煤化工灰渣水含固管線的問題與措施

陳作強，王宗立，李相軍，賀永金

(1.航天長征化學工程股份有限公司，北京 101111;2.濮陽龍宇化工有限責任公司，河南濮陽 457000)

0 引言

由于石油資源的日益短缺，我國的資源開發(fā)和儲備與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益突出，同時我國煤炭資源相對豐富，總資源量為5 569.7 Gt，可直接經(jīng)濟利用儲量為184.2 Gt煤，炭資源消費約占總能源消費的75%。在未來的20～30年內(nèi)，中國仍然將保持以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)。目前，很多煤化工企業(yè)氣化路線選擇粉煤氣化流程或水煤漿進料流程。如GE的Texaco水煤漿技術(shù)，荷蘭殼牌Shell粉煤氣化技術(shù)，德國GSP粉煤氣化技術(shù)，國內(nèi)如多噴嘴對置式水煤漿，新型四噴嘴干煤粉加壓氣化，多元料漿技術(shù)和HT－L技術(shù)。在現(xiàn)有已開車工程項目中，氣化島中灰渣水處理單元的管線、閥門，經(jīng)常由于顆粒固體的淤積而堵塞管道，造成氣化島的工藝波動甚至造成不必要的停車。本文就煤氣化中影響灰渣水處理單元操作的因素進行論述。

1 灰渣水系統(tǒng)簡介

1.1 灰渣水單元設(shè)置的目的

灰水處理單元的作用就是回收廢熱、脫除溶解氣體、分離灰渣、使干凈灰水循環(huán)使用，灰渣及細灰作為廢料排出單元。

1.2 灰渣水單元流程

以濮陽龍宇化工的氣化爐為例，由氣化爐激冷室、碳洗塔底部排出的高溫黑水經(jīng)逐級減壓閃蒸，溫度降至40～80℃后送入沉降槽內(nèi)，懸浮細渣在絮凝劑的作用下沉降分離，從底部抽出送往壓濾機壓濾。沉降后的清液即灰水，大部分加壓后返回氣化系統(tǒng)循環(huán)使用，小部分為了調(diào)節(jié)循環(huán)灰水中的含鹽量和其他離子的濃度作為廢水送出界外。氣化爐撈渣機分離出的黑水直接送往真空閃蒸罐閃蒸或送往沉降槽沉降分離?；宜W蒸系統(tǒng)一般采用高壓閃蒸配真空閃蒸流程，由于氣化壓力等級和閃蒸汽用途的各不相同，閃蒸壓力和流程設(shè)置視情況也有差異，在用的有一、二、三、四級閃蒸流程之分。從渣池撈出的粗渣及壓濾機排出的細渣由專車送出界外。

2 灰渣水系統(tǒng)操作中存在問題及原因分析

2.1 存在問題

①管道、閥門的堵塞。在系統(tǒng)運行過程中，黑水中懸浮的大量煤灰及未反應的炭積聚在管壁，達到一定的厚度后，受流體的沖擊以及開停爐時黑水溫度急劇變化的沖擊而脫落，造成對管線以及減壓閥的阻塞。同樣真空閃蒸罐頂部冷凝器殼程容易堵塞，這樣會造成真空閃蒸系統(tǒng)阻力降增大，迫使真空閃蒸罐在超壓狀態(tài)下運行。另外運行過程中，由于黑水的硬度較高，造成系統(tǒng)管道結(jié)垢嚴重，長期運行就會造成管道阻力增加，嚴重時垢片脫落導致管道、閥門堵塞。

②管道的磨損腐蝕。經(jīng)多次重復利用的灰水成分十分復雜，水質(zhì)不斷惡化，氯離子含量逐漸升高，從而導致相應管線的材料腐蝕。

2.2 管道、閥門的堵塞現(xiàn)象及原因

從氣化爐、洗滌塔底部直接排出的黑水含有大量的煤焦和細渣，細渣成分一般為 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等?；曳质敲和耆紵笫Ｏ碌臍堅@些殘渣幾乎全部來自于煤中的礦物質(zhì)。

在安徽臨泉和河南濮陽兩個HT－L氣化項目中，通過對氣化渣水單元進行時間縱向和兩個項目之間橫向的初步比較，總結(jié)出引起灰渣水系統(tǒng)固體含量高的原因有以下幾點:①原料煤的灰分大，產(chǎn)生的固體總量多。②爐溫控制不合理，碳反應不完全，導致殘?zhí)几撸黾恿斯腆w含量。③原料煤活性差，導致殘?zhí)几?。④粉煤粒度不均勻，粒度相差太大，或矸石多含粉大。⑤絮凝劑的選擇或添加不合理，絮凝效果不好，導致灰水的固體含量較高。⑥煤焦的黏結(jié)特性差，形成的固體顆粒粒徑小，導致帶入灰水系統(tǒng)的細灰增加。

2.3 管道的磨損腐蝕現(xiàn)象及原因

在實際生產(chǎn)中會遇到黑水含固量比較高(約30%左右)，整個系統(tǒng)介質(zhì)對管道及設(shè)備的磨損比較嚴重，同時堵塞也是黑水/灰水處理系統(tǒng)比較顯著的特點，這些問題都影響了整個氣化裝置的順利運行。相關(guān)文獻調(diào)研及企業(yè)反饋，黑水/灰水處理系統(tǒng)對管道的磨蝕現(xiàn)象較為突出。如某廠經(jīng)過真空閃蒸后黑水介質(zhì)中部分成分含量及pH值、堿度等數(shù)據(jù)見表1。

表1 黑水分析數(shù)據(jù)表

2.3.1 管道磨損原因分析

黑水中固體懸浮物和濁度較高，并為多相流，主要為液固兩相流。多相流中材料的損傷形式主要包括電化學腐蝕和磨損腐蝕。

①電化學腐蝕。為了避免煤灰等在管道、設(shè)備內(nèi)沉積發(fā)生堵塞，在通常情況下，若黑水呈弱酸性，可能造成電化學腐蝕的是黑水中的H2S腐蝕、CO2腐蝕、HCl腐蝕和HCOOH腐蝕等，這些作用再加上磨損作用，對閥門的損傷是非常嚴重的。②磨損腐蝕。黑水流動過程中，由于壓力的突變，在湍流場合，引起的磨損和沖刷現(xiàn)象十分突出。黑水管道的多相流損毀涉及材料學、電化學和流體力學的多學科交叉，是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式。在壓力、流速沒有變化或者變化比較平緩時，主要表現(xiàn)為電化學腐蝕;在調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)閥后管道、彎頭、閥門部位，主要表現(xiàn)為沖蝕、氣蝕等磨損腐蝕。

2.3.2 管道磨損部位分析

①沖蝕磨損。仍以上某廠真閃進口為例，黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后，靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，流速急劇增加，流動狀態(tài)呈湍流，邊界層或鈍化膜無法形成或很快被夾帶著SiO2顆粒的高速流體給擊穿。尤其在調(diào)節(jié)閥節(jié)流口，介質(zhì)高速流動，具有強大動能，它可以很快將閥芯、閥座沖出流線型的細槽。調(diào)節(jié)閥后球閥的閥芯、閥體及閥后管道也會遭受嚴重的沖刷磨損，而把新鮮的材料表面暴露在腐蝕性流體中進一步承受腐蝕和沖蝕。當流體流經(jīng)管道轉(zhuǎn)彎處時，由于彎曲管壁的導流作用，彎頭處流線成曲線運行，并產(chǎn)生離心力，使流體在彎曲管道內(nèi)的內(nèi)外側(cè)流速發(fā)生變化，類似河彎處的水流，使黑水向外側(cè)集中，導致彎頭出口外側(cè)流速大，內(nèi)側(cè)流速小，沖刷腐蝕在調(diào)節(jié)閥后彎頭出口外側(cè)非常激烈，這就是真空閃蒸罐黑水進口管線調(diào)節(jié)閥后彎頭多次出現(xiàn)穿孔的原因。②氣蝕磨損。黑水與金屬構(gòu)件作高速相對運動時，由于內(nèi)部壓力不斷地起伏、突變，使得黑水中的蒸汽以及溶于黑水中的氣體在金屬表面反復出現(xiàn)氣泡形成及潰滅過程，氣泡在潰滅時產(chǎn)生的沖擊波對金屬表面產(chǎn)生強烈的錘擊作用，破壞鈍化膜和膜下金屬，使得在用的閥芯、閥座表面的材料被沖擊成蜂窩狀的小孔。

3 管道堵塞及磨蝕的解決措施

3.1 優(yōu)化布置設(shè)計，減少固體顆粒堆積，降低磨損

3.1.1 設(shè)備布置設(shè)計的優(yōu)化

由于氣化排向渣水高閃的黑水含固量較大，因此考慮設(shè)備布置時，在滿足相關(guān)規(guī)范(如防火規(guī)范)的前提下，應考慮此黑水管線的走向和長度。

3.1.2 工藝及管道布置設(shè)計的優(yōu)化

3.1.2.1 流速的選擇

管道中含固黑水流速越大，則黑水中的固體顆粒對管件的內(nèi)壁沖蝕越嚴重，管道中的黑水流速過小，固體顆粒又容易沉積在管壁上，形成結(jié)垢層而使得管徑變得越來越小。因此，選擇合適的管道流速是十分必要的。一般可考慮在流速范圍內(nèi)選取低流速，這樣可以保證管道及管件的長期安全。

3.1.2.2 管道布置原則

在滿足工藝要求的前提下，盡可能減少管道的變向、變徑、接頭、分流、合流布置，在需要改變或調(diào)節(jié)處設(shè)置管件和閥門，管道的匯合或分流處應順著流向連接，管道的支吊架應布置合理。盡量遵循“步步高”或“步步低”的原則，減少拐彎及“口袋”，減少管道堵塞的幾率。盡可能采用弧度/管徑大的彎頭，避免入射角45°和90°兩種最劇烈的沖蝕磨損。或使用三通作為管路改變的管件。黑水管道在管道布置時要充分考慮阻塞的問題，支管閥門距主管的管道要盡量短，避免采用彎頭，盡量采用三通加盲板，便于清理。比如對于氣化爐黑水和碳洗塔黑水同時進高閃需分別設(shè)置管線，這是由于氣化爐與碳洗塔之間存在壓差，如果同時通過一根主管通過減壓閥進入高閃，則由于壓差的原因，使得兩個系統(tǒng)之間的物料相互影響而加劇管道的腐蝕，甚至于引起系統(tǒng)工藝參數(shù)的波動。而對于黑水/灰水系統(tǒng)，重要關(guān)鍵的閥門，設(shè)備均應考慮備用狀況(如減壓角閥、閃蒸換熱器等)。這樣做是為了避免檢修、更換磨損管道和閥門時不必要的停車。如真空閃蒸罐頂部冷凝器容易堵塞，在設(shè)計時，應充分考慮管束抽出清理的空間和場地以及吊裝設(shè)備，換熱器避免選用U形管式，否則容易堵塞，清理難度大，選用的換熱器應該能保證管程和殼程都容易清洗?？梢赃x用浮頭式的，也可以讓閃蒸汽走管程，便于清洗。

3.1.2.3 管道沖洗水點的設(shè)置

沖洗水點需設(shè)置在容易堵塞管道的黑水管線上。如激冷水管線、過濾器、文丘里流量計、沉降槽底流泵等。這幾處在每次開停車時需重點照顧。

3.1.2.4 材質(zhì)選用

針對減壓閥后管道、閥門磨蝕、穿孔問題，應該將易磨損部位的管道全部采用厚壁管或者加焊耐磨材質(zhì)的形式。

3.2 減少固體顆粒堆積，降低管道磨損

①煤種的選擇:在考慮經(jīng)濟性的前提下，應盡量選擇低灰分、低水分、低硫值、高熱值的煤種。我國大多數(shù)煤中礦物質(zhì)含量較高，全國原煤平均灰分大多在20%以上，對煤的合理利用和環(huán)境保護有極其不利的影響。若不考慮氣化爐的操作狀況，通常煤的灰分大，則后續(xù)渣水處理的負荷能力就要求高，黑水管線中的固渣含量就高。尤其是氣化爐和洗滌塔分別去高閃的兩股黑水管線，它們是系統(tǒng)中的易堵點。因此，在選擇原料煤時，應經(jīng)濟合理考慮煤種的灰分。另外，考慮到工藝操作的穩(wěn)定，煤種應盡可能保持一定。

②提高氣化爐內(nèi)炭的轉(zhuǎn)化率，使其渣中殘?zhí)亢勘M可能的低。一般情況下，灰渣殘?zhí)苛亢退急仁菤饣癄t產(chǎn)氣效率的依據(jù)。降低灰渣中的殘?zhí)渴菧p少黑水管線含固量和提高碳轉(zhuǎn)化率的有效方法。

③生產(chǎn)負荷的調(diào)整:在調(diào)整生產(chǎn)負荷時，應盡量緩慢調(diào)節(jié)。盡可能減少由于壓力變化極劇而造成黑水對設(shè)備和管線沖蝕磨損。

④嚴格控制出真空閃蒸罐的黑水溫度不能過高，溫度過高，不利于黑水固體顆粒的沉降，造成沉降效果差，從而使水系統(tǒng)在循環(huán)時夾帶大量的固體顆粒，引起設(shè)備、管道的結(jié)垢堵塞。

⑤控制黑水管線一定的流速，防止黑水中懸浮物積聚與沉積，并在每次停車后對黑水管線采用沖洗水進行沖洗干凈，保證黑水管線的暢通，并在容易堵塞的管道附近都增加了沖洗水管線，并接上快速接頭，便于日后沖洗。

⑥生產(chǎn)過程中，需隨時對廢水分析保持關(guān)注，并依據(jù)報告，適當調(diào)節(jié)絮凝劑和分散劑的加入量及其廢水的外排和水的補充量。并根據(jù)煤種摻燒和石灰石的加入情況，對絮凝劑進行相應的選擇實驗。

⑦開停車時，應著重對黑水管線及其相應設(shè)備易堵處沖洗處理。另外，控制室操作人員盡量將黑水閃蒸管道上的自調(diào)閥維持在較大開度，防止因開度過小造成閥前堵塞及閥體局部因流速過大而磨損，對于一開一備的減壓闊閥組要經(jīng)常切換，防止因垢片沉積而堵塞閥門及管道。

4 結(jié)論

自從2009年至今，在濮陽和臨泉兩個氣化裝置運行中對灰渣水處理單元中影響管道堵塞、磨損等問題進行相關(guān)設(shè)計和操作改進后，有效的減少了管線的堵塞和磨蝕，避免了不必要的停車，保證了項目裝置長周期的高負荷運行，為企業(yè)贏得利潤空間打下了良好的基礎(chǔ)。