高使用壽命。

(4)新型熱回收器可采用碳鋼制造，且設備內件較傳統換熱器結構簡單造價低，從而可以大幅度降低裝置的投資成本和運行成本。

4 結語

熱回收器的優化設計，使得其結構更加簡單，加強了氣液接觸后的換熱效果，有效提高了閃蒸系統的熱回收效率，減少了設備投資，減少了熱設備的檢修頻率，延長了設備的使用壽命，提高了裝置運行的穩定性。可在今后的多元料漿氣化新建裝置和原有裝置技術改造中進行運用。