我国现代煤化工经过“十二五”高速发展，取得了长足的进步，同时在“十三五”发展过程中，要执行量水而行、严控能源消费总量和绿色发展的原则。煤气化是现代煤化工的气头，也是现代煤化工用水用电大户。在煤制合成氨工厂的能耗组成中，煤气化装置（包括空分装置）的能耗占到85%以上[1]，煤气化技术耗水量主要在于煤一次气化耗水量以及气化合成气后续深加工过程耗水量[2]。因此，煤气化是现代煤化工节水降耗的重要组成部分。在煤气化实现能量回收、水循环使用的过程中渣及灰水处理系统发挥着重要的作用。因此，对渣及灰水系统开展节能潜力分析非常有必要。

  

图1 渣及灰水处理工艺流程示意图

1 渣及灰水处理工艺流程

渣及灰水处理系统主要通过三级闪蒸系统、沉降澄清系统、除氧系统等子系统实现能量回收、工艺水循环再利用。渣及灰水处理工艺流程示意图见图1。

来自气化及合成气洗涤系统的黑水经减压阀后，被送入高压闪蒸罐，一部分经闪蒸变成蒸汽进入汽提塔，加热来自除氧系统的工艺水，尾气经换热器冷却和高闪分离罐分离后，送硫回收单元，高闪分离罐分离出来的冷凝水送除氧系统。高压闪蒸罐底部流出的黑水经低压闪蒸罐、真空闪蒸罐进一步闪蒸后，排出的水被送至黑水沉降澄清系统。黑水经过沉降澄清后，变成灰水，一大部分灰水经除氧系统除氧、汽提塔加热后，送回到气化及合成气洗涤系统，另一部分灰水通过废水冷却器冷却送污水处理厂，用来平衡系统中溶解的盐分。低压闪蒸罐出口蒸汽送入除氧系统起除氧作用，真空闪蒸罐出口蒸汽经换热器冷却及真闪分离罐分离、真空泵抽引后，排大气。

2 节能降耗分析

由图1可知，渣及灰水处理系统对黑水的回收利用途径为：气化及合成气洗涤系统→高压闪蒸罐→低压闪蒸罐→真空闪蒸罐→黑水沉降澄清系统→除氧系统→汽提塔→气化及合成气洗涤系统。同时，对三级闪蒸系统中蒸汽的能量进行回收利用，闪蒸气中不能回收的能量通过换热器冷却后排出，高压闪蒸气在汽提塔中加热灰水，经换热器冷却后，送高压闪蒸分离罐；低压闪蒸气送入除氧系统对灰水除氧，以节省蒸汽用量。水在渣及灰水处理系统的温度、压力变化及闪蒸气温度变化见图2。

A Survey of TCM Health Tourism Demonstration Base based on the Traversing Method______________________________LI Xintai,MO Yingning 43

  

图2 水在渣及灰水处理系统温度、压力变化及闪蒸气温度变化

 

1—气化及合成器洗涤系统 2—高压闪蒸罐3—低压闪蒸罐 4—真空闪蒸罐 5—黑水沉降澄清系统6—除氧系统 7—汽提塔 8—高闪分离罐9—真闪分离罐 10—气化及合成器洗涤系统

由图2可知，水在渣及灰水处理系统中压力变化最大之处在：气化及合成气洗涤系统→高压闪蒸罐的减压过程以及汽提塔→气化及合成气洗涤系统的加压过程。水加压过程是通过泵来实现，高温高压黑水减压过程通过减压阀逐级实现，还会造成减压阀及减压阀后管件严重磨蚀。因此，这部分能量可回收利用。

近几十年来，国内外研发了各种低品质能源回收技术，并在各领域中开始应用。如螺杆膨胀机[5]是利用蒸汽、热液或者汽液两相流体的热能作为动力源驱动发电机发电，或者直接驱动搅拌机、风机、压缩机等机械设备。有机朗肯循环[6]采用低沸点的有机工质，替代朗肯循环中的传统工质水，推动涡轮机作功,主要用于回收地热、太阳能及冶金、化工、建材等行业的低压蒸汽余热，以及工业生产中产生的≥80℃的热水及热液的能量等[7]。因此，可用螺杆膨胀机联合有机朗肯循环，回收这部分能量。

由高压闪蒸气和真空闪蒸气温度变化情况可知，高压闪蒸气温度变化较大，真空闪蒸气温度变化较小，但真空闪蒸气量远大于高压闪蒸气量。闪蒸气在冷却过程中，需要消耗大量的循环水。根据单系列2 000 t级气化炉物料平衡有关计算可知，渣及灰水处理系统消耗的循环水占整个气化系统的70%～80%，而闪蒸气冷却消耗的循环水占渣及灰水处理系统消耗的80%以上。因此，合理的回收利用闪蒸气的能量，对气化系统节能降耗有重要的意义。

3 可回收的能量及适用技术探讨

3.1 压力势能回收及适用技术探讨

案例1：在“等比数列”一节教学时，可设计如下问题引入等比数列的概念：阿基里斯（希腊神话中的赛跑英雄）和乌龟赛跑，乌龟在前方1里处，阿基里斯的速度是乌龟的10倍，当他追到了1里，乌龟前进了里，当他追到里，乌龟前进了里，当他追到里，乌龟又前进了里……

以单系列2 000 t级气流床气化炉为例，气化及合成气洗涤系统→高压闪蒸罐过程中，黑水压力由4.0 MPa（220℃）/3.8 MPa（210℃）降至 0.5 MPa，黑水流量约为200 t/h。经Aspen模拟计算，这部分黑水压力势能为W=745 kW。

图3中A、B、D布置形式为电动机+液力透平，在透平机故障情况下，能保证系统正常运行。与A、B布置方案相比，D方案电动机为双轴设计，泵设计简单，通用性更强。

液力透平常见有6种配置方式[4]，其中A、B、D是目前广泛采用的型式（方案见图3）。

液力透平是一种能量回收装置，可以对工艺流程中产生的高压液体进行再利用，目前广泛应用于石油化工加氢裂化装置、大型合成氨装置以及海水淡化装置等，是一种具有长远经济效益的节能装置[3]。理论上，有超过20 kW回收能量，就可用液力透平回收利用[4]。因此，气化及合成气洗涤系统→高压闪蒸罐过程中，压力能可用液力透平回收利用。

  

图3 液力透平配置方案示意图

 

D布置形式1—液力透平 2—离合器3—电动机 4—齿轮箱 5—泵

(3)智慧城市市民抱怨、智慧城市预期与智慧城市建设满意度呈现负相关得到验证(H5，H6)，且在0.05水平下是显著的。这表明较高的市民期望值会对智慧城市的建设发展产生些许的负面影响，如果市民对智慧城市建设的期望太高，市民在享受服务之后的实际心理感知与期望值相比差距较大，那么市民的满足性预期得不到满足，市民对智慧城市建设的抱怨就会增多，因而降低了市民的满意度。

真空闪蒸罐→真闪分离罐及真空泵系统为真闪气经冷却后被真空泵抽出排空的过程，其中真闪气从82℃降至68℃，真闪气流量约为22 000 t/h。经Aspen模拟计算，真闪气热能为Q2=14.4 MW。

进入渣及灰水系统的黑水含固量较高，液力透平可采用类似渣浆泵的形式。液力透平可考虑布置在地面，同时为避免气液两相对液体透平的不利影响，液力透平出口黑水压力降至2.2 MPa后，靠压力送入高闪，经Aspen模拟计算，可回收的有效能量为76 kW。

气化系统年操作时间为8 000 h，每年可节省能量为 76×8 000=608 MW·h，工业电费按 0.5 元 /kW·h，一年可节省电费约608×0.5×1 000=30万元。

在生态循环经济的背景下，循环利用已经成为整个社会的普遍共识和价值认同。因此，在实现旅游资源的最佳效益时，企业要注重对旅游环境的具体承载量进行把控，不简单以旅游收入作为衡量其经济发展效果的标准，而是需要企业在认清大众旅游消费诉求的基础上，将维护生态纳入到大众消费理念之中。当然，在管理过程中，有关部门也要对破坏生态的行为予以惩治。

3.2 热能回收及适用技术探讨

汽提塔→高压闪蒸分离罐为高压闪蒸气经换热器冷却后送下游的过程，其中高闪气从157℃降至60℃，高闪气流量约为3 500 kg/h。经Aspen模拟计算，高压闪蒸气热能为Q1=2.4 MW。

（6）施工现场必须按要求做到活完清场，按企业标准规范化管理。施工机械要有序停放，材料要整齐堆放；建筑施工垃圾、生活废水废物的清运、排放均应符合市政要求。

高闪气和真闪气共需外界提供Q=Q1+Q2=16.8 MW的冷量，折合需提供循环水（10℃温差，水的比热容为4.18 kJ/（kg·℃），1 h 为 3 600 s）16.8×1 000÷4.18÷10×3 600÷1 000≈1 440 t/h。

由水在渣及灰水处理系统中温度变化可知，气化及合成气洗涤系统→高压闪蒸罐→低压闪蒸罐→真空闪蒸罐→黑水沉降澄清系统过程中温度逐级下降，原因是黑水温度下降，这部分能量使部分黑水气化，产生闪蒸气，以便回收能量；黑水沉降澄清系统→除氧系统过程中温度上升的原因是系统使用低压蒸汽除氧，同时对回收的工艺水起到加热作用，除氧系统→汽提塔过程中温度上升的原因是高压闪蒸气加热回收的工艺水，汽提塔→气化及合成气洗涤系统过程中温度基本不变。因此，这部分能量无法回收利用。

螺杆膨胀机及有机朗肯循环联合系统中，用螺杆膨胀机替代涡轮机作功，作功后的乏气经冷凝器变成液态有机工质后，经有机工质泵输送至蒸发器，在蒸发器中回收高压闪蒸气和真空闪蒸气的热能，重新变成气态有机工质，气态有机工质进入螺杆膨胀机作功，完成一次循环。螺杆膨胀机及有机朗肯循环联合系统示意图见图4。

谈西锋等[8]采用R245fa和R152a的非共沸混合工质，研究回收85℃热源的热量、热源出口温度为62℃的双循环系统，研究结果表明：螺杆膨胀机及有机朗肯循环联合系统总的循环效率可达8%～10%。按照此效率计算，可回收的真空闪蒸气的能量达1.3 MW（16.8×8%）～1.68 MW（16.8×10%）。年操作时间按8 000 h 计算，每年可节省能量 10 400 MW·h（8 000×1.3）～13 440 MW·h（8 000×1.68），工业电费按 0.5 元/kW·h，一年可节省电费 520万元（10 400×0.5×1 000）～672 万元（13 440×0.5×1000）。且螺杆膨胀机的效率在65%～80%[9]，可见有机工质带入冷凝器的热量为原闪蒸气热量的20%～35%，经计算螺杆膨胀机及有机朗肯循环联合系统中冷凝器的循环水使用量为 288 t/h（1 440×20%）～504 t/h（1 440×35%），可节约循环水936 t/h～1 152 t/h。经 Aspen模拟计算，可间接节约循环水用电46 kW～57 kW，折合每年循环水节省 18万元（46×0.5×8 000÷10 000）～22万元（57×0.5×8 000÷10 000）电费；同时节省新鲜水（蒸发损失按 1%，吹散、泄露损失按 0.3%考虑）12 t/h～15 t/h。

  

图4 螺杆膨胀机及有机朗肯循环联合系统示意图

4 结 论

4.1 渣及灰水处理系统在压力势能、热能方面有巨大的节能降耗潜力。

第一，越冬期和冬季的管理。在越冬时期和冬季之前，对于小麦的管理是呵护小麦苗，要确保小麦可以健康成长，安全过冬。依旧需要注意的，当小麦出苗后，应及时不中，控制小麦的数量，过密或者稀疏均不好。冬季温度高的年份，应实行控制方法，避免群体过大。在干旱年，通常冬季前分别少，应使用足够的措施，提高成穗率。灌溉、中耕和施肥是冬季的主要管理措施，需要灵活运用，让小麦能够稳定过冬，此时期也是病虫防害和化学除草的有效时期。

4.2 黑水压力势能可用液力透平加电动机的方式回收能量，闪蒸气的热能可用螺杆膨胀机+有机朗肯循环回收能量。

4.3 对单系列2 000 t级气化炉，每小时可节省循环水 936 t～1 152 t、新鲜水 12 t～15 t，采用液力透平每年可节省电费30万元，采用螺杆膨胀机及有机朗肯循环联合系统每年可节省电费538万元（520+18）～694（672+22）万元，共计每年可节约 568万元 ～724万元，具有良好的经济潜力。

参考文献：

[1]游 伟，王 耀，孔秋生，等.煤制合成氨装置能耗分析与节能方向[J].化肥设计，2014，52（2）：1-6.YOU W，WANG Y，KONG Q S，et al.Energy Consume Analysis and Energy Conservation Direction of Plant of Synthetic Ammonia Made by Coal[J].Chemical Fertilizer Design，2014，52（2）：1-6.

[2]刘艳丽，刘 戈.煤化工行业高水耗问题分析与探讨[J].煤炭科学技术，2016，44（4）：189-195.LIU Y L，Liu G.Analysis and Discussion on High Water Consumption Problem of Coal Chemical Industry[J].Coal Science and Technology，2016，44（4）：185-195.

[3]徐秀生.液力透平在石化行业中的应用[J].通用机械，2013（3）：23-27.

[4]许重文，张培基，宋 双，等.能量回收液力透平的特点及应用[J].通用机械，2015（8）：32-34.

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