Discussion on Waste Heat Recovery and Utilization of Flash Evaporation System of WHG Pulverized Coal Gasification Unit
Abstract：
During the three-stage flash evaporation cooling process of the black water in the WHG pulverized coal gasification unit, only part of the heat from the high pressure flash evaporation and low pressure flash evaporation can be recycled. The remaining low level heat energy cannot be recycled, but also needs to be cooled through the cooler, which cannot meet the requirements of energy conservation and consumption reduction. By adding a waste heat recovery device, the black water after low pressure flash evaporation is introduced into the high efficiency heat exchanger to recover the low level heat energy. The heated hot water is used for municipal heating. While turning waste into treasure, the purpose of energy conservation and consumption reduction is realized.
河南龙宇煤化工有限公司二期煤气化装置选用五环炉煤粉加压气化工艺，采用上行气激冷流程，以干煤粉和纯氧为原料，在高温(1 350~1 650 ℃)、高压(3.5~4.0 MPa)、非催化条件下进行不完全氧化还原反应，生成的粗合成气中主要成分CO、H2的体积分数大于88%。粗合成气的后续净化处理采用激冷气激冷+激冷罐水浴+文丘里雾化+湿洗塔洗涤的三级降温除尘流程，通过两级水浴洗涤来保证出气化装置的粗合成中灰尘的质量浓度小于1 mg/m3[1]。在正常运行过程中，由气化炉激冷罐及湿洗塔排出的高温高压黑水，经三级闪蒸减压降温及絮凝沉降完成固液分离后，指标符合要求的灰水在灰水循环泵的作用下，重新返回气化炉和湿洗塔中循环使用。
为满足后系统对有效气的需求，二期煤气化装置设计配置2套气化炉，每套气化炉对应1套闪蒸系统，每套闪蒸系统分为三级闪蒸，即高压闪蒸、低压闪蒸和真空闪蒸，对气化炉激冷罐和湿洗塔排出的黑水进行降温、热量回收、酸性气解吸、黑水中固体浓缩。在闪蒸过程中，仅在高压闪蒸和低压闪蒸能回收利用部分热量，剩余的大部分热量只能采用冷却水换热器进行降温，以满足澄清槽絮凝沉降对水温的要求，造成大量的低位热能无法回收利用，并消耗大量的循环冷却水，无法满足节能降耗的要求，同时增加了生产成本，不利于节能减排及可持续发展[2]。
1
闪蒸系统工艺流程简述
来自激冷罐和湿洗塔的含灰量较大的黑水，经黑水角阀减压闪蒸后进入高压闪蒸罐，高压闪蒸罐压力通过压力调节阀控制在0.6 MPa。高压闪蒸后的黑水分成气液两相，气相经减湿器和高压闪蒸气冷却器减湿冷却至90 ℃后进入高压气液分液罐, 从顶部出来的酸性气体(含有CO、H2、H2S、NH3等)送往硫回收装置或放空至火炬, 底部分离出来的冷凝液送往除氧器；液相(含固体的低压黑水)经黑水角阀减压后进入低压闪蒸罐进行二次闪蒸，低压闪蒸罐压力通过压力调节阀控制在0.15 MPa。低压闪蒸后的灰水分成气液两相，气相去除氧器，液相去真空闪蒸罐进一步进行真空闪蒸，真空闪蒸压力通过压力调节阀控制在-0.05 MPa。真空闪蒸后的黑水分成气液两相，气相经真空闪蒸气冷却器冷却后去真空气液分离罐, 从顶部出来的酸性气体经真空泵放空, 从底部分离出来的冷凝液经真空闪蒸冷凝液泵送往除氧器；液相经真空闪蒸灰水泵在真空闪蒸灰水冷却器降温至50 ℃以下送往澄清槽。闪蒸系统工艺流程见图 1。
图 1
2
闪蒸系统余热回收利用价值分析
目前，每套气化炉的激冷罐和湿洗塔排放黑水量分别为300、100 m3/h，温度分别为200、180 ℃，经黑水角阀减压后依次进入高压闪蒸罐和低压闪蒸罐，闪蒸蒸汽分别进入减湿器和除氧器作为热源加热灰水以回收热量；经二级闪蒸后的黑水约350 m3，温度为140 ℃，由于黑水温度过高，需要真空闪蒸进一步降温处理，才能满足澄清槽对水温的要求。为了保证黑水温度，一是通过消耗大量的电能(主要用于真空泵)和循环冷却水进行降温处理，但需耗费大量的资源，造成生产成本大幅增加；二是通过冷却水换热降低黑水温度，造成黑水的低位热量无法回收利用，不利于节能降耗，同时降低了企业的经济效益。
为避免资源的浪费，将低压闪蒸后的黑水引入2台高效换热器(见图 1虚线部分)，通过余热回收装置回收黑水低位热能，被加热后的热水用于市政供暖，在变废为宝的同时实现余热回收，达到节能降耗的目的。
2.1
经济效益
(1) 实施余热回收后，采暖季可减少真空闪蒸消耗的循环冷却水量约6 700 t/h，节约运行费用约150万元。
(2) 回收余热供应供暖公司，采暖季创造效益约300万元。
(3) 余热回收投用后，真空闪蒸罐及其动设备切出停运，减少运行费用。以电费(仅计算真空闪蒸冷凝液泵和真空泵耗电，其他电耗不统计)为例，按照2套气化炉、采暖季3 000 h计，可节省电费约14.4万元。
综上所述，余热回收项目实施后，每个采暖季可创造经济效益约464.4万元。
2.2
社会效益
余热回收项目实施后，在节能降耗的同时，增加了市区集中供热采暖面积，实现了清洁供热，降低了燃煤消耗，减少了锅炉污染物排放，保护了环境，已成为煤化工企业与城市融合的典范，也符合“碳达峰、碳中和”的要求。
3
闪蒸余热回收系统概况
3.1
闪蒸余热回收系统工艺流程
在低压闪蒸罐去真空闪蒸罐管线上引出1根黑水管线去供暖高效换热器，并增设供暖进水手阀1，在原黑水角阀前增设手阀3，经高效换热器的黑水引至原真空闪蒸灰水泵进口管线，并增设供暖出水手阀2；在原真空闪蒸罐去真空闪蒸灰水泵管线增设出水手阀4，使余热回收系统与真空闪蒸罐能够相互切换，同时便于完全隔离不运行的设备，互不影响。改造部分工艺流程见图 1虚线部分。
3.2
闪蒸余热回收系统正常操作
(1) 余热回收系统开车前应对所有管线进行彻底吹扫，清除管线内的杂物。
(2) 高效换热器开车前，检查管线阀门启闭是否正常，确保无泄漏；电动球阀通过电动执行器控制实现正常操作；各仪表已投用，显示正常。
(3) 检查各排气口，确认未发生堵塞。
(4) 投用采暖水，现场确认投用是否正常，确保无泄漏。
(5) 缓慢打开新增高效换热器去真空闪蒸灰水泵手阀，然后缓慢打开黑水去高效换热器手阀，同时逐渐关闭低压闪蒸罐黑水去真空闪蒸罐的黑水角阀，直至真空闪蒸系统完全切出。在投用高效换热器的过程中，应严格控制内外程介质升温速率不得超过50 ℃/h。
(6) 在闪蒸余热系统投用过程中，应保证介质平稳流动，不能出现设备、接管的振动。
(7) 闪蒸余热回收系统投用正常后，真空闪蒸系统各罐、管线排空，防止黑水长时间沉积引起堵塞；各动设备、冷却器停用，减少用电量和循环冷却水的用量，达到节能降耗、提高经济效益的目的。
3.3
闪蒸余热回收系统应急操作处理
3.3.1
高效换热器堵塞
(1) 原因：由于黑水属于高硬度、高碱度、高悬浮物含量的易结垢水质，容易在管线、设备内壁结垢，当垢片脱落后，常在换热器低点处或换热器内沉积并造成堵塞。
(2) 现象：低压闪蒸罐液位不降，真空闪蒸灰水泵出口流量降低，高效换热器黑水侧压力升高，采暖水温度下降。
(3) 处理措施：内外程介质进出口管箱都设有黑水、采暖水排污口，在设备运行过程中应严密监控黑水侧压降，当压降明显升高时，应尽快打开排污口反复进行排污冲洗，直至疏通；若长时间不通或低压闪蒸罐液位无法控制，及时投用真空闪蒸系统，隔离高效换热器，拆检后人工进行疏通。
3.3.2
真空闪蒸灰水泵出口水温高
(1) 原因：高效换热器内壁结垢，造成换热效率下降。
(2) 现象：真空闪蒸灰水泵出口水温升高，超过正常操作温度。
(3) 处理措施：增加高效换热器冲洗次数；保证闪蒸系统分散剂添加正常，降低系统结垢风险；为了避免长时间水温超标，造成澄清系统工况恶化，可以投用真空闪蒸灰水冷却器，根据出口水温进行辅助降温，以恢复至正常工作温度；利用检修机会，采用高压水枪对换热器内程进行冲洗。
3.3.3
断水断电
(1) 由于系统原因, 高效换热器内部的水不再流动, 应立即关闭介质进出口阀门, 并打开排气阀。
(2) 若不能立即解决系统问题, 应按照停车要求, 将换热器内部的水排出。系统问题解决后, 应按开车要求, 先向换热器内注水, 再重新循环。
4
结语
在煤化工领域中, 特别是采用水激冷流程的气化装置, 黑水通常是通过减压阀进行减压降温, 通过回收闪蒸蒸汽达到回收部分余热的目的。但此种方式所回收的热量有限, 大部分余热无法利用, 只能通过消耗大量的循环冷却水进行降温处理, 来满足下游工序生产的要求。河南龙宇煤化工有限公司通过探索、尝试和优化, 将部分黑水的低位热能加以回收利用, 达到了节能降耗的目的。余热回收系统自开车以来, 运行稳定, 在不增加其他投资的情况下, 每年可减少大量的电能和循环冷却水消耗, 不仅具有良好的经济效益, 而且有利于保护环境, 取得了较好的社会效益。相信在不久的将来, 会有更多的煤化工企业回收利用闪蒸系统的低位热能, 提高气化装置的综合能效, 助推企业向绿色生产、可持续发展的道路迈进。
沪公网安备 31010702007066号