四噴嘴對置式水煤漿氣化爐中黑水能量利用研究

張蒙恩,孟 雪

(河南心連心化學工業集團股份有限公司， 河南新鄉 453700)

河南心連心化學工業集團股份有限公司(簡稱心連心公司)產業升級項目采用直徑為φ3 880 mm的四噴嘴對置式[1]水煤漿氣化爐，渣水處理為三級閃蒸工藝。正常生產時，高壓黑水經黑水減壓閥減壓至0.80 MPa后進入蒸發熱水塔蒸發室，黑水減壓過程中存在大量的勢能損失，且對黑水減壓閥和黑水緩沖罐造成嚴重的沖刷磨蝕。

1 工藝流程

氣化爐、旋風分離器、水洗塔出口的黑水數據見表1。

表1 氣化黑水分析數據

黑水三級閃蒸包括高壓閃蒸(0.80 MPa)、低壓閃蒸(0.25 MPa)和真空閃蒸(-56 kPa)。每級閃蒸罐氣相出口設置閃蒸汽冷凝器，3套閃蒸汽冷凝器循環水消耗體積流量約為3 000 m3/h，循環水會帶走大量黑水熱能。水煤漿氣化黑水的能量回收利用是氣化工藝節能降耗減排的重要手段之一。

2 黑水勢能利用

2.1 液力透平回收黑水勢能工藝

液力透平是目前廣泛應用的可回收流體勢能的裝置[2]，主要有液力透平發電和液力透平拖動泵兩種形式(見圖1和圖2)[3]。根據氣化現場的布置和功率匹配情況，液力透平可用于拖動激冷水泵。黑水液力透平發電，是將來自氣化爐、旋風分離器和水洗塔的3股黑水在透平端減壓并驅動電機發電，減壓后的黑水再進入蒸發熱水塔下塔。

圖1 氣化黑水液力透平發電流程

圖2 氣化黑水液力透平拖動激冷水泵流程

氣化黑水液力透平拖動激冷水泵取代了發電機直接驅動水洗塔底部黑水循環泵，向氣化爐激冷環供水。

通過流體差法計算液力透平的節能功率，理想狀態下流體減少的內能等于液力透平輸出的軸功率。通過計算黑水的內能差，可粗略計算出液力透平的輸出功率，計算公式為：

P=(Q×H×S×u)/367

(1)

其中，P為液力透平的節能功率，kW；Q為液力透平驅動流體的體積流量，m3/h；H為液力透平的揚程，m；S為液力透平驅動流體的密度，t/m3；u為液力透平的總效率。

2.2 液力透平回收黑水勢能工藝的局限

(1) 透平泵材質要求高。

一般潔凈流體液力透平葉輪可選用304不銹鋼材質，但不適用于高固體含量、成分復雜的氣化黑水。將液力透平應用于氣化黑水系統，對透平設備的材質和密封性能是嚴峻考驗。葉輪材質的選擇宜接近氣化激冷水泵葉輪材質，如2Cr13馬氏體不銹鋼。

(2) 透平出口汽化率高，能量回收不易。

氣化黑水壓力高、溫度高，黑水減壓過程中極易發生汽化現象，導致流速增加和沖刷腐蝕嚴重。為防止振動和沖刷腐蝕，一般透平設備要求介質汽化率小于5%。透平出口黑水汽化率隨透平出口壓力的變化見圖3，氣化黑水壓力從5.8 MPa減壓到0.8 MPa，透平輸出功率為545 kW，但此時透平端出口黑水汽化率達到13.96%，混合流速為22.8 m/s；調整氣化黑水從5.8 MPa減壓至2.2 MPa，透平輸出功率為392 kW，透平端出口黑水汽化率為5%，混合流速為8.5 m/s。為保證透平設備的穩定，透平出口壓力控制在2.2 MPa以上，黑水出液力透平后仍需黑水減壓閥減壓。

圖3 黑水汽化率隨透平出口壓力的變化趨勢

2.3 液力透平回收黑水勢能工藝的效益

按回收能量為392 kW、年運行7 200 h、電價 為 0.5元/(kW·h)計算，年發電量為282.24萬kW·h，年效益為141.12萬元，折減CO2排放量為1 482 t。

3 黑水熱能利用

3.1 高、低壓閃蒸汽熱能利用

三級閃蒸裝置氣化黑水溫度和熱量轉移路徑(見圖4)。溫度區間包括175 ℃(高壓閃蒸)、139 ℃(低壓閃蒸)、79 ℃(真空閃蒸)和40 ℃(循環水冷卻)，其中高壓閃蒸汽和低壓閃蒸汽溫度大于139 ℃，屬于低品位可回收熱源。目前心連心公司將高壓閃蒸汽和低壓閃蒸汽引入變換汽提塔和氣化除氧器，以替代部分0.5 MPa蒸汽，有效回收了此部分黑水的熱能。另有工廠將低壓閃蒸汽引入有機朗肯循環發電裝置或汽輪機發電裝置。

圖4 氣化黑水三級閃蒸熱量轉移路徑

3.2 低壓黑水熱能利用

出低壓閃蒸的低壓黑水(0.25 MPa、139 ℃)，進入真空閃蒸后溫度降低到79 ℃，真空閃蒸氣質量流量為35 t/h。輔助使用GE公司TransPort PT900便攜式超聲流量計測得真空閃蒸冷凝器循環水消耗量為2 042 m3/h。低壓黑水的熱量轉移進入循環水中，此部分熱能損失約為16 MW?？紤]對0.25 MPa低壓黑水熱能進行回收利用。

低壓黑水溫度為139 ℃，適合用于脫鹽水預熱，但是低壓黑水內固體(氣化灰渣)質量分數為0.4%～0.5%，硬度為600～1 000 mg/L。普通的列管式或板式換熱器都不能適應如此惡劣的工況，低壓黑水預熱脫鹽水的工藝和換熱設備至今未有報道。

得益于有機朗肯循環(ORC)技術[4]的快速發展，目前可有效回收100 ℃以上低品位余熱，在低壓閃蒸罐后增加一套φ2 300 mm×6 000 mm微正壓閃蒸罐，閃蒸壓力為0.02 MPa，可得到質量流量為20 t/h的105 ℃微正壓閃蒸汽。將此蒸汽引入ORC裝置，膨脹機發電功率達到1 000 kW以上，高壓閃蒸汽和低壓閃蒸汽富裕的少量蒸汽也可引入ORC裝置?；厥盏蛪汉谒疅崮艿墓に嚵鞒?見圖5)，此模式取消了高壓、低壓閃蒸汽冷凝器，降低了真空閃蒸冷凝器的循環水消耗。

圖5 ORC循環回收低壓黑水熱能

3.3 利用低壓黑水熱能的效益

按照回收能量為1 000 kW、當地電價為0.5元/(kW·h)計算，全年(7 200 h)的發電總量為720萬kW·h，年效益為360萬元，折減CO2排量為1 892 t。

4 結語

綜上所述，煤氣化渣水處理過程中氣化黑水的勢能和熱能都存在回收利用空間，以單套直徑為φ3 880 mm氣化爐為例，可回收黑水勢能392 kW、熱能1 000 kW，年創造效益501.12萬元。隨著液力透平、ORC等技術的日趨成熟和完善，氣化黑水還存在更大的節能空間。