晉華爐副產高壓飽和蒸汽的應用

吳小云，張本鳳，岳 軍

(1.連云港堿業有限公司，江蘇連云港 222042；2.北京清創晉華科技有限公司，北京 100084)

1 概述

水煤漿水冷壁輻射廢鍋型氣化技術是以晉華爐為代表的合成氣—蒸汽聯產氣化工藝。來自高壓煤漿泵的煤漿和來自空分的純氧通過工藝燒嘴進入晉華爐的燃燒室，兩種物質在高溫高壓條件下發生復雜的氧化還原反應，生成以CO、H2、H2O、CO2為主的粗合成氣。晉華爐分為3個部分，上部為燃燒室，中部為輻射廢鍋，下部為激冷室。燃燒室采用垂直水冷壁結構，該結構可以擴大煤種的選擇范圍，在燃燒室內煤漿和氧氣反應生成粗合成氣和熔融的灰渣，產物通過渣口進入輻射廢鍋并副產飽和蒸汽，降溫后的粗合成氣進入激冷室，在激冷室內經激冷水洗滌、除渣至下一洗滌設備。

晉華爐的輻射廢鍋副產飽和蒸汽，蒸汽壓力要求比氣化壓力高0.5 MPa，以保證鍋爐水管發生泄漏時合成氣不外竄。氣化壓力一般為4.0 MPa和6.5 MPa，故輻射廢鍋副產蒸汽壓力一般≥5.0 MPa。

2 對比飽和蒸汽和過熱蒸汽

對飽和蒸汽加熱，當溫度超過飽和溫度，得到的蒸汽即為過熱蒸汽。以下從不同角度，考慮飽和蒸汽和過熱蒸汽產生的作用。

2.1 焓值差異

從焓值角度考慮，用于熱交換時的過熱蒸汽和飽和蒸汽差別并不明顯。從微觀角度講，物質內能是物體中所有分子做熱運動的動能與分子勢能之和。過熱蒸汽降溫時，勢能幾乎不變，而水分子的熱運動逐步減弱，動能降低，釋放出一部分能量，稱為顯熱。飽和蒸汽散熱時，溫度不變，因而分子平均動能不變，但水蒸氣轉變為液態水后，比容減小，體積大幅縮小，水分子間距減小，導致分子勢能急劇下降，瞬間釋放出大量能量，稱為潛熱[1]。發生相變時，汽化或冷凝的潛熱遠大于溫度變化的顯熱(見表1)。

表1 飽和蒸汽和過熱蒸汽的焓值對比

2.2 有效能差異

有效能是指物質從當前狀態轉變為基態過程中所能做的最大功。物質的有效能越大，其做功本領也越大。從有效能角度考慮，相同壓力下，過熱蒸汽比飽和蒸汽具有更強的做功本領；過熱蒸汽過熱度越高，則做功本領越強[1]。飽和蒸汽和過熱蒸汽的有效能對比見表2。

表2 飽和蒸汽和過熱蒸汽的有效能對比

蒸汽的有效能公式：

Ex=(Hx-Ho)-T0(Sx-So)

(1)

其中，Ex為有效能，kJ/kg；Hx為焓值，kJ/kg；Ho為基態焓值，kJ/kg；To為基態溫度，K；Sx為熵值，kJ/(kg·K)；So為基態熵值，kJ/(kg·K)。

0.1 MPa、373 K飽和水為基態，基態焓值為418.99 kJ/kg，基態熵值為1.31 kJ/(kg·K)。

3 飽和蒸汽的產量

根據不同的煤種，以及變換工段對合成氣水汽比的要求，晉華爐副產蒸汽的量有所不同。

新疆天業匯合新材料有限公司(簡稱天業匯合)年產60萬t合成氣制乙二醇項目，氣化爐3開1備，氣化裝置單爐97 000 m3/h(CO+H2)連續平穩運行時長超140 d，每小時氣化爐單爐蒸汽產量90 t/h、928 kg/km3(CO+H2)。按蒸汽價格為80元/t、年運行8 000 h計算，經濟收益為1.7億元/a。

河南金大地化工有限責任公司(簡稱金大地化工)60萬t/a小蘇打項目，氣化爐4開1備，氣化裝置單爐78 000 m3/h(CO+H2)連續平穩運行時長超90 d，每小時氣化爐單爐蒸汽產量75 t、961 kg/km3(CO+H2)。按照蒸汽價格為80元/t、年運行8 000 h計算，經濟收益為1.9億元/a。

蒸汽產量多少主要是受煤種和廢鍋大小影響。變換工段若是全變換，出氣化工段的合成氣水氣比≥0.78；若采用半變換，出氣化工段的合成氣水氣比≥0.65。若采用褐煤，晉華爐每小時副產蒸汽量可達1 300 kg/km3(CO+H2)。

晉華爐副產蒸汽為飽和蒸汽，用戶可根據全廠的蒸汽平衡來規劃飽和蒸汽是否需要過熱再利用，天業匯合所產蒸汽送至焚燒爐過熱后發電，金大地化工所產蒸汽減壓后送至聯堿工段供驅動壓縮機透平。

4 飽和蒸汽的應用

4.1 飽和蒸汽至各類型換熱設備

從焓值角度考慮，飽和蒸汽比過熱蒸汽更有利于熱交換。若采用過熱蒸汽換熱，不利之處有以下幾點：一是會增加設備投資；二是過熱蒸汽容易在換熱管表面形成溫度梯度，產生熱應力，設備易損壞；三是在換熱過程中，過熱蒸汽換熱前期存在氣膜控制階段，其換熱系數遠低于飽和蒸汽在該階段的換熱系數。綜上所述，飽和蒸汽更適用于工藝過程換熱。

4.2 飽和蒸汽至各類型除氧器

在除氧器中,通過飽和蒸汽將鍋爐給水加熱至除氧器壓力下的飽和溫度，除去鍋爐給水中的氧氣和二氧化碳等非冷凝氣體，保證給水的品質，防止設備及其汽水系統管路被腐蝕。此熱力除氧的原理是把壓力穩定的蒸汽通往除氧器內加熱給水，在加熱過程中水面上水蒸氣的分壓力逐漸增加，而其它氣體的分壓力逐漸降低，水中的氣體就不斷被分離，當水被加熱到除氧壓力下的飽和溫度時，水面上的空間全部被水蒸氣充滿，各種氣體的分壓力趨于零，此時水中的氣體即被除去。

4.3 飽和蒸汽至汽輪機發電

汽輪機是將蒸汽熱能轉換為機械能的旋轉式動力設備，因流道改變，進入汽輪機后的蒸汽對外膨脹，釋放熱能推動葉輪轉動，從而帶動發電機發電。

汽輪機的排氣溫度會隨著排氣壓力增大而升高，排氣壓力過大就會造成蒸汽焓值較低，影響發電量和發電效率。一般排氣壓力控制在0.004～0.010 MPa之間。

4.3.1 中低壓飽和蒸汽發電

中低壓飽和蒸汽發電應用很成熟，例如，鶴壁煤電股份有限公司60萬t/a甲醇裝置能產生3.1 MPa的中壓飽和蒸汽，采用德萊賽蘭的飽和透平發電機組，按照0.35元/(kW·h)的價格計算，每年(8 000 h)可增加收益4 200萬元。

4.3.2 高壓飽和蒸汽發電

高壓飽和蒸汽發電存在典型的濕度過大問題，可以用級間再熱或者級間汽水分離來解決。

(1) 進汽壓力為10.0 MPa，飽和蒸汽，質量流量為100 t/h，排氣壓力為7 kPa，采取級間再熱，10.0 MPa飽和蒸汽膨脹至3.9 MPa時干度為88%，再熱至飽和溫度所需熱量為5.7 MW，壓損為10%；排氣膨脹至7 kPa時干度為88%，功率可達16.2 MW。此方案避免了濕度過大帶來的葉片強度問題。葉片防水蝕措施為動葉片電火花強化、鑲嵌合金片等。

(2) 進汽壓力為10.0 MPa，飽和蒸汽，質量流量為100 t/h，排氣壓力為7 kPa，采取級間汽水分離，10.0 MPa飽和汽膨脹至3.9 MPa時干度為88%，汽水分離后剩余蒸汽質量流量約為85.6 t/h，壓損為10%；排氣膨脹至7 kPa時干度為88%，功率可達14.4 MW。此方案避免了濕度過大帶來的葉片強度問題。葉片防水蝕措施為動葉片電火花強化、鑲嵌合金片等。因無需外部熱源，該方案優于級間再熱。

另外，飽和蒸汽還可供輕質堿燃燒爐、小蘇打干燥、低甲分離塔/再生塔再沸器等用汽。

5 過熱蒸汽的應用

5.1 食品加工領域

過熱蒸汽在食品加工領域應用越來越廣泛。過熱蒸汽具有食品受熱均勻、加熱速度快、防止維生素流失等顯著優點，同時過熱蒸汽技術還可以用于食品加工廠輸送帶的清洗、殺菌處理，以及食材加熱、食物殘渣的粉末化及除臭等處理。

5.2 干燥技術應用

通過熱蒸汽干燥技術,可使較高焓值的過熱蒸汽快速將熱量傳遞給被加工的物料，使物料水分快速蒸發。其優點為：熱效率高，節能效果明顯；傳熱系數高，無傳質阻力；有效減少有害物質的二次污染，防止爆炸發生。該干燥技術已被廣泛應用于褐煤加工、污泥干燥、罐頭加工、木材干燥、食品殺菌等領域[2]。

比如，褐煤經干燥提質可在一定溫度下脫水轉化成具有類似煙煤性質的提質煤，提質后的褐煤更有利于綜合利用。褐煤的干燥介質包括熱煙氣、飽和蒸汽、熱油、熱水和過熱蒸汽等。其中過熱蒸汽干燥具有節能效果突出、干燥品質好、無失火和爆炸危險、傳熱傳質效率高等特點。褐煤的過熱蒸汽干燥分為3個階段：一是冷凝段，含水率增加，物料溫度同時升高；二是恒速段，為物料顆粒表面水的蒸發過程，含水率直線下降；三是降速段，為物料內部水分遷移至顆粒表面擴散的過程，含水率呈指數規律下降。與熱煙氣等干燥技術相比，過熱蒸汽干燥利用回收循環系統中抽出的蒸汽熱量，節能率高達50%～70%[3]。

5.3 遠距離輸送

在遠距離輸送蒸汽的過程中，水擊問題始終伴隨蒸汽運行系統。水擊現象輕微時，只表現為噪音與振動；嚴重時，會導致管道振動、搖晃、支架脫落。用飽和蒸汽輸送時，在啟動、正常運行以及負荷變化時，為避免蒸汽管道內的水積聚到產生危害的程度，每隔30～50 m布置疏水點。過熱度在100 ℃以內的管道，一般建議每隔100～200 m布置疏水點[4]。采用過熱蒸汽輸送時，沿程熱損失更小，同時也更安全。因此，蒸汽輸送首選過熱蒸汽形式。

5.4 供透平驅動或汽輪機發電

5.4.1 供透平驅動

過熱蒸汽供空壓機+增壓機透平、合成循環氣壓縮機透平、真空泵透平、氨壓縮機透平、CO2壓縮機透平等驅動，可相應減少鍋爐建造的費用。

比如，空分裝置的空壓機及增壓機采用離心式壓縮機時，為節省投資并提高蒸汽轉換效率，可采用同一臺蒸汽透平驅動。當氧氣壓力為8.5 MPa、制氧能力為43 000 m3/h時，采用全凝式機組，蒸汽參數為10.0 MPa、540 ℃，所消耗的過熱蒸汽質量流量為100 t/h。

5.4.2 供汽輪機發電

過熱蒸汽發電技術應用成熟，業績眾多。

以進汽壓力為10.0 MPa、進汽溫度為391 ℃(過熱80 ℃)為例，排氣壓力為7 kPa，質量流量為100 t/h，干度為82%，功率可達24.2 MW，過熱所需熱量為9.5 MW。

以進汽壓力為10.0 MPa、進汽溫度為540 ℃(過熱230 ℃)為例，排氣壓力為7 kPa，質量流量為100 t/h，干度為82%，功率可達35.3 MW，過熱所需熱量為20.9 MW。

過熱蒸汽發電的汽輪機為常規機組，設計上無難度。但由于加熱量較大，需平衡燃料成本與發電收益之間的關系。

6 結語

晉華爐輻射廢鍋流程集中回收水煤漿氣化后的高溫合成氣熱量，副產大量高壓飽和蒸汽，相較于激冷流程，實現了節能降耗目標。不論是飽和蒸汽發電還是過熱蒸汽發電，在技術上都能夠順利實現，用戶可根據自身需求確定應用。