多元料漿氣化裝置閃蒸系統(tǒng)熱回收器的優(yōu)化

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

0 引言

煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，是煤炭深加工、轉(zhuǎn)化的先導(dǎo)技術(shù)，是優(yōu)先發(fā)展的潔凈煤技術(shù)。氣流床氣化技術(shù)是我國當(dāng)前煤氣化技術(shù)的主流趨勢(shì)，采用粉煤或煤漿進(jìn)料，與氣化劑并流噴射進(jìn)入氣化爐，發(fā)生部分燃燒反應(yīng)，熔融的灰渣以液態(tài)形式排出燃燒室，其氣化爐操作溫度高、氣化壓力高、碳轉(zhuǎn)化率高、原料適應(yīng)范圍廣[1-4]。西北化工研究院對(duì)煤氣化技術(shù)進(jìn)行了多年研究，開發(fā)出了多元料漿氣化技術(shù)，多元料漿氣化技術(shù)屬于濕法加壓氣流床氣化技術(shù)，具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。多元料漿氣化技術(shù)的最大特點(diǎn)是生產(chǎn)原料與其他氣體技術(shù)不同。生產(chǎn)中將煤、石油焦、石油瀝青等含碳物質(zhì)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(yōu)化混配，一次共磨制成多元料漿，加壓后與氧氣一同進(jìn)入氣化爐反應(yīng)。該技術(shù)采用單噴嘴頂噴進(jìn)料，料漿與氧氣在氣化爐內(nèi)發(fā)生部分燃燒反應(yīng)，生成的粗合成氣最終進(jìn)入激冷室降溫。多元料漿氣化技術(shù)的原料適應(yīng)性廣、氣化指標(biāo)良好、工藝設(shè)備少、裝置投資少，環(huán)境友好，是新建煤化工項(xiàng)目的優(yōu)選技術(shù)之一，已實(shí)現(xiàn)了廣泛的工業(yè)應(yīng)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(tǒng)構(gòu)成，其中灰水處理系統(tǒng)包含了閃蒸系統(tǒng)，具有多級(jí)閃蒸換熱技術(shù)[6,7]，簡(jiǎn)化了工藝流程，減少了設(shè)備投資[8]。

1 閃蒸系統(tǒng)的統(tǒng)現(xiàn)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(diǎn)的變化，根據(jù)水的三相圖，液態(tài)水在如果壓力如果降低至蒸發(fā)曲線以下，將變?yōu)樗魵猓唧w來說就是高壓且飽和的液態(tài)水，由于突然降壓，水的溫度高于該壓力下的沸點(diǎn)，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(jù)壓力飽和水還需要進(jìn)一步閃蒸，一般來說煤氣化操作壓力越高，閃蒸的級(jí)數(shù)越多。

1.2 閃蒸系統(tǒng)的統(tǒng)現(xiàn)狀

在多元料漿氣化裝置中，熱回收器用于回收閃蒸氣產(chǎn)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(tǒng)。黑水經(jīng)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(huán)使用。閃蒸后的黑水逐級(jí)濃縮后送往澄清槽，經(jīng)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(shí)為了保持循環(huán)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(jìn)行處理。澄清后分離出的濁液經(jīng)澄清槽底泵送往真空帶式過濾機(jī)，進(jìn)一步分離出其中的細(xì)渣，濾液返回至澄清槽。

在閃蒸系統(tǒng)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(jìn)入洗滌塔的灰水加熱至150℃至160℃，實(shí)現(xiàn)余熱回收[9,10]。具體流程見圖1。

圖1一級(jí)閃蒸流程圖

1.3 閃蒸系統(tǒng)熱回收器存在的問題

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，多元料漿氣化裝置的熱回收器盡管具有較多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在如下問題：

(1)經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，灰水中的鈣鎂離子容易在熱回收器結(jié)垢，影響換熱效率，一旦換熱效率降低，會(huì)造成閃蒸氣得不到有效冷凝，閃蒸罐壓力升高等現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)造成影響。

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

(3)現(xiàn)有熱回收器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修難度大，設(shè)備造價(jià)高。

2 熱回收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有裝置的熱回收器存在換熱效果不好，制造成本高等缺點(diǎn)，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(nèi)進(jìn)行直接的傳質(zhì)傳熱，與間接換熱過程相比，新型熱回收器不易在內(nèi)部結(jié)垢，沒有了管道和污垢造成的熱阻，相對(duì)于現(xiàn)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(jié)構(gòu)

熱回收器可采用碳鋼制造，其結(jié)構(gòu)不同于一般換熱器，為一塔型容器并內(nèi)置噴淋裝置和塔盤構(gòu)成，塔盤層數(shù)由實(shí)際工況設(shè)計(jì)確定，一般為三塊。熱回收器中塔盤一般為固閥式塔盤，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際也可設(shè)計(jì)為篩板式或浮閥式。新型熱回收器的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 新型熱回收器的結(jié)構(gòu)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(nèi)保持一定灰水液位，閃蒸氣管道向下首先進(jìn)入灰水液面以下與熱回收器下部溫度較高的灰水進(jìn)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(jìn)行第一步的降溫冷凝；未能冷凝的閃蒸氣繼續(xù)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(jìn)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(shí)噴淋出的灰水溫度較低，與閃蒸氣溫差大，此時(shí)換熱效果較好，使閃蒸氣最大化冷凝。經(jīng)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(jìn)入后系統(tǒng)，加熱后的灰水被泵送至洗滌塔與粗煤氣進(jìn)行洗滌換熱。

表1 固閥式塔盤正常操作條件

3 優(yōu)化后的運(yùn)行效果

熱回收器經(jīng)過重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)行狀況良好，優(yōu)化效果顯著。具體表現(xiàn)如下：

(1)減少了熱回收器內(nèi)結(jié)垢，減少了熱回收器的檢修頻率，提高了閃蒸系統(tǒng)運(yùn)行效率。

(2)提高了熱回收效率，經(jīng)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(shí)冷凝，減少了閃蒸氣的放空，酸性氣體能也及時(shí)析出，減少設(shè)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(shè)備內(nèi)件較傳統(tǒng)換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，從而可以大幅度降低裝置的投資成本和運(yùn)行成本。

4 結(jié)語

熱回收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，加強(qiáng)了氣液接觸后的換熱效果，有效提高了閃蒸系統(tǒng)的熱回收效率，減少了設(shè)備投資，減少了熱設(shè)備的檢修頻率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。可在今后的多元料漿氣化新建裝置和原有裝置技術(shù)改造中進(jìn)行運(yùn)用。