關于中能化工航天爐三級閃蒸系統的探究分析

張世飛,張林峰

(安徽晉煤中能化工股份有限公司, 安徽臨泉 236400)

1 機組概況

安徽晉煤中能化工股份有限公司(簡稱中能化工)60萬t合成氨一期項目裝置為Φ3 200/3 800 HT-L大型粉煤加壓氣化裝置(簡稱航天爐),由北京航天長征化學工程股份有限公司設計制造。該航天爐設計日消耗原料煤約1 500 t,日消耗氧氣約79萬m3,在4.0 MPa條件下通過氣化反應生產有效氣(CO+H2)2.52×106m3/d,經洗滌后送變換工段。航天爐的長周期運行離不開黑水處理系統的穩定,該航天爐黑水處理系統采用高壓閃蒸、低壓閃蒸、真空閃蒸三級閃蒸系統。三級閃蒸系統運行不穩定會導致航天爐系統水質波動,造成黑水處理系統積灰結垢,閥門管道堵塞嚴重時會使整個合成氨系統停車[1]。根據中能化工60萬t合成氨一期項目三級閃蒸系統裝置的運行經驗,總結實際生產過程中的相關問題并提出可行的解決方案。

2 三級閃蒸系統工藝

來自于氣化爐激冷室約210 ℃的黑水、旋風分離器約210 ℃的黑水、洗滌塔約205 ℃的黑水,經減壓角閥減壓后進入高壓閃蒸罐(V-1801A),由壓力控制器(18PIC-1003)控制高壓閃蒸分離罐(V-1803A)頂出口管線上的壓力調節閥(18PV-1003)的開度,使高壓閃蒸罐(V-1801A)在0.5 MPa壓力下操作。在此壓力下,水蒸氣中部分可溶性氣體從黑水中釋放出來。

從高壓閃蒸罐(V-1801A)頂部出來的混合閃蒸汽(約157 ℃)一路進入高壓閃蒸汽提塔對除氧后的灰水進行預熱;一路經過高壓閃蒸冷卻器(E-1804A)冷卻后進入高壓閃蒸分離罐(V-1803A),分離出的閃蒸汽進入酸火炬系統放空,液相進入低壓閃蒸汽提塔(C-1802A)進一步閃蒸處理。

高壓閃蒸罐(V-1801A)底部的黑水(約157 ℃)進入低壓閃蒸罐(V-1802A),在0.05 MPa下進一步被閃蒸,閃蒸出來的蒸汽(約111 ℃)進入低壓閃蒸汽提塔(C-1802A)對低壓灰水進行初步預熱,并除去灰水中的氧氣;低壓閃蒸罐(V-1802A)閃蒸后的黑水(111 ℃)送至真空閃蒸罐內進一步閃蒸。

真空閃蒸罐頂部出口氣體,順管線流經真空閃蒸罐冷凝器(E-1802A),大部分的水蒸氣被冷凝下來,然后進入真空閃蒸分離罐(V-1805A)。真空閃蒸汽在真空閃蒸分離罐(V-1805A)分離下來的液體(約68 ℃)流入沉降槽,從真空閃蒸分離罐(V-1805A)頂部出來的氣體由管線入水環真空泵(P-1811A/B)進口。真空閃蒸罐所需的真空度由水環真空泵(P-1811A/B)提供,中水(經過處理的污水、雨水、工業廢水)與氣體一起由水環真空泵(P-1811A/B)進口吸入,并從出口排至水環真空泵分離罐進行氣液分離。為了防止泵內水溫過高,并補充水的損失,中水需要由管線連續補入水環真空泵。水環真空泵分離罐頂部氣體放空,真空閃蒸罐的真空度由放空管氣體回流管線上的真空閃蒸罐放空閥(18PV-1004)調節,閃蒸水環真空泵(P-1811A/B)分離下來的水送至灰水槽。具體工藝流程見圖1[2]。

圖1 三級閃蒸系統工藝流程

3 存在的問題

在實際運行過程中,三級閃蒸系統節能降耗的效果比較明顯,熱能利用率較高。但是隨著系統負荷的增加,換熱器換熱效率開始下降,給系統帶來不同程度的影響。

3.1 管道和閥門堵塞

隨著閃蒸的進行,系統的堿硬度開始升高,黑水中的鈣、鎂等離子濃度也隨之逐漸升高,并且反應生成碳酸鈣水垢、硫酸鈣水垢、鎂垢等水垢,以及其他不溶性鹽類,并與黑水中的炭黑顆粒共同吸附在管道或閥門內壁上,慢慢形成較厚的垢層[3]。閥門和管道的內徑相對較小,當遇到較大垢片時,極易堵塞黑水管道和閥門。

3.2 高壓閃蒸罐和低壓閃蒸罐積灰結垢

除了高壓閃蒸罐到低壓閃蒸罐和低壓閃蒸罐到真空閃蒸罐的角閥管道(DN250)比較粗外,在高壓閃蒸罐和低壓閃蒸罐的錐部都設計有1條管道(DN100)至真空閃蒸罐,并配有DN40的低壓灰水沖洗,還有1條管道(DN80)至地溝,以防止高壓閃蒸罐和低壓閃蒸罐錐部堵塞[4]。隨著三級閃蒸系統運行時間的增長,系統波動后閃蒸罐內和管道內壁大量垢層脫落堆積在閃蒸罐底部,至真空閃蒸罐的管道開始堵塞,反復開關無果后,用配備的低壓灰水進行沖洗,效果甚微,影響系統正常生產。

3.3 換熱器換熱效果差

隨著航天爐的主氧體積流量升至31 000 m3/h,激冷水循環體積流量也慢慢升至370 m3/h左右,激冷室的黑水外排體積流量在260 m3/h左右,從激冷室帶出的熱量也大大增加,導致去往高壓閃蒸罐(V-1801A)和低壓閃蒸罐(V-1802A)的閃蒸汽量大,熱負荷高。大量的含固黑水夾雜著汽氣混合物進入高壓閃蒸冷卻器(E-1804A)和真空閃蒸罐冷凝器(E-1802A),在換熱器中易沉積結垢,并且冷卻循環水量不能滿足需求流量,造成換熱效果差。高壓閃蒸冷卻器(E-1804A)進口溫度為115 ℃,出口溫度為109 ℃左右;真空閃蒸罐冷凝器(E-1802A)進口溫度為94 ℃,出口溫度為91 ℃:遠遠不能滿足黑水閃蒸處理的需要。

3.4 閃蒸汽放空量大

黑水處理系統的閃蒸汽一部分由高壓閃蒸罐(V-1801A)到高壓閃蒸汽提塔,再到高壓閃蒸分離罐(V-1803A),最后通過高壓閃蒸罐放空閥(18PV1003,DN40)放空到酸火炬;另一部分低壓閃蒸汽由低壓閃蒸罐(V-1802A)到低壓閃蒸汽提塔(C-1802A)進行熱量再利用,幫助低壓閃蒸汽提塔(C-1802A)提升溫度,解吸低壓灰水中的酸性氣體。閃蒸汽的增加造成高壓閃蒸罐(V-1802A)壓力最高升至0.57 MPa,高壓閃蒸罐放空閥(18PV1003)一直處于全開狀態,并且致使低壓閃蒸汽提塔(C-1802A)現場放空量大,噪聲較大,影響整個系統的安全環保。

4 優化措施

4.1 分散劑的選擇

中能化工60萬t合成氨一期項目渣水系統采用的是江蘇琪朗生物科技有限公司的分散劑,補水位置為灰水槽和低壓灰水泵進口。分散劑在高溫、高規度的灰水系統中,不僅具有良好的分散阻垢作用,還有一定的緩蝕性能。它通過整合增濟、品格畸變、分散作用,能有效地防止航天路灰水系統設備、管道的結垢。根據航天爐灰水系統灰水循環體積流量370 m3/h、外排水體積流量110 m3/h計算,目前系統添加分散劑質量流量為0.5 t/d。通過每天現場高、低壓灰水取樣分析,灰水堿度在10 mmol/L左右,硬度在4 mmol/L左右,有效防止了航天爐灰水系統設備、管道的結垢,控制無機鹽垢、金屬氧化物和膠的體積,達到少成垢、成軟垢、少沉積的效果,確保設備正常平穩運行。

4.2 定期排污

高壓閃蒸罐(V-1801)和低壓閃蒸罐(V-1802)錐部各增加1條較粗的排污管線(DN250)至撈渣機內大渣池,安排人員定期手動排放錐部污垢,使累積在錐部的灰渣沉積物及時排出,再通過撈渣機撈出。此項改造一方面避免了高、低壓閃蒸罐錐部和排污管道的堵塞;另一方面在開停車期間增加手動排污次數,使高、低壓閃蒸罐內部脫落的垢片及時排出,達到停車期間無需人工清理高、低壓閃蒸罐內部污垢,節省了大量人力物力,也減小了安全風險。

4.3 換熱器整改

針對換熱器內部積灰結垢,一方面可以通過在停車期間進行人工除垢,并且真空閃蒸罐頂冷凝器還配有低壓灰水管線進行沖洗,減少其內部垢片覆蓋面,加強在閃蒸中的換熱效果;另一方面可以增大換熱器的循環冷卻水量,必要時增開循環冷卻水泵,使整個渣水系統循環冷卻水體積流量保持在1 000 m3/h左右,才能有效地進行換熱冷卻,并且保持冷卻水流量和溫度穩定,避免換熱器再次積灰結垢,達到設計的預期換熱效果。

4.4 閃蒸放空環保措施

低壓閃蒸的蒸汽在對低壓閃蒸汽提塔(C-1802)預熱后,從現場放空閥進行放空,由于低壓閃蒸汽提塔(C-1802)壓力在0.05 MPa左右,放空蒸汽量大,并且產生較大噪聲,對周圍生產、生活有較大影響。為了響應環保安全要求,中能化工60萬t合成氨一期項目采取在低壓閃蒸汽提塔(C-1802)放空管口接消音器,以消除放空噪聲。措施實施后噪聲已降至正常環保范圍內,改善了工作環境。

5 結語

航天爐三級閃蒸系統的運行狀況影響氣化裝置運行的穩定性。通過中能化工60萬t合成氨一期項目的運行情況,整理出三級閃蒸系統現實存在的一些問題,以及具體的解決方案,為航天爐粉煤加壓氣化技術工藝改進及系統優化設計提供了參考。