淺談SHELL煤氣化濕洗單元水質與氣化運行的關系

張津海 邊志偉（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

淺談SHELL煤氣化濕洗單元水質與氣化運行的關系

張津海 邊志偉（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

神華煤直接液化項目采用殼牌煤氣化工藝。介紹了SHELL煤氣化裝置U1600濕洗單元的工藝原理和工藝流程。分析了濕洗單元洗滌水水質惡化的后果和影響洗滌水水質的因素，并提出了相應的改善措施和技改方案。

SHELL干粉煤氣化；濕洗單元；水質；改善

煤氣化技術是一種將固體煤轉換成可燃氣體的化學過程，是國家提倡的一種重要潔凈煤技術。煤氣化工藝種類繁多，目前較為成熟且市場應用較廣的主要有：美國德士古水煤漿氣化(Texaco)、德國魯奇公司塊煤加壓氣化技術(Lurgi)、荷蘭皇家殼牌干煤粉氣化(Shell)等。針對本地煤質特性，以及國家示范性項目神華煤直接液化所需氫氣要求，我公司選用的是Shell干煤粉加壓氣化技術；Shell煤氣化在高溫加壓條件下進行，屬氣流床氣化，煤粉和氧氣并流進入氣化爐內(nèi)，在極為短暫的時間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)份脫出、裂解、燃燒及轉化等一系列物理和化學過程[1]，最終為煤直接液化裝置和液化加氫穩(wěn)定裝置以及液化加氫改質裝置提供合格而又穩(wěn)定的氫氣。該氣化工藝是目前世界上較先進、典型的第二代煤氣化工藝之一。但是，Shell煤氣化裝置在實際運行中凸現(xiàn)出了很多問題，制約了裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行，本文就U1600洗滌單元水質與氣化運行的關系展開論述。

1 殼牌氣化爐運行中洗滌單元的作用及工藝流程

自HPHT飛灰過濾器（S-1501）來的3.86MPa、335℃的粗合成氣與來自洗滌塔（C-1601）底部170℃的部分洗滌水經(jīng)文丘里洗滌器（J-1602）混合洗滌后送入洗滌塔底部，達到初步洗滌和合成氣降溫的效果。在洗滌塔中，合成氣從下而上與在塔頂處設置的噴淋管噴出的部分洗滌水逆流接觸，充分混合，除去合成氣中的HCl、HF和其他微量固體顆粒。經(jīng)過兩次洗滌的170℃的粗合成氣從洗滌塔塔頂離開，分成兩股，一股送往下游變換工序作為一氧化碳變換裝置的原料；一股作為激冷氣由激冷氣壓縮機（K-1301）壓縮后送至氣化爐入口，對合成氣和飛灰進行激冷。

從洗滌塔排出的洗滌水經(jīng)洗滌塔循環(huán)水泵（P-1601A/B）升壓后分成三股物流：第一股物流送至文丘里洗滌器；第二股物流與高壓工藝水混合后送至洗滌塔頂部噴淋管；第三股物流作為排污水送初步水處理工序。

為保護洗滌塔和文丘里等設備，在文丘里洗滌器前加入少量20%（WT%）濃度的堿液（NaOH），控制循環(huán)回路的PH值在7.5～8.0之間，以減少洗滌水對設備及管線的腐蝕。

煤氣化工序的系統(tǒng)壓力在本工段的出口進行控制，以便向變換工序提供壓力穩(wěn)定的合成氣。

殼牌煤氣化裝置工藝流程示意見圖1。

圖1 殼牌煤氣化裝置工藝流程示意圖

2 洗滌水水質惡化對氣化運行的影響

2.1 對合成氣質量的影響

當洗滌塔循環(huán)水水質出現(xiàn)惡化以后，若不能及時采取措施補救或者及時停車，洗滌塔底部固體濃度會急劇增加，循環(huán)水泵打量變小，三股物流流量均變小，從濕洗系統(tǒng)取出的水樣變得非常渾濁。若補水量和外排量不足的話，洗滌水PH值也會急劇降低，循環(huán)水水質呈酸性。在這樣的條件下洗滌的合成氣勢必洗滌不充分，會夾帶大量酸性氣體和其他固體顆粒，而且降溫效果也不好。洗滌塔出口合成氣溫度上漲，到185℃后會因觸發(fā)系統(tǒng)停車大連鎖而停車。不合格的粗合成氣將會使洗滌塔上部壓差增大，導致除沫器變形甚至擊穿，從而失去過濾固體雜質的最后一道屏障。同樣不合格的粗合成氣將會腐蝕管道和設備，也會對下游變化工序產(chǎn)生嚴重的影響。

2.2 對激冷氣壓縮機的影響

合成氣在干法除灰和濕洗單元洗滌后，按溫度控制比例抽取合成氣，混合后的200℃合成氣，經(jīng)激冷氣壓縮機加壓后送至氣化爐激冷段，與從氣化反應室出來的1600℃左右的高溫合成氣充分混合，將其溫度迅速激冷至900℃以下。合成氣經(jīng)激冷后，氣相中的液態(tài)渣全部以干灰或固體顆粒存在，從而具備了進行間壁式換熱的條件[2]。

當洗滌塔循環(huán)水水質出現(xiàn)惡化，水質變得渾濁，PH值下降呈酸性，文丘里洗滌器內(nèi)部將會大量結垢堵塞，洗滌塔內(nèi)部填料鮑爾環(huán)和其他管道也會大量結垢堵塞，這樣合成氣和循環(huán)水進入文丘里洗滌器和洗滌塔的壓差將持續(xù)上漲，造成通過不暢洗滌效果不好的惡性循環(huán)現(xiàn)象，同時洗滌塔出口合成氣壓力下降，去激冷氣壓縮機合成氣流量下降。

循環(huán)氣壓縮機的入口裝有錐形過濾器，當入口合成氣灰塵含量變大，就會造成入口過濾器阻塞，激冷氣流量將會逐漸變小。

結合以上兩點，Shell煤氣化工藝中激冷合成氣流量是至關重要的，直接影響氣化爐工況的穩(wěn)定，應該得到足夠的重視。

2.3 對初步水處理工序的影響

洗滌水水質惡化，水質變得渾濁，廢水固含量嚴重增加，將會直接堵塞高壓廢水減壓管（X1701A/B），造成U1600高壓廢水無法正常排放至U1700初步水處理工序，這樣會對濕洗單元造成嚴重影響，如果處理不及時系統(tǒng)需要停車處理。

同時，洗滌水水質惡化，廢水中會富含大量酸性氣體及鹵素，與渣池處理系統(tǒng)循環(huán)水富含的Ca2+,Mg2+等離子形成CaCO3、MgCO3等沉淀，會造成以下危害：酸性灰漿汽提塔C-1701填料堵塞，造成系統(tǒng)癱瘓；閥門、設備腐蝕磨損嚴重，現(xiàn)場泄漏嚴重；污水外排指標（COD、氨氮）超標；真空過濾機過濾效果不好等。

3 影響洗滌水水質的因素

3.1 S1501過濾效果

在殼牌粉煤氣化中，粉煤和氧氣燃燒生成合成氣、爐渣和飛灰，粉煤中的灰分部分成為渣流入渣池，其余的形成飛灰，被激冷氣激冷后成為固體，經(jīng)過輸氣導管和合成氣冷卻器被合成氣帶入高溫高壓HPHT飛灰過濾器中，合成氣中飛灰的99%被快速過濾，過濾后的氣體的灰含量可達到小于1mg/Nm3，洗滌水固含量小于10ppm。

高溫高壓飛灰過濾器是Pall公司設計和制造的，濾芯為燭狀陶瓷過濾管，易斷裂。如果發(fā)生老化磨損或者斷裂的情況，合成氣就會攜帶大量飛灰等固體雜質直接進入U1600濕洗單元影響洗滌水水質，從而造成濕洗單元負擔嚴重加大等一系列災難。

3.2 補水與外排

Shell煤氣化設計之初，要求U1600固定廢水排放量為4-5t/ h，洗滌塔液位控制在60%左右，這樣做的目的是為了保證濕洗單元水質合格。但如果出現(xiàn)較長時間排放閥門故障或者后續(xù)管道泄漏等意外情況，就很難維持以上排放要求，勢必會影響洗滌水水質。再或者下游U1700初步水處理工序故障或停工檢修，廢水也將較長時間無法排放，這樣也會影響到洗滌水水質。

在Shell煤氣化設計中，洗滌塔補水要求為T3301低壓除氧水，但后續(xù)為了降本增效改用變換汽提水。如果變換工序發(fā)生故障或者泄漏，變化汽提水將會攜帶一定量的Ca2+,Mg2+等離子，從而形成CaCO3、MgCO3等沉淀影響水質。

3.3 PH值

由于HCl、HF等酸性氣體和其他微量的固體顆粒的存在，洗滌水會顯酸性，腐蝕設備本身，腐蝕下游管道。因此，為保護洗滌塔和文丘里等設備，在文丘里洗滌器前加入少量20%（WT%）濃度的堿液（NaOH），控制循環(huán)回路的PH值在7.5-8.0之間，確保洗滌塔循環(huán)水水質合格，以減少洗滌水對設備及管線的腐蝕。

4 如何改善洗滌水水質

4.1 HTHP飛灰過濾器更換金屬濾芯

通過我廠多年的實驗對比，現(xiàn)場應用考核結果表明：國產(chǎn)耐高溫耐腐蝕金屬濾芯的過濾效率、過濾精度及壓差等性能指標已達到甚至超過進口陶瓷濾芯的同等效果，完全可以滿足煤氣化裝置長周期穩(wěn)定生產(chǎn)運行的要求[3]。因此，現(xiàn)在我廠飛灰過濾器30組1440支濾芯已全部更換為金屬濾芯，效果顯著，U1600濕洗單元洗滌水水質合格。

4.2 補水合格外排匹配

不論是使用低壓除氧水還是變換汽提水補水，都要嚴格要求水質，不能夾帶其他雜質更不允許有會產(chǎn)生反應的離子，如Ca2+,Mg2+等離子。定期監(jiān)測洗滌水水質，檢測固含量，以此來決定匹配的排放量，確保水質不渾濁不含雜質。

4.3 適度加堿加藥

每兩個小時取一次洗滌水水樣，手動檢測PH值，與DCS控制室16QIC0015對比，以此來調(diào)節(jié)加堿量，從而確保洗滌水PH值在7.5左右。除了合理調(diào)節(jié)洗滌水PH值，防止設備和管道的腐蝕和堵塞外，還可以在洗滌水中定期加入一定量的除垢劑來保證水質合格。

4.4 其他措施

以下措施也可以改善洗滌水水質，減輕文丘里和洗滌塔結垢癥狀:

a、維持大系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，避免U1500濾芯斷裂和U1600液位大幅波動；

b、保證原煤煤種穩(wěn)定、質量合格，避免帶入其他不必要的雜質離子

c、洗滌塔頂部噴淋管改造，加大噴淋孔尺寸，取消噴淋管末端盲蓋；

d、加堿位置改造，由文丘里洗滌器入口改為洗滌塔液相出口。

5 改善外排水水質的意義

目前，國內(nèi)已運行的Shell煤氣化項目都不同程度的出現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)故障，影響了各裝置的長周期運行并增加了檢修時間和費用，運行成本一直居高不下，且造成了一定的環(huán)境污染問題。若能合理改善外排水水質，則可大大延長各裝置的運行時間，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，具有極高的推廣應用價值。

[1] 鄭振安.Shell煤氣化技術(SCGP)的特點[J].煤化工.2003, 31(2)：7—11．

[2] 李斌.淺析SHELL煤氣化裝置的設備配置[J].氮肥技術. 2007,28(2)：7一10．

[3] 孫衛(wèi)軍.金屬濾芯在殼牌氣化爐除灰系統(tǒng)中的應用[J].化工管理,2013,(6):107-122.

Shenhua coal direct liquefaction project adopts the Shell coal gasification process．The process principle and technological process of U1600 wet washing unit in SHELL coal gasification plant are introduced.This paper analyzes the consequence of deterioration of washing water quality in wet washing unit and the factors affecting the water quality of washing water,and puts forward some corresponding improvement measures and technical transformation plans.

Shell dry Coal Gasification；Wet wash unit；Water Quality；Improve