結合AspenPlus軟件建模淺談氣化低壓黑水余熱利用方案

張蒙恩

（河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南新鄉 453700）

0 引 言

現代煤化工氣化裝置生產過程中會產生大量的渣水，氣化爐、旋風分離器、水洗塔底排水統稱為氣化黑水，經三級閃蒸并分離細渣后的水稱為灰水。煤氣化裝置渣水處理系統大多采用三級閃蒸工藝，高壓閃蒸氣和低壓閃蒸氣分別送變換汽提塔和除氧器回收利用，真空閃蒸氣在真空閃蒸冷凝器被循環水冷凝后再回收凝液。實踐表明，氣化黑水三級閃蒸工藝普遍存在真空閃蒸氣量大、真空閃蒸冷凝器循環水用量多、黑水余熱無法再利用的問題。

某甲醇廠氣化裝置采用多噴嘴對置式水煤漿氣化爐，氣化爐設計投煤量3000t／d，真空閃蒸冷凝器循環水用量高達2022t／h，通過Aspen Plus軟件建模分析，其原因在于進入真空閃蒸罐的低壓黑水溫度達140℃，黑水溫度遠高于真空閃蒸壓力－65kPa下蒸汽的飽和溫度，使得真空閃蒸氣量高達34.92t／h，140℃低壓黑水的低品位熱量在真空閃蒸階段被循環水移走成為無法再利用的余熱。

1 氣化黑水三級閃蒸AspenPlus軟件建模分析

氣化黑水三級閃蒸AspenPlus軟件建模如圖1（圖中：S1為水洗塔黑水，S2為旋風分離器黑水，S3為氣化爐黑水，S4為除氧器補入除氧水，S5為低壓灰水，S6為高壓閃蒸罐頂閃蒸氣，S7為高壓閃蒸氣，S8為高溫熱水，S9為高壓閃蒸罐底液，S10為低壓閃蒸氣，S11為低壓黑水，S12為真空閃蒸罐底液，S13為真空閃蒸氣，S14為渣池泵來黑水，S15為真空閃蒸冷凝器出液）。

圖1 氣化黑水三級閃蒸AspenPlus軟件建模示意圖

氣化黑水三級閃蒸工藝流程為：氣化黑水進入0.8MPa高壓閃蒸罐閃蒸，得到的高壓閃蒸氣進入熱水塔加熱低壓灰水，高壓閃蒸罐底液依次經過0.26MPa低壓閃蒸罐閃蒸和－65kPa真空閃蒸罐閃蒸后進入澄清槽沉降分離，真空閃蒸氣則在真空閃蒸冷凝器中被循環水降溫冷凝。

摘取2021年1月28日該廠的實際生產數據作為AspenPlus建模各物流輸入數據，氣化黑水三級閃蒸AspenPlus軟件模擬計算結果見表1。可以看到，模擬計算結果與實際值基本吻合。

表1 氣化黑水三級閃蒸AspenPlus模擬計算結果

另外，通過輔助測溫槍測得真空閃蒸冷凝器（E1）循環水上水溫度24.5℃、循環水回水溫度35.0℃，用便攜式流量計測得E1循環水用量為2022t／h，將E1的相關數據導入AspenEDR軟件并輸入循環水上／回水溫度，得出循環水用量模擬值為2040t／h，實際值與模擬值基本吻合，佐證了黑水三級閃蒸過程中的確存在真空閃蒸氣量大、真空閃蒸冷凝器循環水用量多的問題。因此，為降低氣化黑水三級閃蒸工藝真空閃蒸氣量及真空閃蒸冷凝器的循環水消耗，必須降低進入真空閃蒸罐的低壓黑水的溫度，即將低壓黑水的熱量通過適當的方式移出并加以利用。

2 氣化低壓黑水余熱利用方案

2.1 方案一——低壓黑水加熱低壓灰水

結合低壓黑水S11的熱量品質和各流股狀態，提出氣化低壓黑水余熱利用方案一——低壓黑水加熱低壓灰水。改造后系統工藝流程為：在低壓閃蒸罐（V1）和真空閃蒸罐（V2）之間增設黑灰水換熱器（E2），通過E2將低壓黑水溫度降至96.1℃后再進入真空閃蒸罐，同時通過E2將低壓灰水升溫至125℃后再進入熱水塔。低壓黑水加熱低壓灰水的AspenPlus軟件建模如圖2（圖中，S51為黑灰水換熱器出口低壓灰水，S111為黑灰水換熱器出口低壓黑水，其他流股同圖1）。采用低壓黑水加熱低壓灰水的余熱利用方案，可使高壓閃蒸氣量增大、真空閃蒸氣量減少，從而實現73.6℃低品位熱向174℃高品位熱的轉變。

圖2 低壓黑水加熱低壓灰水建模示意圖

低壓黑水加熱低壓灰水的余熱利用方案，各流股的AspenPlus軟件模擬計算結果見表2。可以看到，真空閃蒸氣量降低25.04t／h，高壓閃蒸氣量增加27.29t／h。模擬輸出真空閃蒸冷凝器（E1）循環水用量為576t／h（模型中E1選擇公用工程供水，上水溫度設置為24.5℃、回水溫度設置為35.0℃，模型收斂得到循環水用量；下同），與不采用方案一前循環水用量模擬值2040t／h相比降低1464t／h，而增加的174℃高壓閃蒸氣可用于替代變換汽提塔或除氧器所需的0.5MPa蒸汽，亦可用于發電。

表2 低壓黑水加熱低壓灰水AspenPlus模擬計算結果

黑灰水換熱器（E2）采用管殼式換熱器并利用AspenEDR建模，在EDR軟件中輸入黑水、灰水的相關參數，得到黑灰水換熱器（E2）的外形尺寸為φ1500mm×6000mm，其結構及性能參數見表3。需要注意的是，低壓黑水中含有0.4%～0.6% （質量分數）的細渣顆粒，會對換熱設備造成一定的沖刷腐蝕，需改進換熱列管的材質及其表面處理工藝。

表3 黑灰水換熱器結構及性能參數

2.2 方案二——低壓黑水余熱發電

隨著近年來有機朗肯循環（ORC）發電技術的日趨成熟，低品位熱源溫度高于95℃即可采用有機朗肯循環（ORC）發電。140℃低壓黑水余熱發電的模式有兩種：模式一，低壓黑水直接向工質蒸發器供熱并通過透平膨脹機發電；模式二，低壓黑水在105℃溫度下閃蒸，閃蒸氣向工質蒸發器供熱。此兩種模式中，模式一的發電量更大，但模式二之設備安全性和穩定性更好，以下對模式二進行討論。

改造后氣化黑水閃蒸系統工藝流程為：在低壓閃蒸罐（V1）后增設微正壓閃蒸罐（V3），得到105℃的微正壓閃蒸氣向工質蒸發器（E5）和工質預熱器（E4）供熱發電，微正壓閃蒸罐底液（105℃）則進入真空閃蒸罐（V2）。低壓黑水余熱發電AspenPlus軟件建模如圖3（圖中，S16為微正壓閃蒸罐底液，S17為微正壓閃蒸氣，S18為工質蒸發器出口凝液，S19為工質預熱器出口工質，S20為工質蒸發器出口工質蒸氣，S21為膨脹機出口工質，S22為工質冷卻器出口工質，S23為不凝氣，S24為微正壓凝液分離罐凝液，S25為工質預熱器低溫凝液，S26為工質泵出口工質，其他流股同圖1）。

圖3 低壓黑水余熱發電建模示意圖

有機朗肯循環（ORC）發電技術通常使用的有機工質有異丁烷和五氟丙烷，其飽和蒸氣壓隨溫度的變化趨勢如圖4。有機朗肯循環（ORC）發電過程中，有機工質不斷在工質蒸發器、膨脹機、工質冷卻器、工質泵、工質預熱器之間循環，其中，工質冷卻器出口工質相態為液相、工質蒸發器出口工質相態為氣相。

圖4 兩種有機工質飽和蒸氣壓隨溫度的變化趨勢

2.2.1 異丁烷作為ORC發電工質

以異丁烷作為ORC發電工質的低壓黑水余熱利用方案，各流股的AspenPlus軟件模擬計算結果見表4。可以看到，真空閃蒸氣量降低了21.21t／h。模擬輸出真空閃蒸冷凝器（E1）循環水用量801t／h、增設的工質冷卻器（E3）循環水用量1074t／h，即系統循環水總用量為1875t／h，與不采用方案二前循環水用量模擬值2040t／h相比凈節約循環水165t／h。

表4 異丁烷作為ORC發電工質的模擬計算結果

2.2.2 五氟丙烷作為ORC發電工質

以五氟丙烷作為ORC發電工質的低壓黑水余熱利用方案，因微正壓閃蒸過程都是105℃閃蒸，與微正壓閃蒸罐連接的各流股數據在此工況下是唯一值，即微正壓閃蒸罐底液、微正壓閃蒸氣、E4低溫凝液、真空閃蒸氣之溫度、壓力、流量等模擬計算結果同表4，同樣真空閃蒸氣量降低了21.21t／h；不同的是，以五氟丙烷作為ORC發電工質，工質冷卻器（E3）出口工質模擬計算結果為溫度44.2℃、壓力0.186MPa、流量235t／h，工質蒸發器（E5）出口工質蒸氣模擬計算結果為溫度85.2℃、壓力0.800MPa、流量235t／h。模擬輸出真空閃蒸冷凝器（E1）循環水用量801t／h、增設的工質冷卻器（E3）循環水用量986t／h，即系統循環水總用量為1787t／h，與不采用方案二前循環水用量模擬值2040t／h相比凈節約循環水253t／h。

2.2.3 兩種ORC發電工質之發電量對比

低壓黑水余熱發電利用方案，兩種ORC發電工質AspenPlus軟件建模收斂得到的數據見表5，發電量AspenPlus軟件模擬計算結果對比見表6（注：數據由軟件導出，除流股外各裝置輸出單位不一，未統計入表格）。

表5 兩種ORC發電工質AspenPlus建模收斂所得數據

表6 兩種工質發電量AspenPlus模擬計算結果對比

由表6可看出：以異丁烷作為ORC發電工質，工質循環量為144t／h，模擬輸出膨脹發電機（B1）小時發電量為1329kW·h、工質泵（P1）的功率為53kW，無其他用電設備，系統小時凈發電量為1276kW·h；以五氟丙烷作為發電工質，工質循環量為235t／h，是異丁烷循環量的1.63倍，工質循環量和工質膨脹比的增大使得五氟丙烷作為發電工質的發電量增大，模擬輸出膨脹發電機（B1）小時發電量為1860kW·h、工質泵（P1）的功率為48kW，無其他用電設備，系統小時凈發電量高達1812kW·h。

3 結束語

對氣化黑水三級閃蒸工藝使用AspenPlus軟件建模進行分析，得到投煤量3000t／d氣化爐的氣化黑水真空閃蒸氣量為34.92t／h，真空閃蒸冷凝器循環水用量為2040t／h，與實際生產數據基本相符，由此得出氣化黑水三級閃蒸工藝真空閃蒸氣量和循環水用量大的原因是進入真空閃蒸罐的低壓黑水溫度較高。為此，提出兩種可行的低壓黑水余熱利用方案。

方案一，低壓黑水加熱低壓灰水。在低壓閃蒸罐后增設黑灰水換熱器（尺寸φ1500mm×6000mm，換熱面積1048m2），低壓黑水將進入熱水塔的低壓灰水加熱至125℃，低壓黑水降溫至96.1℃再進入真空閃蒸罐。此方案可使真空閃蒸冷凝器循環水用量降低1464t／h，高壓閃蒸氣量增加27.29t／h，實現73.6℃低品位熱向174℃高品位熱的轉變，多產的高壓閃蒸氣可用于替代變換汽提塔或除氧器所需的0.5MPa蒸汽，亦可用于發電。

方案二，低壓黑水余熱發電。在氣化黑水閃蒸系統低壓閃蒸罐后增設微正壓閃蒸罐，得到105℃的微正壓閃蒸氣20.75t／h用于有機朗肯循環（ORC）發電，ORC發電工質可采用異丁烷或五氟丙烷。此方案可使真空閃蒸氣量減少21.21t／h，系統凈節約循環水用量165～253t／h；若以五氟丙烷作為ORC發電工質，小時凈發電量最高可達1812kW·h。

以上兩個低壓黑水余熱利用方案（低壓黑水加熱低壓灰水、低壓黑水余熱發電）都能產生不錯的效益，對于有蒸汽供應缺口的工廠，建議采用低壓黑水加熱低壓灰水的余熱利用方案（方案一），多產的高壓閃蒸氣可用于替代變換汽提塔或除氧器所需的0.5MPa蒸汽；對于區域電價昂貴的工廠，建議采用低壓黑水余熱發電的利用方案（方案二），ORC發電工質宜采用五氟丙烷，以獲得更高的發電量。