多元料浆气化装置闪蒸系统热回收器的优化

谢玉杰 马航 赵蒙 (.陕西延长石油兴化化工有限公司，陕西 兴平 7300；.西安元创化工科技股份有限公司，陕西 西安 7006)

0 引言

煤气化技术是现代煤化工的基础，是煤炭深加工、转化的先导技术，是优先发展的洁净煤技术。气流床气化技术是我国当前煤气化技术的主流趋势，采用粉煤或煤浆进料，与气化剂并流喷射进入气化炉，发生部分燃烧反应，熔融的灰渣以液态形式排出燃烧室，其气化炉操作温度高、气化压力高、碳转化率高、原料适应范围广[1-4]。西北化工研究院对煤气化技术进行了多年研究，开发出了多元料浆气化技术，多元料浆气化技术属于湿法加压气流床气化技术，具有我国自主知识产权。多元料浆气化技术的最大特点是生产原料与其他气体技术不同。生产中将煤、石油焦、石油沥青等含碳物质和油(原油、重油、渣油等)中的一种或多种与添加剂和水按比例优化混配，一次共磨制成多元料浆，加压后与氧气一同进入气化炉反应。该技术采用单喷嘴顶喷进料，料浆与氧气在气化炉内发生部分燃烧反应，生成的粗合成气最终进入激冷室降温。多元料浆气化技术的原料适应性广、气化指标良好、工艺设备少、装置投资少，环境友好，是新建煤化工项目的优选技术之一，已实现了广泛的工业应用[5]。多元料浆气化装置由料浆制备、料浆气化、粗煤气洗涤净化、灰水处理等系统构成，其中灰水处理系统包含了闪蒸系统，具有多级闪蒸换热技术[6,7]，简化了工艺流程，减少了设备投资[8]。

1 闪蒸系统的统现状及存在的问题

1.1 闪蒸的原理

闪蒸的原理是利用了水在不同压力下沸点的变化，根据水的三相图，液态水在如果压力如果降低至蒸发曲线以下，将变为水蒸气，具体来说就是高压且饱和的液态水，由于突然降压，水的温度高于该压力下的沸点，水在闪蒸罐中迅速膨胀气化，饱和水变成该压力下的饱和水蒸气和饱和水，根据压力饱和水还需要进一步闪蒸，一般来说煤气化操作压力越高，闪蒸的级数越多。

1.2 闪蒸系统的统现状

在多元料浆气化装置中，热回收器用于回收闪蒸气产生的热量并将灰水加热。气化炉激冷室和洗涤塔的排放黑水送往灰水系统。黑水经过闪蒸，闪蒸汽与灰水换热后分离出的气体送入变换气提塔，分离出的液体入脱气水槽脱除其中的气体，然后在泵的作用下送入洗涤塔循环使用。闪蒸后的黑水逐级浓缩后送往澄清槽，经沉淀澄清后的灰水部分送往锁斗冲洗水罐、部分送往渣池、部分送往脱气水槽，同时为了保持循环水中可溶性盐及腐蚀性离子的浓度平衡，将一部分灰水送往废水处理站进行处理。澄清后分离出的浊液经澄清槽底泵送往真空带式过滤机，进一步分离出其中的细渣，滤液返回至澄清槽。

在闪蒸系统中，闪蒸汽在热回收器中与灰水换热，一般的热回收器为U 型管式或浮头式灰水换热器，可将闪蒸气冷凝，并把进入洗涤塔的灰水加热至150℃至160℃，实现余热回收[9,10]。具体流程见图1。

图1 一级闪蒸流程图

1.3 闪蒸系统热回收器存在的问题

在实际生产过程中，多元料浆气化装置的热回收器尽管具有较多优点，但仍存在如下问题：

(1)经过长期运行，灰水中的钙镁离子容易在热回收器结垢，影响换热效率，一旦换热效率降低，会造成闪蒸气得不到有效冷凝，闪蒸罐压力升高等现象，对安全生产造成影响。

(2)高温高压灰水中含有腐蚀性介质，容易造成设备腐蚀，而闪蒸气中的酸性气体不能及时析出也会对热回收器造成腐蚀，减少设备的使用寿命。

(3)现有热回收器结构复杂，检修难度大，设备造价高。

2 热回收器的优化设计

针对现有装置的热回收器存在换热效果不好，制造成本高等缺点，提出了一种新型的热回收器。

2.1 新型热回收器的原理

该热回收器采用直接接触换热的方式，即闪蒸气和灰水在热回收器内进行直接的传质传热，与间接换热过程相比，新型热回收器不易在内部结垢，没有了管道和污垢造成的热阻，相对于现有装置的灰水换热器换热效果更好。

2.2 新型热回收器的结构

热回收器可采用碳钢制造，其结构不同于一般换热器，为一塔型容器并内置喷淋装置和塔盘构成，塔盘层数由实际工况设计确定，一般为三块。热回收器中塔盘一般为固阀式塔盘，根据现场实际也可设计为筛板式或浮阀式。新型热回收器的结构见图2。

图2 新型热回收器的结构图

新型热回收器中的固阀式塔盘正常操作条件见表1。闪蒸气的热回收过程如下：热回收器内保持一定灰水液位，闪蒸气管道向下首先进入灰水液面以下与热回收器下部温度较高的灰水进行直接接触并换热冷凝，灰水吸收了闪蒸气的潜热温度升高，并使闪蒸气进行第一步的降温冷凝；未能冷凝的闪蒸气继续上升至热回收器中部，由下向上穿过塔盘，塔盘上覆盖一层灰水，闪蒸气在塔盘上通过鼓泡方式接触换热并进一步冷凝；在热回收器上部，灰水以喷淋形式往下喷，与剩余未冷凝的闪蒸气接触，由于此时喷淋出的灰水温度较低，与闪蒸气温差大，此时换热效果较好，使闪蒸气最大化冷凝。经过以上步骤的换热，闪蒸气基本被冷凝成液体，灰水也被加热至正常操作温度，大约为150～160℃，其余不凝气从热回收器顶部排出进入后系统，加热后的灰水被泵送至洗涤塔与粗煤气进行洗涤换热。

表1 固阀式塔盘正常操作条件

3 优化后的运行效果

热回收器经过重新优化设计，运行状况良好，优化效果显著。具体表现如下：

(1)减少了热回收器内结垢，减少了热回收器的检修频率，提高了闪蒸系统运行效率。

(2)提高了热回收效率，经过换热后的入洗涤塔灰水温度有效提高。

(3)闪蒸气在较高的换热效率下能及时冷凝，减少了闪蒸气的放空，酸性气体能也及时析出，减少设备腐蚀，提高使用寿命。

(4)新型热回收器可采用碳钢制造，且设备内件较传统换热器结构简单造价低，从而可以大幅度降低装置的投资成本和运行成本。

4 结语

热回收器的优化设计，使得其结构更加简单，加强了气液接触后的换热效果，有效提高了闪蒸系统的热回收效率，减少了设备投资，减少了热设备的检修频率，延长了设备的使用寿命，提高了装置运行的稳定性。可在今后的多元料浆气化新建装置和原有装置技术改造中进行运用。