HT-L气化装置真闪气余热利用技改小结

郭志强

(新乡中新化工有限责任公司，河南 获嘉 453800)

0 引 言

新乡中新化工有限责任公司(简称中新化工)200 kt/a煤制甲醇项目气化装置采用HT-L粉煤加压气化工艺(现阶段2台航天炉运行)，HT-L气化装置渣水处理系统采用高压闪蒸+真空闪蒸二级闪蒸工艺，主要处理洗涤塔和气化炉的外排黑水，黑水经高压闪蒸罐(简称高闪罐)产生的闪蒸气(简称高闪气)去汽提塔，高闪罐底部黑水(流量约250 t/h、温度约158 ℃)减压后排至真空闪蒸罐(简称真闪罐)进一步处理，真空闪蒸出的气体(简称真闪气，压力约0.05 MPa、温度约85 ℃)经真闪冷却器冷却后尾气由真空泵抽真空放空，真闪罐底部黑水排入沉降槽中通过添加絮凝剂促使其中的可溶性悬浮物等沉降，固液分离并经初步处理后的灰水大部分经除氧器除氧、汽提塔汽提后返回系统循环使用，细灰抽滤后形成的滤饼外运处理。

其中，真闪气通过真闪冷却器降温至45 ℃以下后形成的冷凝液排至沉降槽，真闪冷却器需要用循环水作为冷却介质，消耗大量的循环水，真闪气的热量未能得到有效利用。为此，在充分调研与分析的基础上，结合青岛华捷汽轮机有限公司超低压汽轮机的应用业绩，中新化工决定将真闪气通过管道引入超低压汽轮机，汽轮机拖动异步发电机发电，所发电能返送电网冲减厂用电，由此使真闪气余热可以得到充分利用。以下对有关情况作一简介。

1 项目研究的意义

中新化工HT-L气化装置真闪气直接送真闪冷却器冷却，一方面会造成真闪气余热损失，增加系统循环水消耗；另一方面，由于真闪气冷凝液水质较差，长此以往易造成真闪冷却器堵塞、换热效果差，影响整个灰水系统的长周期、稳定运行。据了解，同类型气化装置真闪气余热均未得到有效利用。

经测算，如果将250 t/h、158 ℃的灰水(高闪罐底部黑水)予以适当闪蒸，可以产生0.09 MPa饱和蒸汽约28 t/h，将此0.09 MPa蒸汽导入超低压汽轮机拖动异步电动机做功，小时发电量可达1 257 kW·h，不仅真闪气余热可得到充分利用，而且可降低系统循环水消耗。

2 气化黑水闪蒸过程中的物料衡算

2.1 高压闪蒸系统物料衡算

中新化工气化装置(单台气化炉)高压闪蒸系统的黑水，一部分来自气化炉(设计为120 t/h)，一部分来自洗涤塔(设计为30 t/h)，2台气化炉共300 t/h的黑水送至高压闪蒸罐，通过闪蒸，黑水温度由200 ℃降至158 ℃，压力由3.8 MPa(绝压，下同)降至0.6 MPa。据有关物性表，水的比热容c水=4.18 kJ/(kg·℃)，水在200 ℃下的液体焓为851.84 kJ/kg、水在158 ℃下的液体焓为639.59 kJ/kg，158 ℃下饱和蒸汽焓为2 752.8 kJ/kg，据能量守恒与质量守恒定律，计算可得300 t/h的黑水高压闪蒸后的蒸汽量为30 t/h、高压闪蒸后的凝液量为270 t/h，即300 t/h、3.8 MPa黑水通过高压闪蒸罐可闪蒸分离出0.6 MPa蒸汽30 t/h、0.6 MPa黑水270 t/h。

2.2 真空闪蒸系统物料衡算

高闪罐底部约270 t/h黑水进真闪罐闪蒸，其温度由158 ℃降至98 ℃，压力由0.6 MPa降至0.09 MPa。据有关物性表，水在158 ℃下的液体焓为639.59 kJ/kg、水在98 ℃下的液体焓为402.23 kJ/kg，98 ℃下饱和蒸汽焓为2 670.96 kJ/kg，据能量守恒与质量守恒定律，计算可得270 t/h的高闪罐底部黑水真空闪蒸后的蒸汽量为28 t/h、真空闪蒸后的凝液量为242 t/h。

3 真闪气余热利用的可行性分析

据上述真空闪蒸系统物料衡算，理论上可闪蒸出0.09 MPa低压蒸汽28 t/h，该蒸汽流量相对稳定，理论上可以驱动超低压汽轮机带动发电机发电，基于此核算发电量，分析真闪气余热利用项目的可行性。

与超低压汽轮机厂家(青岛华捷)协作，此工况下汽轮机排汽压力可达20 kPa。依据有关物性表，0.09 MPa、98 ℃蒸汽的比熵为7.4 kJ/(kg·K)、比焓为2 670.96 kJ/kg；60 ℃、20 kPa排汽在比熵7.4 kJ/(kg·K)下的比焓为2 440.05 kJ/kg，多级汽轮机的热效率η为0.7，0.09 MPa蒸汽流量(V)为28 t/h，则汽轮机的功率P=(H进-H排)×V×η=(2670.96-2440.05)×28×1000×0.7=4 526×103kJ/h，折合1 257 kW(1 kW=3 600 kJ/h)。

粗略分析表明，理论上28 t/h的闪蒸蒸汽驱动超低压汽轮机做功每小时可以发电1 257 kW·h，电价以0.58元/(kW·h)、年运行时间8 000 h计，全年可创造效益约583万元，如此一来，真闪气的余热可得到利用并可创造不错的经济效益。该真闪气余热利用技改项目，设备简单，仅需增设1台超低压汽轮机发电机组及相关管线等，发电机采用三相异步电机，总投资约300万，项目投资回收期短、见效快。

4 真闪气余热利用项目概况

4.1 改造后系统工艺流程

在真闪冷却器入口管线上增设阀门将其隔离(备用)，真闪气不再流向真闪冷却器，将真闪气(蒸汽)引至全凝式汽轮机，汽轮机带动发电机发电，产生的冷凝液通过凝液泵送至沉降槽；在真闪罐出口气相管线上设置紧急放空阀，用于汽轮机故障时的紧急放空。真闪气余热利用项目实施后，可利用超低压汽轮机组系统替代真空闪蒸冷凝和抽真空系统，可实现故障状态下的应急切换，实现真空闪蒸系统的“一开一备”，确保气化装置的稳定运行。

4.2 真闪气余热利用项目运行情况

中新化工真闪气余热利用项目于2021年2月投运，迄今已连续稳定运行1 a有余，超低压汽轮机运行平稳，智能化程度高，真空闪蒸系统操作压力0.09 MPa，真空闪蒸系统真空泵停运，真闪分离效果得到改善；2台汽轮机发电机组小时净发电量达900 kW·h(汽轮机辅助设备小时耗电量约100 kW·h，停运的真空闪蒸系统真空泵小时耗电约100 kW·h，互相冲抵)，按汽轮机年运行时间7 200 h、电价0.58元/(kW·h)计，每年产生的经济效益为375.84万元(不包括设备折旧与运维费用等)。

由于真闪气(负压闪蒸蒸汽)含有较多的细灰，作为汽轮机用汽，其品质较差，超低压汽轮机运行初期存在工况不稳定的问题，采取将汽轮机转子改造为无裙带转子等优化措施后，解决了汽轮机转子积灰结垢的问题；同时，在汽轮机进口增设低压蒸汽冲洗管线，在汽轮机停车过程中利用低压蒸汽冲洗汽轮机和凝汽器2～4 h，可起到很好的防垢作用。中新化工超低压汽轮机组的稳定运行开创了业内“低品位蒸汽”(真闪气)利用的先河，起到了很好的示范作用。

5 结束语

HT-L粉煤加压气化装置渣水处理单元主要的热能损耗在于闪蒸系统，中新化工在真空闪蒸系统增设余热发电系统，避免了常规的真闪气利用循环水降温而造成的热量浪费，成功回收了真闪气的热量，避免了资源浪费，利用真闪气(负压闪蒸蒸汽)驱动汽轮机继而拖动异步电动机发电，提高了气化装置的能源综合利用率，实现了系统的减排增效，可为企业带来良好的经济效益和社会效益，这在HT-L粉煤加压气化装置尚属首次，开启了粉煤气化装置真闪气余热利用的新篇章，对粉煤加压气化装置与水煤浆加压气化装置均有参考与借鉴意义，具有良好的应用前景。此外，中新化工气化装置真闪气余热利用项目的实施，实现了超低压汽轮机组系统替代原真空闪蒸冷凝和抽真空系统，故障状态下超低压汽轮机组系统可与原真空闪蒸冷凝和抽真空系统应急切换，提高了气化装置运行的稳定性。