关于中能化工航天炉三级闪蒸系统的探究分析

张世飞,张林峰

(安徽晋煤中能化工股份有限公司, 安徽临泉 236400)

1 机组概况

安徽晋煤中能化工股份有限公司(简称中能化工)60万t合成氨一期项目装置为Φ3 200/3 800 HT-L大型粉煤加压气化装置(简称航天炉),由北京航天长征化学工程股份有限公司设计制造。该航天炉设计日消耗原料煤约1 500 t,日消耗氧气约79万m3,在4.0 MPa条件下通过气化反应生产有效气(CO+H2)2.52×106m3/d,经洗涤后送变换工段。航天炉的长周期运行离不开黑水处理系统的稳定,该航天炉黑水处理系统采用高压闪蒸、低压闪蒸、真空闪蒸三级闪蒸系统。三级闪蒸系统运行不稳定会导致航天炉系统水质波动,造成黑水处理系统积灰结垢,阀门管道堵塞严重时会使整个合成氨系统停车[1]。根据中能化工60万t合成氨一期项目三级闪蒸系统装置的运行经验,总结实际生产过程中的相关问题并提出可行的解决方案。

2 三级闪蒸系统工艺

来自于气化炉激冷室约210 ℃的黑水、旋风分离器约210 ℃的黑水、洗涤塔约205 ℃的黑水,经减压角阀减压后进入高压闪蒸罐(V-1801A),由压力控制器(18PIC-1003)控制高压闪蒸分离罐(V-1803A)顶出口管线上的压力调节阀(18PV-1003)的开度,使高压闪蒸罐(V-1801A)在0.5 MPa压力下操作。在此压力下,水蒸气中部分可溶性气体从黑水中释放出来。

从高压闪蒸罐(V-1801A)顶部出来的混合闪蒸汽(约157 ℃)一路进入高压闪蒸汽提塔对除氧后的灰水进行预热;一路经过高压闪蒸冷却器(E-1804A)冷却后进入高压闪蒸分离罐(V-1803A),分离出的闪蒸汽进入酸火炬系统放空,液相进入低压闪蒸汽提塔(C-1802A)进一步闪蒸处理。

高压闪蒸罐(V-1801A)底部的黑水(约157 ℃)进入低压闪蒸罐(V-1802A),在0.05 MPa下进一步被闪蒸,闪蒸出来的蒸汽(约111 ℃)进入低压闪蒸汽提塔(C-1802A)对低压灰水进行初步预热,并除去灰水中的氧气;低压闪蒸罐(V-1802A)闪蒸后的黑水(111 ℃)送至真空闪蒸罐内进一步闪蒸。

真空闪蒸罐顶部出口气体,顺管线流经真空闪蒸罐冷凝器(E-1802A),大部分的水蒸气被冷凝下来,然后进入真空闪蒸分离罐(V-1805A)。真空闪蒸汽在真空闪蒸分离罐(V-1805A)分离下来的液体(约68 ℃)流入沉降槽,从真空闪蒸分离罐(V-1805A)顶部出来的气体由管线入水环真空泵(P-1811A/B)进口。真空闪蒸罐所需的真空度由水环真空泵(P-1811A/B)提供,中水(经过处理的污水、雨水、工业废水)与气体一起由水环真空泵(P-1811A/B)进口吸入,并从出口排至水环真空泵分离罐进行气液分离。为了防止泵内水温过高,并补充水的损失,中水需要由管线连续补入水环真空泵。水环真空泵分离罐顶部气体放空,真空闪蒸罐的真空度由放空管气体回流管线上的真空闪蒸罐放空阀(18PV-1004)调节,闪蒸水环真空泵(P-1811A/B)分离下来的水送至灰水槽。具体工艺流程见图1[2]。

图1 三级闪蒸系统工艺流程

3 存在的问题

在实际运行过程中,三级闪蒸系统节能降耗的效果比较明显,热能利用率较高。但是随着系统负荷的增加,换热器换热效率开始下降,给系统带来不同程度的影响。

3.1 管道和阀门堵塞

随着闪蒸的进行,系统的碱硬度开始升高,黑水中的钙、镁等离子浓度也随之逐渐升高,并且反应生成碳酸钙水垢、硫酸钙水垢、镁垢等水垢,以及其他不溶性盐类,并与黑水中的炭黑颗粒共同吸附在管道或阀门内壁上,慢慢形成较厚的垢层[3]。阀门和管道的内径相对较小,当遇到较大垢片时,极易堵塞黑水管道和阀门。

3.2 高压闪蒸罐和低压闪蒸罐积灰结垢

除了高压闪蒸罐到低压闪蒸罐和低压闪蒸罐到真空闪蒸罐的角阀管道(DN250)比较粗外,在高压闪蒸罐和低压闪蒸罐的锥部都设计有1条管道(DN100)至真空闪蒸罐,并配有DN40的低压灰水冲洗,还有1条管道(DN80)至地沟,以防止高压闪蒸罐和低压闪蒸罐锥部堵塞[4]。随着三级闪蒸系统运行时间的增长,系统波动后闪蒸罐内和管道内壁大量垢层脱落堆积在闪蒸罐底部,至真空闪蒸罐的管道开始堵塞,反复开关无果后,用配备的低压灰水进行冲洗,效果甚微,影响系统正常生产。

3.3 换热器换热效果差

随着航天炉的主氧体积流量升至31 000 m3/h,激冷水循环体积流量也慢慢升至370 m3/h左右,激冷室的黑水外排体积流量在260 m3/h左右,从激冷室带出的热量也大大增加,导致去往高压闪蒸罐(V-1801A)和低压闪蒸罐(V-1802A)的闪蒸汽量大,热负荷高。大量的含固黑水夹杂着汽气混合物进入高压闪蒸冷却器(E-1804A)和真空闪蒸罐冷凝器(E-1802A),在换热器中易沉积结垢,并且冷却循环水量不能满足需求流量,造成换热效果差。高压闪蒸冷却器(E-1804A)进口温度为115 ℃,出口温度为109 ℃左右;真空闪蒸罐冷凝器(E-1802A)进口温度为94 ℃,出口温度为91 ℃:远远不能满足黑水闪蒸处理的需要。

3.4 闪蒸汽放空量大

黑水处理系统的闪蒸汽一部分由高压闪蒸罐(V-1801A)到高压闪蒸汽提塔,再到高压闪蒸分离罐(V-1803A),最后通过高压闪蒸罐放空阀(18PV1003,DN40)放空到酸火炬;另一部分低压闪蒸汽由低压闪蒸罐(V-1802A)到低压闪蒸汽提塔(C-1802A)进行热量再利用,帮助低压闪蒸汽提塔(C-1802A)提升温度,解吸低压灰水中的酸性气体。闪蒸汽的增加造成高压闪蒸罐(V-1802A)压力最高升至0.57 MPa,高压闪蒸罐放空阀(18PV1003)一直处于全开状态,并且致使低压闪蒸汽提塔(C-1802A)现场放空量大,噪声较大,影响整个系统的安全环保。

4 优化措施

4.1 分散剂的选择

中能化工60万t合成氨一期项目渣水系统采用的是江苏琪朗生物科技有限公司的分散剂,补水位置为灰水槽和低压灰水泵进口。分散剂在高温、高规度的灰水系统中,不仅具有良好的分散阻垢作用,还有一定的缓蚀性能。它通过整合增济、品格畸变、分散作用,能有效地防止航天路灰水系统设备、管道的结垢。根据航天炉灰水系统灰水循环体积流量370 m3/h、外排水体积流量110 m3/h计算,目前系统添加分散剂质量流量为0.5 t/d。通过每天现场高、低压灰水取样分析,灰水碱度在10 mmol/L左右,硬度在4 mmol/L左右,有效防止了航天炉灰水系统设备、管道的结垢,控制无机盐垢、金属氧化物和胶的体积,达到少成垢、成软垢、少沉积的效果,确保设备正常平稳运行。

4.2 定期排污

高压闪蒸罐(V-1801)和低压闪蒸罐(V-1802)锥部各增加1条较粗的排污管线(DN250)至捞渣机内大渣池,安排人员定期手动排放锥部污垢,使累积在锥部的灰渣沉积物及时排出,再通过捞渣机捞出。此项改造一方面避免了高、低压闪蒸罐锥部和排污管道的堵塞;另一方面在开停车期间增加手动排污次数,使高、低压闪蒸罐内部脱落的垢片及时排出,达到停车期间无需人工清理高、低压闪蒸罐内部污垢,节省了大量人力物力,也减小了安全风险。

4.3 换热器整改

针对换热器内部积灰结垢,一方面可以通过在停车期间进行人工除垢,并且真空闪蒸罐顶冷凝器还配有低压灰水管线进行冲洗,减少其内部垢片覆盖面,加强在闪蒸中的换热效果;另一方面可以增大换热器的循环冷却水量,必要时增开循环冷却水泵,使整个渣水系统循环冷却水体积流量保持在1 000 m3/h左右,才能有效地进行换热冷却,并且保持冷却水流量和温度稳定,避免换热器再次积灰结垢,达到设计的预期换热效果。

4.4 闪蒸放空环保措施

低压闪蒸的蒸汽在对低压闪蒸汽提塔(C-1802)预热后,从现场放空阀进行放空,由于低压闪蒸汽提塔(C-1802)压力在0.05 MPa左右,放空蒸汽量大,并且产生较大噪声,对周围生产、生活有较大影响。为了响应环保安全要求,中能化工60万t合成氨一期项目采取在低压闪蒸汽提塔(C-1802)放空管口接消音器,以消除放空噪声。措施实施后噪声已降至正常环保范围内,改善了工作环境。

5 结语

航天炉三级闪蒸系统的运行状况影响气化装置运行的稳定性。通过中能化工60万t合成氨一期项目的运行情况,整理出三级闪蒸系统现实存在的一些问题,以及具体的解决方案,为航天炉粉煤加压气化技术工艺改进及系统优化设计提供了参考。