五環(huán)爐煤氣化裝置黑水處理系統(tǒng)改進(jìn)與優(yōu)化研究

杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(簡(jiǎn)稱河南龍宇)二期項(xiàng)目為40萬(wàn)t/a醋酸裝置，采用新型五環(huán)爐干煤粉加壓氣化爐(2臺(tái))提供原料氣。新型五環(huán)爐煤氣化工藝是五環(huán)科技股份有限公司與河南能源化工集團(tuán)有限公司合作開發(fā)的具有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型氣化工藝[1]。該工藝主要包括：磨煤及干燥系統(tǒng)、煤加壓及進(jìn)料系統(tǒng)、煤氣化系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、濕洗系統(tǒng)、黑水處理系統(tǒng)，以及公用工程系統(tǒng)。其中，黑水處理系統(tǒng)包含閃蒸系統(tǒng)和初步水處理系統(tǒng)[2]。筆者主要對(duì)黑水處理系統(tǒng)在運(yùn)行中的問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

1 黑水處理系統(tǒng)工藝流程

黑水處理系統(tǒng)中的閃蒸系統(tǒng)閃蒸出氣化來(lái)黑水中的氣體成分，經(jīng)過(guò)0.6 MPa中壓閃蒸、0.15 MPa低壓閃蒸和-0.05 MPa真空閃蒸處理后的黑水送至初步水處理系統(tǒng)的沉降槽，通過(guò)加藥裝置向沉降槽中加入絮凝劑使黑水中的細(xì)灰沉降至底部。沉降槽底部的物料經(jīng)泵送入臥螺離心機(jī)進(jìn)行分離，分離出來(lái)的泥送至磚廠作為原料，分離后的濾液和沉降槽上部清液一起送回氣化裝置內(nèi)部循環(huán)使用。初步水處理系統(tǒng)需要連續(xù)外排少量污水來(lái)控制整個(gè)內(nèi)部循環(huán)使用水的總鹽含量。

2 閃蒸系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題及解決方法

2.1 管線、閥門、閃蒸緩沖裝置的振動(dòng)問(wèn)題

2.1.1 振動(dòng)現(xiàn)象

進(jìn)入三級(jí)閃蒸單元的高溫高壓黑水有三股，一股從激冷罐底錐去0.6 MPa中壓閃蒸罐，此股流量起到強(qiáng)制流動(dòng)，防止激冷罐底部積灰的作用，體積流量約為100 m3/h，約占激冷罐黑水總量的1/3；一股從激冷罐中下部流出，去0.6 MPa中壓閃蒸罐，體積流量約為150 m3/h，約占激冷罐黑水總量的2/3；一股從洗滌塔底部流出，去0.6 MPa中壓閃蒸罐，此股黑水固含量相對(duì)于前兩股較低。正常生產(chǎn)時(shí)三股管線振動(dòng)較大，尤其是從激冷罐底錐去0.6 MPa中壓閃蒸罐的一股黑水，經(jīng)常出現(xiàn)管線振動(dòng)移位和緩沖罐振動(dòng)泄漏。嚴(yán)重時(shí)黑水角閥和閃蒸緩沖罐沖擊傳給下方的鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)造成閃蒸框架振動(dòng)，給安全生產(chǎn)帶來(lái)很大的隱患。

2.1.2 原因分析

(1)從激冷罐和洗滌塔來(lái)的三股高溫高壓黑水分別經(jīng)各自的黑水角閥減壓后進(jìn)入中壓閃蒸罐，這個(gè)過(guò)程中黑水角閥背壓較大，壓力需要從黑水角閥前的3.7 MPa減壓至0.6 MPa。

(2)黑水角閥下方連接閃蒸緩沖裝置，閃蒸后的黑水在閃蒸緩沖裝置內(nèi)部分為三相，從黑水角閥出來(lái)的氣、液、固三相的散射角根據(jù)黑水角閥開度不同而變化，散射沖擊的距離也不相同。黑水角閥開度大，則散射角大，三相沖擊距離短，反之則沖擊距離長(zhǎng)。氣相和固相對(duì)閃蒸緩沖裝置的影響較大，氣相中閃蒸氣中含有的HCl、NH3等有害氣體對(duì)金屬腐蝕嚴(yán)重;固相主要是飛灰顆粒，對(duì)設(shè)備內(nèi)壁沖刷嚴(yán)重。同時(shí),由于氣流在閃蒸緩沖裝置內(nèi)不停地?cái)_動(dòng)，氣液兩相急劇變化沖擊引起閃蒸緩沖裝置的劇烈振動(dòng)甚至產(chǎn)生共振，會(huì)引起黑水角閥本體的振動(dòng)，繼而導(dǎo)致整條管線振動(dòng)。

(3)激冷罐底錐的一股黑水，其體積流量不能低于100 m3/h,否則很容易堵塞管道，但是由于流量大也加劇了振動(dòng)。

(4)閃蒸緩沖裝置距離樓板層的距離有1.8 m,距離中壓閃蒸罐的距離有2 m，在閃蒸緩沖裝置下方用鋼結(jié)構(gòu)作支撐，用內(nèi)襯陶瓷的短節(jié)與中壓閃蒸罐連接。從激冷罐底錐到中壓閃蒸罐的距離橫跨了兩個(gè)框架，中間距離約90 m，管道上的固定支架和滑動(dòng)支架均為剛性連接，閃蒸出來(lái)的氣流引起的振動(dòng)、支架和支撐設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致了黑水角閥、閃蒸緩沖裝置，以及整條管線在體積流量約為70 m3/h時(shí)振動(dòng)較大。

2.1.3 解決方法

(1)在管道上增加固定支撐和滑動(dòng)支撐，并在固定支撐與管道之間增加墊木。

(2)閃蒸緩沖裝置安裝阻尼器。阻尼器的零部件采用不銹鋼材料，防腐性能好；結(jié)構(gòu)緊湊，且呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，安裝空間小，受力更加合理；阻尼力大，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短；摩擦阻力小，一般低于額定荷載的1%～2%，采用特殊的液壓油和密封介質(zhì)，性能穩(wěn)定，密封壽命長(zhǎng)；可在93 ℃溫度下連續(xù)工作。整個(gè)閃蒸系統(tǒng)6臺(tái)閃蒸緩沖罐對(duì)應(yīng)加裝阻尼器前后的振動(dòng)情況見表1。增加阻尼器后的DN900閃蒸緩沖罐和DN500閃蒸緩沖罐的情況見圖1和圖2。

圖1 增加阻尼器后的DN900閃蒸緩沖罐

圖2 增加阻尼器后的DN500閃蒸緩沖罐

表1 緩沖罐增加阻尼器前后的振動(dòng)情況

通過(guò)以上改造，洗滌塔底部黑水管線和激冷罐底錐的黑水管線體積流量均能夠達(dá)到150 m3/h，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)較小，激冷罐液位進(jìn)水和出水達(dá)到平衡，滿足氣化爐100%的負(fù)荷運(yùn)行的需要。

2.2 黑水冷卻的堵塞問(wèn)題

2.2.1 真空閃蒸黑水冷卻器運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

閃蒸系統(tǒng)中有2臺(tái)真空閃蒸黑水冷卻器，2臺(tái)冷卻器串聯(lián)運(yùn)行，在閃蒸系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)管束堵塞,導(dǎo)致?lián)Q熱效果差。冷卻器累計(jì)運(yùn)行3個(gè)月后管束被腐蝕引起泄漏，黑水進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)。

2.2.2 原因分析

真空閃蒸黑水冷卻器管程的介質(zhì)是經(jīng)過(guò)中壓、低壓和真空三級(jí)閃蒸濃縮后的黑水，含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.65%，并夾帶片狀的灰塊。冷卻器的管束為U形管，管束直徑為25 mm，壁厚為3 mm，長(zhǎng)度約為6 315 mm，換熱面積為195 m2,片狀灰塊很容易堵塞管束管口，小灰塊容易堵塞管束內(nèi)部，造成真空閃蒸黑水泵不打量，往初步水處理系統(tǒng)的排放水減少，使得上游的來(lái)水受限制，直接影響了系統(tǒng)的負(fù)荷提升。該冷卻器管束為碳鋼材質(zhì)，閃蒸系統(tǒng)中的黑水含有酸性氣體，容易腐蝕管束造成泄漏。

2.2.3 解決方法

(1)將真空閃蒸黑水冷卻器的U形管式換熱器改為直管換熱器。

(2)管束管板材質(zhì)改為雙相鋼。

改造后減少了黑水在冷卻器內(nèi)部的流動(dòng)阻力，增加耐磨損能力，降低了堵塞的概率，同時(shí)在停車后清理時(shí)，更方便清理冷卻器的管束。

3 初步水處理系統(tǒng)中的黑水分離問(wèn)題

五環(huán)爐煤氣化采用干煤粉氣化技術(shù)，氣化爐飛灰量大，灰分顆粒直徑小。濕法除灰形成的黑水中灰分含量是其他類型氣化裝置的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。由于灰漿中所含灰的粒度較細(xì)，為了取得較好的絮凝效果，應(yīng)加入適量的絮凝劑。隨著絮凝劑的加入，灰漿的黏性增大，為了更好地分離灰漿，選用合適的分離設(shè)備十分重要。

經(jīng)過(guò)分離設(shè)備的試驗(yàn)對(duì)比后[4]，初步水處理系統(tǒng)的分離設(shè)備采用臥式螺旋卸料離心機(jī)(簡(jiǎn)稱臥螺離心機(jī))。

3.1 臥螺離心機(jī)的工作原理

臥螺離心機(jī)的主要組成部件有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓、與轉(zhuǎn)鼓同向但轉(zhuǎn)速稍低的螺旋、差速器、主電機(jī)、輔助電機(jī)等。臥螺離心機(jī)的工作流程見圖3。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力,將進(jìn)入的物料進(jìn)行固液分離，物料中的固體顆粒由于離心力的作用集聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上形成固環(huán)層，物料中的水分受到的離心力小,在固環(huán)層內(nèi)側(cè)形成液環(huán)層。因螺旋和轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速存在差異，使兩者產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，最終將物料中的固體與水分進(jìn)行分離，固體物料在轉(zhuǎn)鼓小端出料口處排出，水從轉(zhuǎn)鼓的溢流口排出。

圖3 臥螺離心機(jī)工作流程示意圖

3.2 臥螺離心機(jī)的黑水分離效果

單套黑水處理系統(tǒng)配置4臺(tái)臥螺離心機(jī)，2開2備。單臺(tái)臥螺離心機(jī)處理體積流量為15～20 m3/h，黑水含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～5%，分離后濾餅含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%，已使用4 a，分離效果比較理想。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)黑水處理系統(tǒng)遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，并采用了可行的解決辦法。五環(huán)爐煤氣化裝置黑水系統(tǒng)的黑水管線和緩沖罐振動(dòng)問(wèn)題的解決，保證了黑水處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。解決了真空閃蒸黑水冷卻器的堵塞和腐蝕問(wèn)題，為黑水系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。臥螺離心機(jī)在五環(huán)爐煤氣化裝置黑水處理系統(tǒng)的應(yīng)用效果比較理想，對(duì)其他煤化工裝置黑水和民用污水的處理都有較大的參考意義。