Texaco煤气化灰水处理功量交换应用分析

第39卷第12期化学工程Vol. 39 No. 122011年12月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Dec.2011Texaco煤气化灰水处理功量交换应用分析张栋博'，邓建强',方永利'，张艳丽^(1.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049;2.西安科技大学能源学院，陕西西安710054)摘要:Texaco煤气化灰水处理工艺过程耗能巨大,该过程涉及到灰水温度、压力等参数的大幅度变化，蕴含着大量的可回收机械能。功量交换可实现高压流体向低压流体压力能的传递,提供了一种系统能量综合与集成的新手段。对现有工艺中蕴含的可回收机械能做了简要计算,进行了比拥分析。结果表明:对于一个30万Va合成氨的煤化工企业,Texaco煤气化灰水处理过程高压流体的可回收能量达5.1kJ/kg,功量交换过程比烟效率达到了20. 9% ,所节省的设备投资达700万元,年节约能耗2.16 x 10° kW●h,节约电费112万元。对这一应用方案中的设备问题提出了设置增乐泵、适当设备选型等解决方案。从而可以看出,功量交换在煤气化灰水处理I艺中具有很大的应用潜力。关键词:功量交换;Texaco煤气化;比炯分析中图分类号:TQ 546文献标识码:A文章编号: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煤气化是当前中国煤化工的主体工艺之槭能、电能的消耗。功量交换器在液体机械能回收一,该T艺中,灰水处理是一一个重要的耗能过程。常方面有着极大的优势,在海水淡化过程中利用浓缩压的工艺气洗涤水被加压到7.0 MPa送至气化工后的排水压力能将新鲜海水升压从而回收压力段,从气化工段出来后通过减压阀降压后进行闪蒸,能("2),得到广泛应用。以此类推,功量交换技术在处理后又再次加压循环使用。该过程涉及到大量机Texaco气化灰水处理方面也存在应用的可能。收稿日期:2011-06-17中国煤化工基金项目:国家自然科学基金资助项自(20936004)作者简介:张栋博(1983- -)，男,硕士研究生,研究方向为功量热量耦合系统;邓建强,通讯.MYHCN MH G.edu.cn.化学工程2011年第39卷第12期1 Texaco 煤气化的流程及工艺要求炉工艺烧嘴,与来自空分装置的氧气一起进入气化1.1 煤气化总体工艺流程炉,在1 300- -1 400 C下进行部分氧化生成粗煤气,Texaco煤气化的核心技术是加压气流床气化工经气化炉底部的激冷室激冷后,气体和固渣分开。艺,其关键设备是气化炉,具体工艺流程见图1。粗煤气经文丘里洗涤器进人碳洗涤塔,冷却除尘后Texaco煤气化过程包括煤浆制备、煤浆气化、灰水处进入CO变换工序。气化炉出口灰水经灰水处理工理和CO变换等工序。煤、石灰石、添加剂经称量后段4级闪蒸处理后,一部分返回碳洗涤塔用作洗涤加入到磨煤机中,与一-定量的水混合,磨成- -定粒度水,经泵进入气化炉,另一部分灰水送往废水处理工分布、质量分数为60%-65%的水煤浆,通过滚筒序。熔渣被激冷固化后进入破渣机,特大块渣经破筛滤去较大颗粒后,经磨机出口槽泵和振动筛送进碎进人锁斗,定期排入渣池,由捞渣机捞出定期煤浆槽中。煤浆槽中的煤浆由高压煤浆泵送至气化外运。廓煤与制浆| '(化及L.艺'(冷印1.艺'(洗涤钒气>凡'(放空士烧嘴1艺(放空原燦一密煤机工.出冷凝液|华激冷水能2减爪阀L巴锁斗煤浆能沉降情-O失游◆济池多级出心族.图1 Texaco 煤气化基本流程Fig. 1 Process flow diaegram of Texaco gaification1.2灰水工艺流程黑水-灰水循环系统的压力变化情况如图2所气化炉及碳洗塔中,工艺气洗气产生的含大量示。黑水-灰水循环系统的流量按200 m'/h计算。杂质的高压水称为气化黑水;气化黑水经过减压闪气化炉出口黑水压力高达6.5 MPa,在管路中因沿蒸沉降等过程处理所得杂质含量较少的水称为灰程阻力损失压力略有降低,经减压阀后压力降至水。来气化炉碳洗塔系统的高压黑水经过减压1.0 MPa,然后依次进入4级闪蒸工段。而处理后.阀降压后送往闪蒸I段除去大部分固体颗粒,再经的常压灰水经过初步加压后变为0.15 MPa,之后通沉降得到澄清的灰水,然后用多级离心泵加压后送过多级离心泵使其压力升至7.0 MPa送往气化人碳洗塔气化炉系统循环使用。工序。1.3 基本运行数据本文以国内某大型煤化工企业的运行数据进行计算及方案设计,其生产规模为30万/a合成氨。6ATexaco煤气化生产过程中,气化黑水中溶解或悬浮有粗煤气中的多种成分。表1是黑水-灰水循环系出4统的水质组分[3。.2表1水系统水质组成Table 1 Composition of water system黑水灰水(化系统/减爪阀/增爪泵’ (化系统/电导率/(μS●cm ")2 1101 810图2水系统压力变化p(Ca2*)/(mg.L-56. 1631. 85Fig.2 Variation trend of pressure of water systemp(Cl~)/(mg.L-I)74. 4217. 38p(固悬物)/(mg.L)2 850ρ(总磷)/(mg.L-4.24. 2.49黑水-灰水循环系统的混麻亦化过租加下:气化碱度/(mmol .L+)2.4711.92炉及碳洗塔出口黑中国煤化工管路传热.pH8.31 .8.53损失温度略有降低YHL.CNMHC程后降至张栋博等Texaco 煤气化灰水处理功量交换应用分析常温。常温下的灰水经过闪蒸汽加热后温度升至力为Pup, =4.24 MPa,需设置1台多级离心泵对灰.80 C ,再经过换热器加热后温度升至约160 C,然水进行增压,以满足7.0 MPa的工艺要求。后送人碳洗塔或气化炉使用。对于生产规模为30万/a合成氨的煤化工企业,以现有的工艺流程为参照,简要进行如下经济2功量回收分析衡算。①设备投资费用:现有流程所需多级离心在前面分析的基础上，提出利用气化炉出口高泵、减压阀等的总体费用超过1000万元;而功量压黑水的压力能,对来自沉降槽的低压灰水进行加交换流程所需能量回收装置、增压泵的总体费用压以回收部分压力能的方案,如图3所示。气化炉约合300万元,节省投资约700万元。②设备运行出口的高压黑水经过功量交换器释放压能后压力降费用:现有流程中多级离心泵功耗为550kW;功量至1.0 MPa,然后进人闪蒸工段。而低压灰水通过交换流程中增压泵的功耗约为220kW,年节约能功量交换器后压力大幅升高,再经增压后送往气化耗约2.16x10° kW●h,按照大工业用电0.51元/工序。(kW●h)的价格计算,电费节省达112万元。由(化州一= >5CW然)此可知,功量交换流程可以实现巨大的设备投资个节省和数百万kW●h的能耗节省,具有良好的经(碳洗塔)济效益。(岗心期<==(人= = C降D2.2比炯分析把常温和常压作为环境基准温度To和环境基圈3加入功交换器的灰水-黑水循环工艺流程准压力Po,在To,Po时,取环境中最稳定的纯水作Fig.3 Procese flow of work exchange for gray water back water cycle为基准物。T。 =298.15 K,Po =0.1 MPa,对应状态下的比焓值与比熵值分别为ho = 104. 92 kJ/kg,2.1回收能力计算设低压流体(LP)从初始压力pup, .加压到目标So =0.367 2 kJ/(kg. K)。压力pr.,高压流体( HP)从初始压力Pp.降压到黑水、灰水的物性参数未知,均以纯水的物性参目标压力PHp,,因为压力变化时液体的体积变化数来近似,由NIST物性软件确定。流体在功量交换很小，假设功量交换过程中液体在自由膨胀及压过程中只发生水分汽化及气固相温度变化等物理变缩时的体积变化可以忽略,则高压灰水可以提供化,从而不考虑前后化学炯的变化。的功量为[4]2.2.1现有 流程高压灰水物理佣分析WHp =gn(Pmp. -PHp,)(1)将高温高压流体通过节流阀视为节流过程。低压灰水所需功量为进口状态: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)。假设高压灰水的体积流量等于低压灰水的体积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。.出口状态:由节流过程等焓性结合Pr =1.0 MPa,功量交换器能量回收效率η被定义为低压流可得出口状态T2 =453.03 K,s2 =2.851 5 kJ/(kg.K),体获得的功占高压流体提供的功的比例，即ex =240. 09 kJ/kg。η= Wp/ Wyp(3)比炯损:根据式(1)可求得理想状况下可以提供的机械el=T(sz-s;)=ea-ea(5)能为Wm =283 kW。由式(5)得e,.=18.81 kJ/kg。参考海水淡化工业中广泛应用的透平式功量交比拥效率:换器0.6-0.8的能量回收效率,这里取η=0.80,η。=epin/erpwy(6)则WL=227kW,由此计算出单位质量流体可回收由式(6)得η。=0。式(5)-(6)中:下标1,2分别能量达5.1 kJ/kg,可以应用液液功量交换器对其进为节流阀前、后2个状太的参糊估:。当系统受益.中国煤化工行回收。比拥值总和;eqm为整个MHCNMH G根据式(2)可求得低压灰水最终可以获得的压功量交换过程的化学工程2011 年第39卷第12期2.2.2加入功量交换 器的流程比煳分析而液体通过功量交换器时的比炯损主要源自变化过低压流体进口:hz =335. 09 kJ/kg,s3=1.075 5程的不可逆性。通过计算可以看出高压流体节流过kJ/(kg. K),es=18. 99 kJ/kg。程的比炯损高于液体通过功量交换器时总的比拥低压流体出口:由前面计算过程可知,低压流体损。节流过程中比煳损很大,但是没有焓变也没有加压后所得压力为p.=4.23 MPa。 过程中系统与对外做功或输出热量,只是部分流体发生了相态的外界的热量交换可以忽略,近似为绝热等熵过程,由变化,故其比炯效率为0;而液体经过功量交换器时等熵性结合P4=4.23MPa,可得假设条件下出口状发生了比炯的传递,回收的有效能实现了对低压流态为:T' =353.5 K,h' =339.28 kJ/kgo体的增压，比炯效率明显提高(20.9% )。该等熵过程比焓增量为Oh, =4.19 kJ/kg。由于过程的不可逆性以及局部传热的存在,压缩过程3实现方式及存在问题分析中怀可能完全等熵。等熵效率定义为:η, = Oh,/3.1设备选择Qh,这里取等熵效率为0. 90,从而求得比焓增量的早期兴建的海水反渗透淡化系统大多采用透平修正值为Qh =4.66 kJ/kg。式能量回收装置,压能先转化为机械能再传递给低结合pa=4.23MPa,可得修正后的出口状态压流体,能量回收效率较低,但是设备投资费用低,为:T=353.49 K,s4=1.0768 kJ/(kg. K),ex4=压力波动较小,系统运行平稳。代表产品包括:23.26 kJ/kg。Francis Turbine，Pelton Wheel Device6]。高压流体进口:T，=523. 15 K,p, =6. 1MPa,h =正位移式则将余压能直接传递给低压流体,只需1 085. 7 kJ/kg,s| =2.788 4 kJ/(kg●K),exl =经过“压力能-压力能”的转化,能量传递效率较高,可258. 94 kJ/kgo达91%- 96%。 代表产品有DWEER Techno-logy高压流体出口:整个系统可视为-一个具有多股公司的DWERER系统, ERI公司的PX等”。综合物流出人的稳定流动开口体系,如图4所示。考虑,这二者均可以作为灰水处理过程功量交换器的备选对象。考虑到设备成本,可靠性,以及灰渣堆ps- 4.23 MPa「P:-0.15 MPa积等因素,本文认为透平式具有更大优势,其工作原T。=术 知T;-353 K功敏交换器理示意图如图5所示。厂P-6.1MPa「 P2-1.0MPa7-523.KT-术知圈4加入功交换器的过程示意图Fig.4 Schematic diagram of proce8s with work exchanger忽略过程的位能以及流体的动能，根据能量守低压灰水清压黑水恒定律可得图5 透平式液液功交换器原理Q= Emh- Em.h:+ WA(7)Fig.5 Priciple of liquid tubine work exchanger式中:Q为稳流开口系统所得的热量;m;为第i股进基于同一原理的功量回收装置已经在石化工业料或者出料的质量,h;为其对应比焓值;WA为稳流中有实际应用,如加氢裂化装置、铂重整装置中的压开口系对外所做的功,由条件可知:Q=W=0,故能回收器或液力透平[8]。这是一种透平式的能量h +hz-hz-ha =0回收装置,将液体的压能在经过透平喷管时转变为式中:下标1 ,2分别为高压黑水功量交换前后2个动能,推动叶片转动进而驱动透平轴转动。所回收状态的参数值;3 ,4分别为低压灰水功量交换前后2机械能帮助进料泵主电机做功,从而节省电能。通个状态的参数值。h =1 081 kJ/kg,结合 Pr=过这一-装置每年可节约数百万kW●h电能,并且设1.0 MPa,求得高压流体出口状态为:T2 =453 K,sz=备投资在1--2a内便可以收回。，2.841 2 kJ/(kg●K),ea =238.51 kJ/kg,expin =3.2 设备运行问题ex-ea =4.27 kJ/kg,exmy =ext -ea =20. 43 kJ/kgo .因介质中杂质含量很高设备运行过程中存在比炯效率η. =20. 90% ,比煳损es. = 16.16 kJ/kgo灰渣积累问题,景YH中国煤化工因此，正位节流过程中的比炯损来自节流阀的阻力作用,.移式功量交换器CN M H G保证平稳张栋博等Texaco 煤气化灰水处理功量交换应用分析运行,对于透平式这一问题则相对小些。4. 23 MPa,需在功量交换器之后再设置1台增压泵3.3 工艺问题以满足工艺要求。图6为含有功量交换过程的总体低压灰水经过功量交换器增压后压力为灰水-黑水循环系统流程图。'(化炉碳洗坍功敏交换器低压闪然罐真空闪燕罐 除乳槽 成位 分离器.几70MPa45 MPafT月广-原水160C0.15SMP I 0.ISMR$( 02MPa 80日6.2MPa.62MP2|260C-0.6 MPa260CC 61 MPa[0MPaQ1 MPa-06MPa18050404 MPa-靡机常压100C r 0.2MPa 100C .To了常温常瓜边池工工王锁济罐离心能增压梨商压丙燕罐压滤机 沉降槽 分凼器 离心能|6 加入功交换器的灰水黑水循环的工艺流程Fig.6 Proces flow diagam of general water cycling with work exchanger4结论exchanger[J]. AIChE J, 1967 ,13:438 442.(1)Texaco煤气化灰水处理过程高压流体的可[2] HUANG Y L, FAN L T. Analysis of a work exchanger回收能量达5.1 kJ/kg, 可以应用液液功量交换器对network[J]. Ind Eng Chem Res, 1996 ,35 :3528-3538.其进行回收。通过比佣分析可以看出与原有节流过[3] 陈迎 ,刘玉民,明云峰.几种絮凝剂处理德士古气化黑程相比,功量交换过程比炯效率达到了20. 9%,具水的初步评选[J].工业水处理,2002 ,22(8) :58-60.有明显优势。对于一个30万Va合成氨的煤化工[4] DENG Jianqiang, SHI Jiquan, ZHANG Zaorxiao. et al.企业,所节省的设备投资约700万元,年节省能耗Thermodynamic analysis on work transfer process of twogas streams[J]. Ind Eng Chem Res, 2010, 49 (24):2.1l6x10* kW●h,节省电费112万元。12496- 12502.(2)功量交换设备在海水淡化方面应用非常成[5]赵冠春， 钱立伦.炯分析及其应用[ M].北京:高等教熟,与正位移式相比较,透平式功量交换设备虽然效育出版社, 1984.率略低一些,但对现有整体流程影响较小,是较合理[6]孙业山， 马玉久,游亚戈,等.反渗透海水淡化中差动的选择。式能量回收装置的研究[J].水处理技术, 2007,33(3)这一应用方案对应的功量交换器出口流体(6) :67-70.压力低于工艺要求、灰渣积累等问题可通过设置增[7]常宇清 ,鞠茂伟,周一卉.反渗透海水淡化系统中的能压泵、适当的设备选型等式予以解决。量回收技术及装置的研究进展[J].能源工程,2006(3) :48-52.参考文献:[8] 刁望升高压加氢装置应用液力透平可行性研究[J].[1] CHENGC Y, CHENGS w, FANL T. Flow work炼油技术与工程,2008 ,38(7)-33-35.欢迎投稿，欢迎订阅，欢迎刊登广告!中国煤化工MHCNMH G