煤化工企业副产蒸汽利用状况分析及优化措施

成宏伟，柳永兵，宋淑群

（陕西未来能源化工有限公司，陕西榆林 719000）

0 引 言

在煤化工企业，蒸汽不仅作为化学反应、换热、汽提等生产过程工艺用汽，而且随着装置大型化、节能化发展，蒸汽更多地作为汽轮机的汽源，用以拖动大型压缩机、泵、风机等转动设备，实现整个生产系统的节能降耗。

通常情况下，煤化工装置均设置有热电站，其作用主要有两方面：一是为整个系统原始开车及正常生产提供蒸汽，满足生产所需；二是兼顾发电，以满足或补充企业生产用电负荷，降低生产成本。在兼顾发电的情况下，整个热电站主要采取 “以热定电”的运行模式，即热电站主要任务是为后续系统提供各压力等级的工艺用汽，在蒸汽负荷允许的情况下再附带发电，平衡企业的用电负荷。此外，据煤化工企业的特点，在生产系统正常运行后，部分装置会副产大量蒸汽，副产蒸汽将补充到各压力等级蒸汽管网中参与系统生产，如此一来，副产蒸汽会极大缓解热电站锅炉的负荷，一般通过降低锅炉负荷或者提高发电负荷来平衡蒸汽供需，同时蒸汽冷凝液的回收利用也是保证生产装置水平衡的重要环节。因此，煤化工企业整体蒸汽供需平衡，既要确保源头汽源的稳定供应，又要兼顾副产蒸汽的回收利用，做到统筹协调，避免源头高压蒸汽供应紧张而副产蒸汽 （尤其是低品位蒸汽）富余甚至放空情况的出现。

1 煤化工企业副产蒸汽来源

1.1 原料气降温放热

无论是煤制甲醇、煤制合成氨、煤制天然气、煤 （经甲醇）制烯烃，还是新型煤间接制油项目等，其原料气均由煤气化系统产生，而煤气化系统产生的粗煤气需经过除尘、降温、变换、脱硫、脱碳等工艺过程才能满足后续系统生产的需要。常用工艺中，原料气的降温一般采用粗煤气 （约220℃）与脱盐水在废热锅炉中进行热量交换，在保证粗煤气温度满足后续系统生产所需的同时副产不同压力等级的蒸汽并入蒸汽管网。

1.2 变换反应放热

在煤化工企业中，当气化炉采用水煤浆气化炉或粉煤气化炉时，由于气化炉的操作温度较高，所产的粗煤气H2／CO一般小于1，为调节粗煤气的H2／CO，满足后续系统对原料气成分的要求，一般均要通过变换炉使粗煤气中的CO（部分或全部）与水蒸气 （在催化剂的作用下）发生变换反应，由于变换反应为可逆放热反应，因此，会回收变换反应热副产蒸汽 （或将低品位饱和蒸汽过热为过热蒸汽以满足生产所需），副产的蒸汽并入整个装置蒸汽管网。

1.3 甲醇等合成反应放热

甲醇等合成反应器的类型很多，可按物料相态、床型、反应气流向、冷却介质等分类，因CO加氢合成甲醇的反应为强放热反应，对于轴向反应器、径向反应器、轴径向反应器，多利用加压饱和水移走反应热副产蒸汽，副产的蒸汽并入蒸汽管网。

1.4 费托合成反应放热

费托合成反应是在催化剂作用下的强放热反应，1m3合成气转化时大约能释放出2500k J的热量，生产中需要及时将热量从反应区移走，以保护反应器及催化剂。一般均选择高压锅炉水作为移热载体，高压锅炉水通过泵送入反应器中的冷却盘管，部分蒸发后，汽水混合物进入汽包进行汽水分离，炉水继续参与冷却循环，蒸汽则在汽包内分离后并入蒸汽管网。

1.5 余热锅炉 （蒸汽过热炉）副产蒸汽

煤化工装置生产过程中会副产部分燃料气（弛放气），主要成分为H2、CO、CH4等，热值一般在3000～4000kcal／m3，副产的燃料气除气化炉 （烘炉）、蒸汽过热炉、尾气焚烧炉等自用外，多余的一般用于蒸汽过热炉，以将低品位蒸汽加热副产高品位蒸汽；或用于燃气发电装置，利用燃气轮机排烟余热 （温度450～550℃）加热配套余热锅炉炉水，副产蒸汽拖动汽轮机发电（IGCC）或并入蒸汽管网。

1.6 其他装置副产蒸汽

不同产品煤化工装置工艺路线有所不同，副产蒸汽还有其他途径，但通常情况下均是为满足生产所需，即为保证装置工艺指标等采用间接换热设备而副产的蒸汽，比如化工尾气焚烧炉配套的蒸汽发生器等。

2 煤化工企业副产蒸汽品质

2.1 保证副产蒸汽品质的重要性

煤化工装置中，通常设置有大量废热锅炉，其结构多为列管式，利用工艺介质与锅炉水间接换热的方式副产蒸汽，一旦换热器因设计、选材、制造、操作、水质等方面的原因发生泄漏，工艺介质就会直接进入副产蒸汽系统，如H2、CO、H2S等，这些气体随之会进入整个蒸汽管网，而蒸汽无论是作为工艺用汽还是汽轮机汽源，工艺介质的漏入对生产系统的影响均很大，而一旦工艺介质随蒸汽进入汽轮机，对汽轮机真空度的影响极大，危及设备的安全、稳定运行；同时，蒸汽冷凝液系统也会受到污染，冷凝液部分水质指标超标，循环进入锅炉、换热器等生产设备，会加剧设备腐蚀，形成恶性循环。此外，泄漏的易燃易爆气体在塔、储罐、管网等相对密闭空间积聚到一定程度，遇到明火时还可能发生爆炸或造成人员中毒等。因此，必须加强副产蒸汽品质的监管，以确保整个系统的安全、稳定运行。

2.2 副产蒸汽品质指标

目前，尚未有对煤化工企业废热锅炉等副产蒸汽品质的明确规定，但副产蒸汽并入生产系统蒸汽管网通常参照热电站蒸汽品质来监控执行（见表1）；同时，结合化工行业换热器等设备的结构特点，应通过进出换热器工艺介质压力、温度及汽轮机真空度等工艺参数，或直接通过蒸汽品质分析数据，分析判断蒸汽系统蒸汽的品质。

表1 热电锅炉产蒸汽品质指标

3 副产蒸汽利用状况

随着科技的发展以及节能降耗观念的深入人心，煤化工企业在副产蒸汽利用上也有了较大的改观，副产的高品位蒸汽直接并入生产系统，低品位蒸汽、乏汽、冷凝液等回收利用措施日益完善。但纵观行业整体情况，依然存在副产蒸汽尤其是低品位蒸汽利用不充分乃至直接放空的情况，造成较大浪费。目前，副产蒸汽主要利用方式为拖动汽轮机发电，但因自备电厂发电上网准入门槛提高及投资等方面的原因，部分企业低品位蒸汽直接排放现象屡见不鲜。因此，合理分配、利用副产蒸汽成为煤化工企业节能降耗的重要环节。而煤化工企业副产蒸汽利用不充分的原因主要有以下几个方面。

3.1 工艺设计不合理

对于煤化工企业，热力系统技术路线设计是平衡好蒸汽供需的前提和基础。高品位蒸汽，利用途径较为广泛，如用于拖动汽轮机带动大型机泵、发电机等，整体效率高，节能效果明显，且高品位蒸汽可通过减温减压装置调整、补充到下游蒸汽管网中，运行方式灵活，操作弹性大。因此，煤化工企业应尽可能保证高品位蒸汽的产出，这样一来，整体系统的调整空间大，系统节能效果也明显。但当工艺设计不合理时，尤其是热力平衡计算考虑不全面时，会出现高品位蒸汽不足而低品位蒸汽富余甚至直接排放的局面。因此，设计中应遵循分级平衡原则，重点考虑前端热量回收，尽可能多地产出高品位蒸汽，相应减少低品位蒸汽产出，以保证各等级蒸汽的充分回收利用。如水煤气变换工段，据入工段水煤气温度较高的特点，在满足工艺介质温度需求的前提下，应尽可能移走较多热量，产生较多高品位蒸汽，避免低品位蒸汽产出过多。

3.2 设备选型不匹配

在设备选型方面，应根据热量平衡计算，遵循分级回收利用的原则，注重过程控制，据副产蒸汽的等级，除满足正常生产需要外，尽量通过其他装置回收利用，不过多地向下一级管网补充，这样做，一是避免运行方式不经济、调节繁琐、不易控制，二是避免加重下级蒸汽管网供需平衡负担，以免最终治标不治本。而实际生产中，部分企业由于对重点副产蒸汽装置副产的蒸汽利用考虑不周或设备选型不当，造成副产蒸汽未能充分回收，只能通过下级管网来予以调整，最终造成低品位蒸汽过剩，不能被完全消化吸收甚至直接排放。因此，应根据副产蒸汽等级，配套选用相应的设备，逐级平衡蒸汽供需，最终实现整个蒸汽系统的平衡。

3.3 运行及操作方式有待改进

煤化工企业蒸汽管网较为复杂，一般均设置有多个不同压力等级的管网，管网之间通过减温减压装置或背压式透平机组等方式联通。由于整个生产系统中蒸汽用户较多，每个用户的调整都有可能影响整个管网的控制，因此，调整过程中应统筹协调、有序衔接、分清主次，优先保证蒸汽用量较大、指标控制较严格的装置或设备。而实际生产中，部分企业在蒸汽系统的调整中顾此失彼、不分主次，不能做到动态平衡，尤其是在系统负荷波动或异常情况下，存在多重调节现象，最终导致整个蒸汽管网供需紊乱，各级管网蒸汽工艺指标都得不到保证，继而出现部分工段蒸汽用量紧张而部分工段蒸汽富余的状况。

4 优化改进措施

4.1 优化蒸汽管网调整方式

通常情况下，在系统开车初期，整个系统汽源均由热电站供应，为满足各装置对不同压力等级蒸汽的需求，不同压力等级管网之间设置有减温减压站，而且，开车初期由于没有副产蒸汽，热电站锅炉负荷较高，这就对热电站锅炉的稳定运行提出了较高要求；随着后续系统的正常开车，系统逐步有了副产蒸汽，副产蒸汽并入生产系统后，热电站锅炉负荷得到减轻，通过减温减压站向下级管网补充蒸汽的量也相应减少；待后续系统满负荷运行后，副产蒸汽量达到最大，此时减温减压站仅供少量蒸汽甚至可以退出运行，保持热备状态即可，这种情况下，副产蒸汽量在满足生产的同时抑或有剩余，此时可将富余蒸汽附带用于发电或用于其他装置，以利节能降耗。在蒸汽管网调整过程中，应统筹协调、有序衔接、统一集中调整，避免分级管控，同时根据各管网工艺方面的要求，超前调整并兼顾上下游管网。比如减温减压站的调整，某级蒸汽管网波动时，在调节上级管网补充汽量的同时还应调节下级管网 （如图1），如单一调节某级管网，会造成系统波动较大甚至失控。简言之，蒸汽管网平衡操作应有序、适度、及时。

图1 煤化工企业蒸汽管网分级示意图

4.2 加大副产蒸汽回收利用

4.2.1 低品位蒸汽转化为高品位蒸汽利用

低品位蒸汽回收利用对于煤化工企业整体节能降耗来说意义重大。在副产低品位蒸汽较为充足或富余的情况下，可考虑将其转化为高品位蒸汽，具体而言，可利用已有装置如蒸汽过热炉、余热锅炉等，或者可在燃煤锅炉烟气侧增设过热器，回收余热以将低品位蒸汽过热；同时，蒸汽过热炉、余热锅炉还可统筹考虑回收利用煤化工装置副产的弛放气，在过热低品位蒸汽的同时回收利用其他富余介质。

4.2.2 用于汽轮发电机组发电或拖动转动设备

无论是出于安全运行考虑还是提高热效率考虑，近年来低品位热能用于汽轮发电机组取得了长足发展，汽轮发电机组技术、选材也日趋成熟、可靠；同时，余热回收利用也是国家大力倡导的节能措施。目前，国内已有若干台套低品位补汽汽轮发电机组，企业可通过对现有余热发电汽轮机进行改造，增加补充低品位蒸汽系统，以增加原机组发电量并回收蒸汽冷凝液，一举两得；或者用余热发电汽轮机拖动机泵、风机等转动设备，企业可根据蒸汽供需平衡情况增加相应的设备或实施节能改造。

4.2.3 用于螺杆膨胀机发电或拖动设备

螺杆膨胀机是依靠气体体积膨胀驱动螺杆转子旋转而将热能转换为机械能的一种机组，可直接驱动发电机，也可直接拖动机泵、风机等。螺杆膨胀机既广泛适用于低品位蒸汽，又适用于饱和蒸汽，煤化工企业的低品位蒸汽完全可利用螺杆膨胀机予以回收利用。

4.2.4 用作溴化锂制冷机组热源

溴化锂吸收式制冷机组是以溴化锂溶液为吸收剂、水为制冷剂，利用水在高真空中蒸发吸热达到制冷目的的制冷设备。在整个溴化锂制冷机组中，蒸发后的冷剂——水蒸气会被溴化锂溶液吸收，溶液逐渐变稀，这个过程是在吸收器中发生的，可以蒸汽为介质，将溴化锂溶液加热使其水分分离出来而变浓，而发生器中得到的蒸汽在冷凝器中凝结成水，如此循环，达到连续制冷的目的，如此一来，低品位蒸汽作为溴化锂制冷机组的热源得以回收利用。

5 结束语

随着煤化工装置的大型化、节能化发展，蒸汽作为公用工程关键物料之一，其系统会越来越复杂，供需平衡会更加重要。而随着蒸汽供需平衡调节措施的不断完善和副产蒸汽 （尤其是低品位蒸汽）回收利用技术的不断发展，只要企业从实际情况出发，认真从工艺设计、设备选型等源头工作着手，注重过程控制，同时合理利用节能技改技术，就一定能保证煤化工企业蒸汽管网系统的更经济、更稳定运行，进而为整个工艺装置的降本增效打下坚实的基础。