第39卷第12期化學工程Vol. 39 No. 122011年12月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Dec.2011Texaco煤氣化灰水處理功量交換應用分析張棟博'，鄧建強',方永利'，張艷麗^(1.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安710049;2.西安科技大學能源學院，陜西西安710054)摘要:Texaco煤氣化灰水處理工藝過程耗能巨大,該過程涉及到灰水溫度、壓力等參數的大幅度變化，蘊含著大量的可回收機械能。功量交換可實現高壓流體向低壓流體壓力能的傳遞,提供了一種系統(tǒng)能量綜合與集成的新手段。對現有工藝中蘊含的可回收機械能做了簡要計算,進行了比擁分析。結果表明:對于一個30萬Va合成氨的煤化工企業(yè),Texaco煤氣化灰水處理過程高壓流體的可回收能量達5.1kJ/kg,功量交換過程比煙效率達到了20. 9% ,所節(jié)省的設備投資達700萬元,年節(jié)約能耗2.16 x 10° kW●h,節(jié)約電費112萬元。對這一應用方案中的設備問題提出了設置增樂泵、適當設備選型等解決方案。從而可以看出,功量交換在煤氣化灰水處理I藝中具有很大的應用潛力。關鍵詞:功量交換;Texaco煤氣化;比炯分析中圖分類號:TQ 546文獻標識碼:A文章編號:1005-9954(2011)12-000105Analysis of applying work exchange in grey water treatmentof Texaco gasificationZHANG Dong-bo' , DENG Jian-qiang' ，FANG Yong-li' ，ZHANG Yan-li2(1. School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, Shaanxi Province, China;2. School of Energy, Xi'an University of Science and Technology, Xi' an 710054，Shaanxi Province , China)Abstract : As involving great variation of water temperature and pressure parameters, the grey waler treatment ofTexaco gasification is a process with great energy cost, and contains lots of recyclable mechanical energy. Workexchanger can transfer pressure energy from high-pressure fluid to low-pressure fluid, thus providing a new way tocarry out energy integration and synthesis. A brief calculation on energy recovery and specific exergy analysis ofgasifcation process was made. The result shows that for a coal chemical plant with ammonia capacity of 300 000 V/a,the recyclable energy from the high pressure fuid in the grey water treatment of Texaco gasification can reach asmuch as 5. 1 kJ/kg， and the work exchanger can reach a specific exergy efficiency up to 20. 9%，with thecorresponding equipment cost saving of 7 million yuan, and an energy saving of2.16x10° kW●h or equivalent tothe power cost of 1. 12 million yuan. Some suggestions like adding booster pump and proper equipment selectionwere proposed to solve the problem in the application. Work exchange has great potential in the grey. watertreatment of coal gasification.Key words: work exchange ; Texaco gasification; specific exergy analysisTexaco煤氣化是當前中國煤化工的主體工藝之槭能、電能的消耗。功量交換器在液體機械能回收一,該T藝中,灰水處理是一一個重要的耗能過程。常方面有著極大的優(yōu)勢,在海水淡化過程中利用濃縮壓的工藝氣洗滌水被加壓到7.0 MPa送至氣化工后的排水壓力能將新鮮海水升壓從而回收壓力段,從氣化工段出來后通過減壓閥降壓后進行閃蒸,能("2),得到廣泛應用。以此類推,功量交換技術在處理后又再次加壓循環(huán)使用。該過程涉及到大量機Texaco氣化灰水處理方面也存在應用的可能。收稿日期:2011-06-17中國煤化工基金項目:國家自然科學基金資助項自(20936004)作者簡介:張棟博(1983- -)，男,碩士研究生,研究方向為功量熱量耦合系統(tǒng);鄧建強,通訊.MYHCN MH G.edu.cn.化學工程2011年第39卷第12期1 Texaco 煤氣化的流程及工藝要求爐工藝燒嘴,與來自空分裝置的氧氣一起進入氣化1.1 煤氣化總體工藝流程爐,在1 300- -1 400 C下進行部分氧化生成粗煤氣,Texaco煤氣化的核心技術是加壓氣流床氣化工經氣化爐底部的激冷室激冷后,氣體和固渣分開。藝,其關鍵設備是氣化爐,具體工藝流程見圖1。粗煤氣經文丘里洗滌器進人碳洗滌塔,冷卻除塵后Texaco煤氣化過程包括煤漿制備、煤漿氣化、灰水處進入CO變換工序。氣化爐出口灰水經灰水處理工理和CO變換等工序。煤、石灰石、添加劑經稱量后段4級閃蒸處理后,一部分返回碳洗滌塔用作洗滌加入到磨煤機中,與一-定量的水混合,磨成- -定粒度水,經泵進入氣化爐,另一部分灰水送往廢水處理工分布、質量分數為60%-65%的水煤漿,通過滾筒序。熔渣被激冷固化后進入破渣機,特大塊渣經破篩濾去較大顆粒后,經磨機出口槽泵和振動篩送進碎進人鎖斗,定期排入渣池,由撈渣機撈出定期煤漿槽中。煤漿槽中的煤漿由高壓煤漿泵送至氣化外運。廓煤與制漿| '(化及L.藝'(冷印1.藝'(洗滌釩氣>凡'(放空士燒嘴1藝(放空原燦一密煤機工.出冷凝液|華激冷水能2減爪閥L巴鎖斗煤漿能沉降情-O失游◆濟池多級出心族.圖1 Texaco 煤氣化基本流程Fig. 1 Process flow diaegram of Texaco gaification1.2灰水工藝流程黑水-灰水循環(huán)系統(tǒng)的壓力變化情況如圖2所氣化爐及碳洗塔中,工藝氣洗氣產生的含大量示。黑水-灰水循環(huán)系統(tǒng)的流量按200 m'/h計算。雜質的高壓水稱為氣化黑水;氣化黑水經過減壓閃氣化爐出口黑水壓力高達6.5 MPa,在管路中因沿蒸沉降等過程處理所得雜質含量較少的水稱為灰程阻力損失壓力略有降低,經減壓閥后壓力降至水。來氣化爐碳洗塔系統(tǒng)的高壓黑水經過減壓1.0 MPa,然后依次進入4級閃蒸工段。而處理后.閥降壓后送往閃蒸I段除去大部分固體顆粒,再經的常壓灰水經過初步加壓后變?yōu)?.15 MPa,之后通沉降得到澄清的灰水,然后用多級離心泵加壓后送過多級離心泵使其壓力升至7.0 MPa送往氣化人碳洗塔氣化爐系統(tǒng)循環(huán)使用。工序。1.3 基本運行數據本文以國內某大型煤化工企業(yè)的運行數據進行計算及方案設計,其生產規(guī)模為30萬/a合成氨。6ATexaco煤氣化生產過程中,氣化黑水中溶解或懸浮有粗煤氣中的多種成分。表1是黑水-灰水循環(huán)系出4統(tǒng)的水質組分[3。.2表1水系統(tǒng)水質組成Table 1 Composition of water system黑水灰水(化系統(tǒng)/減爪閥/增爪泵’ (化系統(tǒng)/電導率/(μS●cm ")2 1101 810圖2水系統(tǒng)壓力變化p(Ca2*)/(mg.L-56. 1631. 85Fig.2 Variation trend of pressure of water systemp(Cl~)/(mg.L-I)74. 4217. 38p(固懸物)/(mg.L)2 850ρ(總磷)/(mg.L-4.24. 2.49黑水-灰水循環(huán)系統(tǒng)的混麻亦化過租加下:氣化堿度/(mmol .L+)2.4711.92爐及碳洗塔出口黑中國煤化工管路傳熱.pH8.31 .8.53損失溫度略有降低YHL.CNMHC程后降至張棟博等Texaco 煤氣化灰水處理功量交換應用分析常溫。常溫下的灰水經過閃蒸汽加熱后溫度升至力為Pup, =4.24 MPa,需設置1臺多級離心泵對灰.80 C ,再經過換熱器加熱后溫度升至約160 C,然水進行增壓,以滿足7.0 MPa的工藝要求。后送人碳洗塔或氣化爐使用。對于生產規(guī)模為30萬/a合成氨的煤化工企業(yè),以現有的工藝流程為參照,簡要進行如下經濟2功量回收分析衡算。①設備投資費用:現有流程所需多級離心在前面分析的基礎上，提出利用氣化爐出口高泵、減壓閥等的總體費用超過1000萬元;而功量壓黑水的壓力能,對來自沉降槽的低壓灰水進行加交換流程所需能量回收裝置、增壓泵的總體費用壓以回收部分壓力能的方案,如圖3所示。氣化爐約合300萬元,節(jié)省投資約700萬元。②設備運行出口的高壓黑水經過功量交換器釋放壓能后壓力降費用:現有流程中多級離心泵功耗為550kW;功量至1.0 MPa,然后進人閃蒸工段。而低壓灰水通過交換流程中增壓泵的功耗約為220kW,年節(jié)約能功量交換器后壓力大幅升高,再經增壓后送往氣化耗約2.16x10° kW●h,按照大工業(yè)用電0.51元/工序。(kW●h)的價格計算,電費節(jié)省達112萬元。由(化州一= >5CW然)此可知,功量交換流程可以實現巨大的設備投資個節(jié)省和數百萬kW●h的能耗節(jié)省,具有良好的經(碳洗塔)濟效益。(崗心期<==(人= = C降D2.2比炯分析把常溫和常壓作為環(huán)境基準溫度To和環(huán)境基圈3加入功交換器的灰水-黑水循環(huán)工藝流程準壓力Po,在To,Po時,取環(huán)境中最穩(wěn)定的純水作Fig.3 Procese flow of work exchange for gray water back water cycle為基準物。T。 =298.15 K,Po =0.1 MPa,對應狀態(tài)下的比焓值與比熵值分別為ho = 104. 92 kJ/kg,2.1回收能力計算設低壓流體(LP)從初始壓力pup, .加壓到目標So =0.367 2 kJ/(kg. K)。壓力pr.,高壓流體( HP)從初始壓力Pp.降壓到黑水、灰水的物性參數未知,均以純水的物性參目標壓力PHp,,因為壓力變化時液體的體積變化數來近似,由NIST物性軟件確定。流體在功量交換很小，假設功量交換過程中液體在自由膨脹及壓過程中只發(fā)生水分汽化及氣固相溫度變化等物理變縮時的體積變化可以忽略,則高壓灰水可以提供化,從而不考慮前后化學炯的變化。的功量為[4]2.2.1現有 流程高壓灰水物理傭分析WHp =gn(Pmp. -PHp,)(1)將高溫高壓流體通過節(jié)流閥視為節(jié)流過程。低壓灰水所需功量為進口狀態(tài):T =523. 15 K,pr =6.1 MPa,h, =WIp =qn(Pur, -Pur,)(2)1 085.7 kJ/kg,s, =2.7884 kJ/(kg. K)。假設高壓灰水的體積流量等于低壓灰水的體積e,=(h; -ho)-T(s1-so)(5] (4)流量,即9n =200 m'/h;pm, =6. 1 MPa,pm, =由式(4)得e1 =258. 90 kJ/kgo1.0 MPa;Pup,. =0. 15 MPa。.出口狀態(tài):由節(jié)流過程等焓性結合Pr =1.0 MPa,功量交換器能量回收效率η被定義為低壓流可得出口狀態(tài)T2 =453.03 K,s2 =2.851 5 kJ/(kg.K),體獲得的功占高壓流體提供的功的比例，即ex =240. 09 kJ/kg。η= Wp/ Wyp(3)比炯損:根據式(1)可求得理想狀況下可以提供的機械el=T(sz-s;)=ea-ea(5)能為Wm =283 kW。由式(5)得e,.=18.81 kJ/kg。參考海水淡化工業(yè)中廣泛應用的透平式功量交比擁效率:換器0.6-0.8的能量回收效率,這里取η=0.80,η。=epin/erpwy(6)則WL=227kW,由此計算出單位質量流體可回收由式(6)得η。=0。式(5)-(6)中:下標1,2分別能量達5.1 kJ/kg,可以應用液液功量交換器對其進為節(jié)流閥前、后2個狀太的參糊估:。當系統(tǒng)受益.中國煤化工行回收。比擁值總和;eqm為整個MHCNMH G根據式(2)可求得低壓灰水最終可以獲得的壓功量交換過程的化學工程2011 年第39卷第12期2.2.2加入功量交換 器的流程比煳分析而液體通過功量交換器時的比炯損主要源自變化過低壓流體進口:hz =335. 09 kJ/kg,s3=1.075 5程的不可逆性。通過計算可以看出高壓流體節(jié)流過kJ/(kg. K),es=18. 99 kJ/kg。程的比炯損高于液體通過功量交換器時總的比擁低壓流體出口:由前面計算過程可知,低壓流體損。節(jié)流過程中比煳損很大,但是沒有焓變也沒有加壓后所得壓力為p.=4.23 MPa。 過程中系統(tǒng)與對外做功或輸出熱量,只是部分流體發(fā)生了相態(tài)的外界的熱量交換可以忽略,近似為絕熱等熵過程,由變化,故其比炯效率為0;而液體經過功量交換器時等熵性結合P4=4.23MPa,可得假設條件下出口狀發(fā)生了比炯的傳遞,回收的有效能實現了對低壓流態(tài)為:T' =353.5 K,h' =339.28 kJ/kgo體的增壓，比炯效率明顯提高(20.9% )。該等熵過程比焓增量為Oh, =4.19 kJ/kg。由于過程的不可逆性以及局部傳熱的存在,壓縮過程3實現方式及存在問題分析中懷可能完全等熵。等熵效率定義為:η, = Oh,/3.1設備選擇Qh,這里取等熵效率為0. 90,從而求得比焓增量的早期興建的海水反滲透淡化系統(tǒng)大多采用透平修正值為Qh =4.66 kJ/kg。式能量回收裝置,壓能先轉化為機械能再傳遞給低結合pa=4.23MPa,可得修正后的出口狀態(tài)壓流體,能量回收效率較低,但是設備投資費用低,為:T=353.49 K,s4=1.0768 kJ/(kg. K),ex4=壓力波動較小,系統(tǒng)運行平穩(wěn)。代表產品包括:23.26 kJ/kg。Francis Turbine，Pelton Wheel Device6]。高壓流體進口:T，=523. 15 K,p, =6. 1MPa,h =正位移式則將余壓能直接傳遞給低壓流體,只需1 085. 7 kJ/kg,s| =2.788 4 kJ/(kg●K),exl =經過“壓力能-壓力能”的轉化,能量傳遞效率較高,可258. 94 kJ/kgo達91%- 96%。 代表產品有DWEER Techno-logy高壓流體出口:整個系統(tǒng)可視為-一個具有多股公司的DWERER系統(tǒng), ERI公司的PX等”。綜合物流出人的穩(wěn)定流動開口體系,如圖4所示。考慮,這二者均可以作為灰水處理過程功量交換器的備選對象?？紤]到設備成本,可靠性,以及灰渣堆ps- 4.23 MPa「P:-0.15 MPa積等因素,本文認為透平式具有更大優(yōu)勢,其工作原T。=術 知T;-353 K功敏交換器理示意圖如圖5所示。廠P-6.1MPa「 P2-1.0MPa7-523.KT-術知圈4加入功交換器的過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of proce8s with work exchanger忽略過程的位能以及流體的動能，根據能量守低壓灰水清壓黑水恒定律可得圖5 透平式液液功交換器原理Q= Emh- Em.h:+ WA(7)Fig.5 Priciple of liquid tubine work exchanger式中:Q為穩(wěn)流開口系統(tǒng)所得的熱量;m;為第i股進基于同一原理的功量回收裝置已經在石化工業(yè)料或者出料的質量,h;為其對應比焓值;WA為穩(wěn)流中有實際應用,如加氫裂化裝置、鉑重整裝置中的壓開口系對外所做的功,由條件可知:Q=W=0,故能回收器或液力透平[8]。這是一種透平式的能量h +hz-hz-ha =0回收裝置,將液體的壓能在經過透平噴管時轉變?yōu)槭街?下標1 ,2分別為高壓黑水功量交換前后2個動能,推動葉片轉動進而驅動透平軸轉動。所回收狀態(tài)的參數值;3 ,4分別為低壓灰水功量交換前后2機械能幫助進料泵主電機做功,從而節(jié)省電能。通個狀態(tài)的參數值。h =1 081 kJ/kg,結合 Pr=過這一-裝置每年可節(jié)約數百萬kW●h電能,并且設1.0 MPa,求得高壓流體出口狀態(tài)為:T2 =453 K,sz=備投資在1--2a內便可以收回。，2.841 2 kJ/(kg●K),ea =238.51 kJ/kg,expin =3.2 設備運行問題ex-ea =4.27 kJ/kg,exmy =ext -ea =20. 43 kJ/kgo .因介質中雜質含量很高設備運行過程中存在比炯效率η. =20. 90% ,比煳損es. = 16.16 kJ/kgo灰渣積累問題,景YH中國煤化工因此，正位節(jié)流過程中的比炯損來自節(jié)流閥的阻力作用,.移式功量交換器CN M H G保證平穩(wěn)張棟博等Texaco 煤氣化灰水處理功量交換應用分析運行,對于透平式這一問題則相對小些。4. 23 MPa,需在功量交換器之后再設置1臺增壓泵3.3 工藝問題以滿足工藝要求。圖6為含有功量交換過程的總體低壓灰水經過功量交換器增壓后壓力為灰水-黑水循環(huán)系統(tǒng)流程圖。'(化爐碳洗坍功敏交換器低壓閃然罐真空閃燕罐 除乳槽 成位 分離器.幾70MPa45 MPafT月廣-原水160C0.15SMP I 0.ISMR$( 02MPa 80日6.2MPa.62MP2|260C-0.6 MPa260CC 61 MPa[0MPaQ1 MPa-06MPa18050404 MPa-靡機常壓100C r 0.2MPa 100C .To了常溫常瓜邊池工工王鎖濟罐離心能增壓梨商壓丙燕罐壓濾機 沉降槽 分凼器 離心能|6 加入功交換器的灰水黑水循環(huán)的工藝流程Fig.6 Proces flow diagam of general water cycling with work exchanger4結論exchanger[J]. AIChE J, 1967 ,13:438 442.(1)Texaco煤氣化灰水處理過程高壓流體的可[2] HUANG Y L, FAN L T. Analysis of a work exchanger回收能量達5.1 kJ/kg, 可以應用液液功量交換器對network[J]. Ind Eng Chem Res, 1996 ,35 :3528-3538.其進行回收。通過比傭分析可以看出與原有節(jié)流過[3] 陳迎 ,劉玉民,明云峰.幾種絮凝劑處理德士古氣化黑程相比,功量交換過程比炯效率達到了20. 9%,具水的初步評選[J].工業(yè)水處理,2002 ,22(8) :58-60.有明顯優(yōu)勢。對于一個30萬Va合成氨的煤化工[4] DENG Jianqiang, SHI Jiquan, ZHANG Zaorxiao. et al.企業(yè),所節(jié)省的設備投資約700萬元,年節(jié)省能耗Thermodynamic analysis on work transfer process of twogas streams[J]. Ind Eng Chem Res, 2010, 49 (24):2.1l6x10* kW●h,節(jié)省電費112萬元。12496- 12502.(2)功量交換設備在海水淡化方面應用非常成[5]趙冠春， 錢立倫.炯分析及其應用[ M].北京:高等教熟,與正位移式相比較,透平式功量交換設備雖然效育出版社, 1984.率略低一些,但對現有整體流程影響較小,是較合理[6]孫業(yè)山， 馬玉久,游亞戈,等.反滲透海水淡化中差動的選擇。式能量回收裝置的研究[J].水處理技術, 2007,33(3)這一應用方案對應的功量交換器出口流體(6) :67-70.壓力低于工藝要求、灰渣積累等問題可通過設置增[7]常宇清 ,鞠茂偉,周一卉.反滲透海水淡化系統(tǒng)中的能壓泵、適當的設備選型等式予以解決。量回收技術及裝置的研究進展[J].能源工程,2006(3) :48-52.參考文獻:[8] 刁望升高壓加氫裝置應用液力透平可行性研究[J].[1] CHENGC Y, CHENGS w, FANL T. Flow work煉油技術與工程,2008 ,38(7)-33-35.歡迎投稿，歡迎訂閱，歡迎刊登廣告!中國煤化工MHCNMH G