煤气化黑水闪蒸系统超低压蒸汽资源化利用的探索与实践

赵 韵，文培娜

（新乡中新化工有限责任公司，河南 获嘉453800）

1 项目概况

某化工公司建设有一套年产30万t的煤制甲醇装置，其煤气化装置为两台750 t级HT-L航天粉煤加压气化炉，渣水处理单元采用液态排渣以及黑水两级闪蒸系统，高压闪蒸产生的闪蒸蒸汽去汽提塔，底部黑水减压后排至真空闪蒸罐。正常生产期间，高压闪蒸系统中有约250 t/h温度为158℃的黑水通过真空闪蒸罐闪蒸出压力为-0.05 MPa（G）、温度为85℃左右的闪蒸蒸汽，闪蒸蒸汽量为25 t/h～30 t/h，该部分闪蒸蒸汽通过真空闪蒸冷凝器降温至45℃后排至沉降槽，使得闪蒸蒸汽热量被循环水带走，未进行有效利用。

为有效利用这部分废蒸汽的热量，该化工公司通过新增2台900 kW超低压汽轮机，拖动现场原有2套长期停用的高压异步电动机进行发电，其发出的电能通过已有的高压电动机、高压电缆和已有的高压开关柜直接返送到厂用电系统，冲减厂用电，实现废热资源化利用。现将改造情况和运行中遇到的问题及解决方案介绍如下。

2 改造方案及运行效果

煤气化装置黑水闪蒸超低压蒸汽资源化利用项目改造工艺流程示意图见图1。具体改造内容：在真空闪蒸罐通往原冷却器的蒸汽管道上增加隔离阀，真空闪蒸蒸汽通过管线进入汽轮机，汽轮机排汽进入汽轮机旁边的凝汽器，45℃的凝结水通过凝结水泵排入沉降槽中，汽轮机凝汽器配有真空泵。汽轮机凝汽器循环冷却水利用原真空闪蒸冷却器循环水。因真空闪蒸蒸汽夹带大量超细煤灰颗粒，且含有硫化氢等腐蚀性气体，该项目在实施过程中对汽轮机转子、速关阀等关键部位提前进行了防腐蚀处理。

2020年10月改造完成后，该项目正式投入试运行，通过不断优化和调整，目前基本实现稳定运行，单台机组小时发电量达到750 kWh，冲抵自用电后净发电量600 kWh，以年运行时间7 200 h、执行电价0.67元/（kWh）计算，2台机组利用该蒸汽全年可实现净发电864万kWh，产生直接经济效益578.88万元。该项目改造将原来需要消耗大量循环水冷却的劣质废热蒸汽通过能量转换回收变成了可以利用的清洁电能，既实现了废热能量的回收利用，又缓解了真空闪蒸罐顶冷凝器长期积灰堵塞、无备用设备的运行难题，真正实现了废蒸汽的资源化回收利用。

3 运行期间存在的主要问题及解决方案

由于该部分闪蒸蒸汽品质低、含灰量较高、含固质量浓度＞20 mg/m3，导致装置运行过程中出现了一些问题，后通过技术攻关，逐渐得到解决。

3.1 仪表故障问题

项目前期调试过程中，由于信号传输问题，出现多处仪表故障，造成开机故障，包括1#汽轮机速关油站液位低停机故障、2#汽轮机主汽阀调节故障、2#凝结水泵变频器故障不能自启动等，通过对汽轮机组仪表故障进行全面排查，消除了信号问题，保障了汽轮机组的顺利开车。

3.2 转子裙带积灰结垢问题

汽轮机原设计采用四级叶轮转子，前三级是闭式叶轮，末级是开式叶轮，此类设计原本是为了提高蒸汽利用率，但实际运行时却存在问题。1#汽轮机在调试24 h后停机检查并消缺，处理完再次恢复开车期间，汽轮机冲转时振动大，转速未过临界值就出现振值高联锁跳车，经停机拆缸检查发现前三级叶轮裙带积灰结垢严重，均是黑水闪蒸蒸汽中夹带的细灰在离心力作用下粘黏在裙带上所致，由于积灰不对称和灰垢部分脱落，导致转子动平衡被破坏，冲转时就发生振值异常，转速无法通过临界值。

解决初期，尝试采用15 MPa高压射流水冲洗转子裙带，但由于裙带倾角问题，冲洗效果不明显，后采用人工逐一清理。清理后回装转子进行冲转测试，转速能够顺利通过临界值，但振值仍偏高，基本保持在40 μm及以上（跳车联锁值在70 μm），发电机投用后振值最低降为19 μm。

为了彻底消除转子裙带积灰结垢的问题，随后对两台汽轮机转子进行了返厂改造，取消前三级叶轮裙带，并重新做动平衡。改造后通过运行测试，发现实际发电效率未见明显下降，且不再发生裙带积灰结垢的问题。

3.3 积灰对速关阀运行造成不利影响的问题

速关阀组合件专门为电液保护系统所设计，主要包括供油装置、液压蓄能器、电磁控制阀、机械控制阀、安全溢流阀、液位计、显示和控制仪表以及管路附件等，可以最大限度地为汽轮机的正常运行提供安全保障。当汽轮机组故障信号出现时，速关油压失压，速关阀将在0.5 s内迅速关闭，切断进汽管道，防止发生安全事故。

原设计汽轮机为双进汽管路，一路为电动阀门控制，一路为手动阀门控制。开车初期，为便于调控分配蒸汽汽量，主要采用电动阀门调节进汽量，手动阀门未投运。在2#汽轮机停机过程中，发现速关阀发生未完全关到位的异常情况，后拆检速关阀，发现手动阀门侧进汽管道和速关阀轴承处均积灰严重，导致速关阀未能彻底关闭。该现象同样出现在1#汽轮机。

为解决该问题，一是对速关阀本体进行改造，引0.5 MPa低压蒸汽至速关阀轴承处，运行期间利用蒸汽吹扫轴承，确保轴承处不积灰，速关阀动作灵活不卡涩；二是在汽轮机运行期间，将手动进汽侧阀门最小保持20%开度，确保蒸汽稳定流动，进汽管道和速关阀腔不发生积灰现象；三是定期开展速关阀在线开关试验，两套速关阀分别进行，确保汽轮机组的稳定运行。

3.4 黑水系统热负荷大幅波动的问题

1#汽轮机在气化炉单炉停车后恢复生产过程中发生跳车事故，原因为气化炉投煤后黑水系统热负荷骤升，闪蒸蒸汽量突变带水引起汽轮机组振值高联锁跳车，加之汽轮机跳车后速关阀未能彻底关闭（此时1#汽轮机速关阀和转子尚未改造），进而引发持续振动，导致润滑油进油管路上就地压力表松动脱落，发生跑油事故，最终由于润滑油供油不足造成汽轮机烧瓦；此外，持续的剧烈振动还导致汽封、转子拉缸等设备损坏事故的发生。

经过分析，发生该起事故的根本原因在于黑水系统热负荷大幅波动。为避免此类情况发生，在超低压发电汽轮机组运行期间遇到气化炉单炉开停车时，发电机组需采取降负荷方式运行，避免引起波动，并手动将超低压蒸汽紧急放空阀打开，汽轮机进汽阀门开度关小至15%，防止气化炉在投煤后黑水闪蒸蒸汽量出现大幅波动引起汽轮机跳车。待气化炉投煤升至高负荷运行1 h后，再逐步打开汽轮机进汽阀门，观察汽轮机振值、轴瓦温度、绕组温度、排汽压力变化，如无异常，缓慢恢复汽轮机发电系统至正常负荷。

3.5 细灰沉降系统温度偏高对循环灰水水质造成不利影响的问题

运行初期，由于两台超低压汽轮发电机组处于调试阶段，不能同时连续稳定运行，导致在气化炉双炉高负荷运行工况下无法实现全部黑水闪蒸蒸汽回收，引起真空闪蒸系统压力超出正常工作压力（-20 kPa），最高达到40 kPa，继而导致细灰沉降系统水温偏高，不利于细灰沉降，循环灰水水质浊度上升，给气化炉系统的稳定运行带来一定影响。通过后期调整，两台超低压汽轮发电机组陆续进入稳定运行阶段，这一现象得到明显改善。

4 超低压汽轮发电机组运行负荷的影响因素

引起机组发电负荷波动的因素较多，黑水闪蒸系统的压力、温度、组分的变化、气化系统运行质量等都会引起发电负荷的波动。运行实践发现，影响超低压汽轮发电机组负荷的直接因素是汽轮机进汽与排汽的压差，压差越大，能量转化越多，发电负荷就越高，而影响汽轮机前后压差变化的因素主要体现在以下几个方面。

4.1 循环冷却水流量

循环冷却水流量直接影响凝汽器的真空度，流量大则换热效果好，真空泵负压可以保证，若出现循环水流量降低的情况，则真空泵负压难以维持，汽轮机做功较差，发电功率降低。通过实际测量，目前循环冷却水流量在500 m3/h左右，不足以维持两台超低压汽轮发电机组满负荷运行，需对循环冷却水进行改造，提升循环冷却水流量，提高循环水流速。

4.2 超低压闪蒸系统压力

超低压闪蒸系统压力是影响汽轮机发电负荷的重要因素之一，闪蒸蒸汽压力高则汽轮机前后压差增大，汽轮机做功较好，发电负荷较大，因此维持闪蒸压力稳定极为关键。原设计中捞渣机、沉渣池的低温灰水间断性进真空闪蒸系统，该股灰水温度约为45℃，其在入口和高压闪蒸黑水混合后进入真空闪蒸系统，对于真空闪蒸系统起到降压降温作用，不利于真空闪蒸系统压力的稳定。后通过技改，将该股灰水切回沉降槽，确保了真空闪蒸压力的稳定。

4.3 真空泵运行质量

排汽压力直接影响到汽轮机的压差，影响发电负荷，而排汽压力与真空泵的运行负荷和凝汽器的效率密切相关。为提高真空泵的抽空能力，在现有水环真空泵的基础上，串联一台罗茨真空泵，通过运行发现，罗茨真空泵安装后，负压从-90 kPa降至-95 kPa，排汽压力略有下降。

4.4 黑水系统循环流量

黑水系统循环流量对超低压闪蒸系统影响较大。在气化炉开车初期，由于气化炉压力较低，其外排黑水需进压力较低的真空闪蒸系统建立水循环，待气化炉负荷提升至0.5 MPa后切向高压闪蒸系统。当系统水循环流量较大时，会造成真空闪蒸蒸汽量减小，进而造成发电负荷波动且较低。在气化炉系统建立真空闪蒸系统循环期间，最直观的表现是排汽温度可以从49℃升高至79℃，且波动较大。排汽温度升高，现场真空泵排出气体温度较高，随之排汽压力升高，发电机的负荷也随之降低。

4.5 黑水系统热负荷

黑水系统热负荷对发电负荷的影响主要体现在气化炉开停车阶段。气化炉投煤后热负荷逐渐增大，闪蒸蒸汽量随之增加，发电负荷也随之上涨。但气化炉热负荷增大的同时，闪蒸蒸汽会存在水沫夹带现象，需防范对汽轮机组稳定运行造成影响。

4.6 黑水中溶解的不凝气

从气化炉排出的高温高压黑水中溶解有一定的CO2、H2S、CO、H2、N2、CH4等气体，在两级闪蒸过程中，这些气体会随着闪蒸蒸汽进入汽轮发电机组，这些不凝气对汽轮机的排汽压力带来不利影响。如果真空泵最大负荷不足以抽取不凝气量，则发电负荷会下降，所以分析计算溶解在黑水中的不凝气量以及真空泵能力的选择也十分重要。

5 结 语

在水激冷流程气流床煤气化系统中，主要的能量损耗是黑水闪蒸系统，在闪蒸系统上增加能量清洁转换系统，可充分利用废热，提高煤气化的能源综合利用效率，实现煤炭资源的减排增效。

煤气化黑水闪蒸超低压蒸汽资源化利用项目改造达到了预期目标，取得了良好的经济效益和社会效益，两台汽轮机发电机组每小时净发电量达到1 200 kWh，以年运行时间7 200 h、执行电价0.67元/（kWh）计算，该项目每年产生的经济效益可达578.88万元。煤气化装置黑水闪蒸超低压蒸汽资源化利用项目的成功实施，是行业首次将真空闪蒸蒸汽通过超低压汽轮机拖动异步电动机发电技术进行利用，实现了能量的有效转换，把原本需要冷却降温的劣质闪蒸蒸汽转换成了清洁电能，既回收了热量，实现了真空闪蒸蒸汽的资源化利用，又达到了替代原真空闪蒸系统的目的，可实现故障状态下的应急切换，提高了煤气化装置整体稳定运行的能力，有广阔的应用前景，具有一定推广价值。