煤氣化黑水閃蒸系統超低壓蒸汽資源化利用的探索與實踐

趙 韻，文培娜

（新鄉中新化工有限責任公司，河南 獲嘉453800）

1 項目概況

某化工公司建設有一套年產30萬t的煤制甲醇裝置，其煤氣化裝置為兩臺750 t級HT-L航天粉煤加壓氣化爐，渣水處理單元采用液態排渣以及黑水兩級閃蒸系統，高壓閃蒸產生的閃蒸蒸汽去汽提塔，底部黑水減壓后排至真空閃蒸罐。正常生產期間，高壓閃蒸系統中有約250 t/h溫度為158℃的黑水通過真空閃蒸罐閃蒸出壓力為-0.05 MPa（G）、溫度為85℃左右的閃蒸蒸汽，閃蒸蒸汽量為25 t/h～30 t/h，該部分閃蒸蒸汽通過真空閃蒸冷凝器降溫至45℃后排至沉降槽，使得閃蒸蒸汽熱量被循環水帶走，未進行有效利用。

為有效利用這部分廢蒸汽的熱量，該化工公司通過新增2臺900 kW超低壓汽輪機，拖動現場原有2套長期停用的高壓異步電動機進行發電，其發出的電能通過已有的高壓電動機、高壓電纜和已有的高壓開關柜直接返送到廠用電系統，沖減廠用電，實現廢熱資源化利用。現將改造情況和運行中遇到的問題及解決方案介紹如下。

2 改造方案及運行效果

煤氣化裝置黑水閃蒸超低壓蒸汽資源化利用項目改造工藝流程示意圖見圖1。具體改造內容：在真空閃蒸罐通往原冷卻器的蒸汽管道上增加隔離閥，真空閃蒸蒸汽通過管線進入汽輪機，汽輪機排汽進入汽輪機旁邊的凝汽器，45℃的凝結水通過凝結水泵排入沉降槽中，汽輪機凝汽器配有真空泵。汽輪機凝汽器循環冷卻水利用原真空閃蒸冷卻器循環水。因真空閃蒸蒸汽夾帶大量超細煤灰顆粒，且含有硫化氫等腐蝕性氣體，該項目在實施過程中對汽輪機轉子、速關閥等關鍵部位提前進行了防腐蝕處理。

2020年10月改造完成后，該項目正式投入試運行，通過不斷優化和調整，目前基本實現穩定運行，單臺機組小時發電量達到750 kWh，沖抵自用電后凈發電量600 kWh，以年運行時間7 200 h、執行電價0.67元/（kWh）計算，2臺機組利用該蒸汽全年可實現凈發電864萬kWh，產生直接經濟效益578.88萬元。該項目改造將原來需要消耗大量循環水冷卻的劣質廢熱蒸汽通過能量轉換回收變成了可以利用的清潔電能，既實現了廢熱能量的回收利用，又緩解了真空閃蒸罐頂冷凝器長期積灰堵塞、無備用設備的運行難題，真正實現了廢蒸汽的資源化回收利用。

3 運行期間存在的主要問題及解決方案

由于該部分閃蒸蒸汽品質低、含灰量較高、含固質量濃度＞20 mg/m3，導致裝置運行過程中出現了一些問題，后通過技術攻關，逐漸得到解決。

3.1 儀表故障問題

項目前期調試過程中，由于信號傳輸問題，出現多處儀表故障，造成開機故障，包括1#汽輪機速關油站液位低停機故障、2#汽輪機主汽閥調節故障、2#凝結水泵變頻器故障不能自啟動等，通過對汽輪機組儀表故障進行全面排查，消除了信號問題，保障了汽輪機組的順利開車。

3.2 轉子裙帶積灰結垢問題

汽輪機原設計采用四級葉輪轉子，前三級是閉式葉輪，末級是開式葉輪，此類設計原本是為了提高蒸汽利用率，但實際運行時卻存在問題。1#汽輪機在調試24 h后停機檢查并消缺，處理完再次恢復開車期間，汽輪機沖轉時振動大，轉速未過臨界值就出現振值高聯鎖跳車，經停機拆缸檢查發現前三級葉輪裙帶積灰結垢嚴重，均是黑水閃蒸蒸汽中夾帶的細灰在離心力作用下粘黏在裙帶上所致，由于積灰不對稱和灰垢部分脫落，導致轉子動平衡被破壞，沖轉時就發生振值異常，轉速無法通過臨界值。

解決初期，嘗試采用15 MPa高壓射流水沖洗轉子裙帶，但由于裙帶傾角問題，沖洗效果不明顯，后采用人工逐一清理。清理后回裝轉子進行沖轉測試，轉速能夠順利通過臨界值，但振值仍偏高，基本保持在40 μm及以上（跳車聯鎖值在70 μm），發電機投用后振值最低降為19 μm。

為了徹底消除轉子裙帶積灰結垢的問題，隨后對兩臺汽輪機轉子進行了返廠改造，取消前三級葉輪裙帶，并重新做動平衡。改造后通過運行測試，發現實際發電效率未見明顯下降，且不再發生裙帶積灰結垢的問題。

3.3 積灰對速關閥運行造成不利影響的問題

速關閥組合件專門為電液保護系統所設計，主要包括供油裝置、液壓蓄能器、電磁控制閥、機械控制閥、安全溢流閥、液位計、顯示和控制儀表以及管路附件等，可以最大限度地為汽輪機的正常運行提供安全保障。當汽輪機組故障信號出現時，速關油壓失壓，速關閥將在0.5 s內迅速關閉，切斷進汽管道，防止發生安全事故。

原設計汽輪機為雙進汽管路，一路為電動閥門控制，一路為手動閥門控制。開車初期，為便于調控分配蒸汽汽量，主要采用電動閥門調節進汽量，手動閥門未投運。在2#汽輪機停機過程中，發現速關閥發生未完全關到位的異常情況，后拆檢速關閥，發現手動閥門側進汽管道和速關閥軸承處均積灰嚴重，導致速關閥未能徹底關閉。該現象同樣出現在1#汽輪機。

為解決該問題，一是對速關閥本體進行改造，引0.5 MPa低壓蒸汽至速關閥軸承處，運行期間利用蒸汽吹掃軸承，確保軸承處不積灰，速關閥動作靈活不卡澀；二是在汽輪機運行期間，將手動進汽側閥門最小保持20%開度，確保蒸汽穩定流動，進汽管道和速關閥腔不發生積灰現象；三是定期開展速關閥在線開關試驗，兩套速關閥分別進行，確保汽輪機組的穩定運行。

3.4 黑水系統熱負荷大幅波動的問題

1#汽輪機在氣化爐單爐停車后恢復生產過程中發生跳車事故，原因為氣化爐投煤后黑水系統熱負荷驟升，閃蒸蒸汽量突變帶水引起汽輪機組振值高聯鎖跳車，加之汽輪機跳車后速關閥未能徹底關閉（此時1#汽輪機速關閥和轉子尚未改造），進而引發持續振動，導致潤滑油進油管路上就地壓力表松動脫落，發生跑油事故，最終由于潤滑油供油不足造成汽輪機燒瓦；此外，持續的劇烈振動還導致汽封、轉子拉缸等設備損壞事故的發生。

經過分析，發生該起事故的根本原因在于黑水系統熱負荷大幅波動。為避免此類情況發生，在超低壓發電汽輪機組運行期間遇到氣化爐單爐開停車時，發電機組需采取降負荷方式運行，避免引起波動，并手動將超低壓蒸汽緊急放空閥打開，汽輪機進汽閥門開度關小至15%，防止氣化爐在投煤后黑水閃蒸蒸汽量出現大幅波動引起汽輪機跳車。待氣化爐投煤升至高負荷運行1 h后，再逐步打開汽輪機進汽閥門，觀察汽輪機振值、軸瓦溫度、繞組溫度、排汽壓力變化，如無異常，緩慢恢復汽輪機發電系統至正常負荷。

3.5 細灰沉降系統溫度偏高對循環灰水水質造成不利影響的問題

運行初期，由于兩臺超低壓汽輪發電機組處于調試階段，不能同時連續穩定運行，導致在氣化爐雙爐高負荷運行工況下無法實現全部黑水閃蒸蒸汽回收，引起真空閃蒸系統壓力超出正常工作壓力（-20 kPa），最高達到40 kPa，繼而導致細灰沉降系統水溫偏高，不利于細灰沉降，循環灰水水質濁度上升，給氣化爐系統的穩定運行帶來一定影響。通過后期調整，兩臺超低壓汽輪發電機組陸續進入穩定運行階段，這一現象得到明顯改善。

4 超低壓汽輪發電機組運行負荷的影響因素

引起機組發電負荷波動的因素較多，黑水閃蒸系統的壓力、溫度、組分的變化、氣化系統運行質量等都會引起發電負荷的波動。運行實踐發現，影響超低壓汽輪發電機組負荷的直接因素是汽輪機進汽與排汽的壓差，壓差越大，能量轉化越多，發電負荷就越高，而影響汽輪機前后壓差變化的因素主要體現在以下幾個方面。

4.1 循環冷卻水流量

循環冷卻水流量直接影響凝汽器的真空度，流量大則換熱效果好，真空泵負壓可以保證，若出現循環水流量降低的情況，則真空泵負壓難以維持，汽輪機做功較差，發電功率降低。通過實際測量，目前循環冷卻水流量在500 m3/h左右，不足以維持兩臺超低壓汽輪發電機組滿負荷運行，需對循環冷卻水進行改造，提升循環冷卻水流量，提高循環水流速。

4.2 超低壓閃蒸系統壓力

超低壓閃蒸系統壓力是影響汽輪機發電負荷的重要因素之一，閃蒸蒸汽壓力高則汽輪機前后壓差增大，汽輪機做功較好，發電負荷較大，因此維持閃蒸壓力穩定極為關鍵。原設計中撈渣機、沉渣池的低溫灰水間斷性進真空閃蒸系統，該股灰水溫度約為45℃，其在入口和高壓閃蒸黑水混合后進入真空閃蒸系統，對于真空閃蒸系統起到降壓降溫作用，不利于真空閃蒸系統壓力的穩定。后通過技改，將該股灰水切回沉降槽，確保了真空閃蒸壓力的穩定。

4.3 真空泵運行質量

排汽壓力直接影響到汽輪機的壓差，影響發電負荷，而排汽壓力與真空泵的運行負荷和凝汽器的效率密切相關。為提高真空泵的抽空能力，在現有水環真空泵的基礎上，串聯一臺羅茨真空泵，通過運行發現，羅茨真空泵安裝后，負壓從-90 kPa降至-95 kPa，排汽壓力略有下降。

4.4 黑水系統循環流量

黑水系統循環流量對超低壓閃蒸系統影響較大。在氣化爐開車初期，由于氣化爐壓力較低，其外排黑水需進壓力較低的真空閃蒸系統建立水循環，待氣化爐負荷提升至0.5 MPa后切向高壓閃蒸系統。當系統水循環流量較大時，會造成真空閃蒸蒸汽量減小，進而造成發電負荷波動且較低。在氣化爐系統建立真空閃蒸系統循環期間，最直觀的表現是排汽溫度可以從49℃升高至79℃，且波動較大。排汽溫度升高，現場真空泵排出氣體溫度較高，隨之排汽壓力升高，發電機的負荷也隨之降低。

4.5 黑水系統熱負荷

黑水系統熱負荷對發電負荷的影響主要體現在氣化爐開停車階段。氣化爐投煤后熱負荷逐漸增大，閃蒸蒸汽量隨之增加，發電負荷也隨之上漲。但氣化爐熱負荷增大的同時，閃蒸蒸汽會存在水沫夾帶現象，需防范對汽輪機組穩定運行造成影響。

4.6 黑水中溶解的不凝氣

從氣化爐排出的高溫高壓黑水中溶解有一定的CO2、H2S、CO、H2、N2、CH4等氣體，在兩級閃蒸過程中，這些氣體會隨著閃蒸蒸汽進入汽輪發電機組，這些不凝氣對汽輪機的排汽壓力帶來不利影響。如果真空泵最大負荷不足以抽取不凝氣量，則發電負荷會下降，所以分析計算溶解在黑水中的不凝氣量以及真空泵能力的選擇也十分重要。

5 結 語

在水激冷流程氣流床煤氣化系統中，主要的能量損耗是黑水閃蒸系統，在閃蒸系統上增加能量清潔轉換系統，可充分利用廢熱，提高煤氣化的能源綜合利用效率，實現煤炭資源的減排增效。

煤氣化黑水閃蒸超低壓蒸汽資源化利用項目改造達到了預期目標，取得了良好的經濟效益和社會效益，兩臺汽輪機發電機組每小時凈發電量達到1 200 kWh，以年運行時間7 200 h、執行電價0.67元/（kWh）計算，該項目每年產生的經濟效益可達578.88萬元。煤氣化裝置黑水閃蒸超低壓蒸汽資源化利用項目的成功實施，是行業首次將真空閃蒸蒸汽通過超低壓汽輪機拖動異步電動機發電技術進行利用，實現了能量的有效轉換，把原本需要冷卻降溫的劣質閃蒸蒸汽轉換成了清潔電能，既回收了熱量，實現了真空閃蒸蒸汽的資源化利用，又達到了替代原真空閃蒸系統的目的，可實現故障狀態下的應急切換，提高了煤氣化裝置整體穩定運行的能力，有廣闊的應用前景，具有一定推廣價值。