五環(huán)爐煤氣化裝置黑水系統(tǒng)問題及處理

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(河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司，河南 洛陽 471100)

河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司20萬t/a乙二醇項目，其煤氣化裝置采用的是中國五環(huán)工程有限公司與河南能源化工集團共同合作開發(fā)的五環(huán)爐煤氣化工藝技術(shù)，其主要任務(wù)是以煤為原料生產(chǎn)粗合成氣，設(shè)計碳轉(zhuǎn)化率高于98%。粗合成氣以CO+H2為主要成分，干氣組分可達87%。

黑水處理系統(tǒng)是五環(huán)爐煤氣化工藝中最后一步，也是最重要的環(huán)節(jié)。該步驟主要是將合成氣洗滌廢水和液渣水浴后的廢水，回收并重新循環(huán)使用，保證粗合成氣質(zhì)量合格。因此，黑水處理系統(tǒng)能否高效、穩(wěn)定運行，制約著煤氣化生產(chǎn)的穩(wěn)定和長周期運行。經(jīng)過幾次試車，黑水處理系統(tǒng)出現(xiàn)的問題和應(yīng)對措施的效果，筆者作出簡要概括和總結(jié)，以便相互借鑒和學(xué)習(xí)。

1 黑水處理系統(tǒng)工藝流程

黑水處理系統(tǒng)是將來自激冷罐、濕洗塔和除渣系統(tǒng)的廢水和系統(tǒng)的雨水污水等回收處理再循環(huán)利用的水處理系統(tǒng)。黑水處理系統(tǒng)分為3部分：①回收來自激冷罐、濕洗塔和除渣系統(tǒng)的廢水和系統(tǒng)的雨水污水等，統(tǒng)稱為黑水；②將回收的黑水通過三級閃蒸單元，閃蒸分離出其中的酸性氣體，如H2S、NH3、HCN等，送至后續(xù)硫回收工序，同時回收利用黑水閃蒸釋放的熱量；③將三級閃蒸后的黑水送至澄清槽，加入絮凝劑，使黑水中固體懸浮物濃縮、聚集、自然沉淀至澄清槽底部，最后通過真空帶式過濾機形成濾餅送至界外，而上部較干凈的水從澄清槽頂部自然溢流到灰水槽，分配到其他系統(tǒng)循環(huán)利用。

黑水處理系統(tǒng)的主要目的有以下4點：①洗滌合成氣，液渣水浴冷卻，回收各系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水；②三級閃蒸初步處理黑水。閃蒸出黑水中的酸性氣體，回收黑水熱量；③通過澄清、增濃操作進行水固分離，灰水回收循環(huán)使用，渣泥抽濾后送界外；④為維持系統(tǒng)水質(zhì)，外排灰水同時補入新鮮水。

黑水處理系統(tǒng)主要分為3個單元，分別為濕洗單元、三級閃蒸單元和黑水處理單元。

1.1 濕洗單元工藝流程

濕洗單元主要由激冷罐和洗滌塔組成。首先，是將粗合成氣經(jīng)激冷罐初步洗滌除灰；然后，再經(jīng)過文丘里洗滌器洗滌和降溫，與適量的堿液混合后進入濕洗塔，一方面除去合成氣中的細(xì)灰，另一方面中和了酸性氣體；最后，進入濕洗塔的粗合成氣自下而上與塔板上的高壓灰水、變換冷凝液和高壓工藝水分別接觸洗滌后，分為兩路，一路經(jīng)過低壓廢熱鍋爐換熱后去合成氣壓縮機，作為氣化爐激冷氣，另一路去洗滌除灰塔，再次洗滌后送至后序變換工序。

1.2 三級閃蒸單元工藝流程

來自激冷罐、濕洗塔和除渣系統(tǒng)的3.8MPa高壓廢水，經(jīng)特制角閥瞬間閃蒸進入中壓閃蒸罐，中壓閃蒸罐設(shè)計壓力為0.6MPa，閃蒸氣經(jīng)減濕器與循環(huán)灰水換熱后，一部分不凝氣經(jīng)中壓閃蒸氣冷卻器冷卻至90℃后進入中壓氣液分液罐氣液分離，氣體部分送至界外硫回收裝置或送至酸火炬焚燒，液體部分進入除氧器循環(huán)再利用；另一部分成為灰水經(jīng)減濕器底部泵送至激冷罐，用來洗滌粗合成氣。

中壓閃蒸罐產(chǎn)生的黑水再經(jīng)特制角閥二次瞬間閃蒸進入低壓閃蒸罐，低壓閃蒸罐設(shè)計壓力為0.25MPa，低壓閃蒸汽去除氧器回收熱量，閃蒸黑水和來自除渣系統(tǒng)的渣水分別進入真空閃蒸罐進行三次瞬間閃蒸，即真空閃蒸，真空閃蒸罐壓力為-0.05MPa，由真空泵維持其負(fù)壓。其中，一部分閃蒸汽經(jīng)過真空閃蒸汽冷卻器冷卻為60℃的氣液混合物至真空氣液分離罐氣固分離，氣體與真空閃蒸汽冷卻器產(chǎn)生的不凝氣通過真空泵排至大氣，液體經(jīng)真空閃蒸冷凝液泵送至除氧器循環(huán)利用，另一部分閃蒸黑水經(jīng)真空閃蒸罐水冷卻器降溫到50℃左右，由泵打入澄清槽。

1.3 黑水處理單元工藝流程

經(jīng)三級閃蒸單元初步處理后的黑水，加入適量絮凝劑混合攪拌后進入澄清槽，在絮凝作用下，黑水中細(xì)小固體顆粒聚集，并在重力作用下自然沉降，當(dāng)澄清槽內(nèi)固體濃度達到約10%(w)時，泥漿經(jīng)泵打入灰漿貯槽再次提濃約至30%(w)，再經(jīng)灰漿槽底流泵送到真空帶式過濾機吸附過濾掉水分，形成濾餅排出界外，而濾液經(jīng)收集后用濾液泵送回澄清槽。

澄清槽澄清后的上清液溢流進入灰水槽，經(jīng)泵送至其他系統(tǒng)循環(huán)利用。為了防止氯離子等物質(zhì)的累積腐蝕管道，同時也保證水質(zhì)(固含量<100mg/kg)，部分灰水外排到后序水處理廠。黑水處理系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 黑水處理系統(tǒng)工藝流程注：1—中壓閃蒸罐；2—低壓閃蒸罐；3—真空閃蒸罐；4—真空氣液分離罐；5—澄清槽；6—灰水槽；7—減濕器；8—中壓氣液分液罐；9—除氧器；10—濕洗塔；11—激冷罐；12—真空閃蒸灰水泵；13—真空閃蒸冷凝液泵；14—低壓灰水泵；15—高壓灰水泵；16—除氧水泵；17—洗滌塔循環(huán)水泵

2 黑水處理系統(tǒng)出現(xiàn)的問題及處理措施

2.1 濕洗塔塔盤壓差高

(1)濕洗塔塔盤壓差高的現(xiàn)象如下：濕洗塔為塔盤式，自上而下共有4層塔盤。運行過程中，塔盤壓差從2kPa不斷上漲至10kPa后發(fā)生液泛，液位波動大，造成合成氣帶水嚴(yán)重，被迫停車。檢修后發(fā)現(xiàn)主要結(jié)垢位置為第3層塔盤和第4層塔盤，結(jié)垢為暗白色細(xì)灰，厚度約為2～3mm。

(2)濕洗塔塔盤壓差高的原因如下：①加堿位置影響到了濕洗塔的操作；②塔盤阻力大，需提高透氣率；③合成氣洗滌除灰效果差;④煤種灰分含量高。

(3)濕洗塔塔盤壓差高的處理措施如下：①改變加堿位置。實際生產(chǎn)中，原有的加堿位置有兩處，分別為文丘里洗滌器和高壓灰水管線。工藝優(yōu)化：將液堿進入高壓灰水管線的閥門關(guān)閉，堿進入文丘里洗滌器的閥門保持暢通；②塔盤改造。對濕洗塔塔盤第3層和第4層進行了改造，提高透氣率。整個固閥閥帽向上提高1～2mm。塔盤整體透氣率從10%提高到21%；③煤種選擇?？刂泼悍N灰分含量，選擇灰分含量小于15%煤種，以便于降低合成氣帶灰量，也有利于氣化爐通道通暢，能夠長周期運行；④合成氣潤濕管線技改。合成氣管線加裝兩組噴嘴環(huán)，介質(zhì)來自高壓灰水泵出口，一個噴嘴環(huán)管對應(yīng)3個噴嘴環(huán)，噴嘴環(huán)管設(shè)計DN80，3條支管設(shè)計DN50，分別設(shè)計在激冷罐合成氣出口管線1m處和濕洗塔合成氣出口管線約3m處。開車運行時管線手閥全開，保證總流量10m3/h以上。

再次開車運行過程中，壓差穩(wěn)定在3～4kPa。在后期技改中，取消了堿液的添加，改造了高壓灰水在濕洗塔的分布，開車運行后未發(fā)生液泛和合成氣帶水嚴(yán)重等問題，并有效地降低了合成氣中灰含量，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定長周期運行。

2.2 角閥緩沖罐振動

(1)角閥緩沖罐振動的現(xiàn)象如下：系統(tǒng)運行期間，角閥緩沖罐振動較大，導(dǎo)致角閥開度波動大，影響黑水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(2)角閥緩沖罐振動的原因如下：黑水角閥前后壓差大。氣化爐壓力為3.7～3.8MPa，中壓閃蒸罐一般壓力為0.6MPa，壓差高達3.0MPa以上，高壓黑水通過角閥緩沖罐時，大量黑水瞬間汽化膨脹，對角閥緩沖罐產(chǎn)生了極大的沖擊作用，造成持續(xù)振動。

(3)角閥緩沖罐振動的處理措施如下：在角閥緩沖罐底部加枕木，同時根據(jù)角閥緩沖罐振動幅度，保證枕木與角閥緩存罐底部留有約10mm間距。再次開車運行過程中，角閥緩沖罐振動得到有效的緩解，保證了角閥動作的穩(wěn)定性，黑水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

2.3 角閥緩沖罐內(nèi)襯脫落

(1)角閥緩沖罐內(nèi)襯脫落的現(xiàn)象如下：停車檢修期間，發(fā)現(xiàn)角閥緩沖罐內(nèi)襯脫落，造成系統(tǒng)緩沖罐底錐堵，為清理工作帶來較大困難。

(2)角閥緩沖罐內(nèi)襯脫落的原因如下：由于系統(tǒng)介質(zhì)為高腐蝕高沖刷的黑水，為減少介質(zhì)腐蝕和磨損，角閥緩沖罐內(nèi)襯設(shè)計為陶瓷。但由于角閥緩沖罐頻繁振動和系統(tǒng)黑水流量不穩(wěn)定，造成陶瓷震碎，部分脫落。

(3)角閥緩沖罐內(nèi)襯脫落的處理措施如下：①更換緩沖罐襯里材質(zhì)。將緩沖罐襯里由原來的陶瓷改為Cr20耐磨鑄鋼堆焊作為襯里，Cr20耐磨鑄鋼雖然耐磨性能不如陶瓷內(nèi)襯，但具有較強的抗沖擊性；②操作優(yōu)化。規(guī)范操作規(guī)程，嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)，精心操作，保證工況穩(wěn)定運行，避免黑水角閥大幅開關(guān)造成系統(tǒng)黑水流量不穩(wěn)定。再次開車運行后，停車檢修角閥緩沖罐未發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯碎裂和脫落情況[1]。

2.4 灰水水質(zhì)問題

(1)灰水水質(zhì)出現(xiàn)的問題如下：系統(tǒng)運行過程中，分析灰水水質(zhì)發(fā)現(xiàn)水濁度高達200～300NTU，設(shè)計小于100NTU?；宜|(zhì)濁度高，對系統(tǒng)的主要影響有：①磨損管道?；宜疂岫雀邔芫€沖刷作用強烈，造成管線磨損嚴(yán)重，容易發(fā)生泄漏；②堵塞管道。在彎頭和盲區(qū)處容易結(jié)垢發(fā)生堵塞，如取壓管、導(dǎo)淋等；③對泵穩(wěn)定運行影響較大。泵前過濾器容易堵塞，葉輪容易磨損；④合成氣細(xì)灰除灰效果差。影響后序系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時，也影響壓縮機的穩(wěn)定運行；⑤增加分散劑消耗量。由于濁度高，為防止水中顆粒的沉降和凝聚，對系統(tǒng)管道造成堵塞，則需要適當(dāng)增加分散劑使用量；⑥容易發(fā)生環(huán)保事故。加大水處理廠負(fù)擔(dān)，就容易造成污水排放超標(biāo)，造成環(huán)保事故。

(2)灰水水質(zhì)出現(xiàn)的原因如下：①煤質(zhì)灰分高；②絮凝劑不合適。

(3)灰水水質(zhì)問題的處理措施如下：①加強煤質(zhì)管理。選擇灰分含量小于15%的煤，并保證煤質(zhì)變化小；②絮凝劑廠家配合，選擇合適型號的絮凝劑，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整絮凝劑使用量。現(xiàn)開車過程中，使用常州中南化工有限公司提供的4240型絮凝劑，消耗量37.5kg/d，濁度穩(wěn)定在50～80NTU。

2.5 三級閃蒸單元工況波動

(1)三級閃蒸單元工況波動的現(xiàn)象如下：氣化爐點火成功后，隨著氣化爐壓力和溫度的提高，三級閃蒸單元液位忽高忽低，整個黑水處理系統(tǒng)出現(xiàn)了工況大幅度波動的問題。

(2)三級閃蒸單元工況波動的原因如下：氣化爐點火成功后，氣化爐壓力和溫度的快速變化，導(dǎo)致三級閃蒸單元水氣平衡被破壞，液位忽高忽低，造成角閥頻繁地大幅度波動，最終導(dǎo)致整個黑水處理系統(tǒng)出現(xiàn)了工況大幅度波動。

(3)三級閃蒸單元工況波動的處理措施如下：①氣化爐投煤點火前，暫時解除激冷罐和濕洗塔液位低低聯(lián)鎖，激冷罐液位保持在20%，濕洗塔液位保持在30%，投煤后，逐步提升至正常液位，待液位穩(wěn)定后恢復(fù)聯(lián)鎖；②三級閃蒸單元罐液位均控制在55%，投自動控制；③操作工精心操作，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報和調(diào)整，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在以后開車過程中，三級閃蒸單元液位穩(wěn)定提升，工況穩(wěn)定。

3 黑水處理系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 濕洗塔操作優(yōu)化

在正常負(fù)荷下，保持高壓灰水進入濕洗塔在約200m3/h，提高對合成氣的洗滌沖洗效果。高壓工藝水在開車時維持在30m3/h，投用變換冷凝液后，高壓工藝水的減少量在8～10m3/h，保持對第1層和第2層塔板的沖洗及合成氣的洗滌。

濕洗塔具體工藝指標(biāo)控制：①開車時高壓工藝水補充量為30m3/h，投用變換冷凝液后為20m3/h；②高壓灰水進濕洗塔流量控制在180～210m3/h；③濕洗塔底部管線去中壓閃蒸罐流量控制在80m3/h；④ 激冷罐至中壓閃蒸罐流量在100m3/h以上(若流量低于100m3/h，則適當(dāng)調(diào)大角閥，恢復(fù)流量)。

3.2 三級閃蒸單元操作優(yōu)化

開車過程中，當(dāng)氣化爐壓力在0～0.6MPa時，打開激冷罐側(cè)面和底部至真空閃蒸罐的現(xiàn)場手閥；當(dāng)氣化爐壓力大于0.6MPa時，打開側(cè)面去中壓閃蒸罐的閥門。開車后，建立系統(tǒng)壓力和液位正常。氣化爐停車過程中，在3次充泄壓過程中，氣化爐壓力要保持在0.2MPa左右，保證充泄壓置換時間在8h左右，激冷罐和濕洗塔要用大流量進行沖洗，保證激冷罐和濕洗塔內(nèi)部的黑水置換完全。

具體工藝指標(biāo)控制：①中壓閃蒸罐壓力控制在0.6MPa，液位55%；②低壓閃蒸罐壓力控制在0.25MPa，液位55%；③真空閃蒸罐壓力控制在-0.05MPa，液位55%。

3.3 黑水處理單元操作優(yōu)化

絮凝劑和分散劑添加量根據(jù)黑水系統(tǒng)指標(biāo)進行調(diào)整，配置絮凝劑時，12.5kg藥劑和10t水均勻混合溶解，現(xiàn)場液位計從最低1m開始配料，配置到3.3m左右，攪拌速度不宜過快，藥劑添加同時且將泵轉(zhuǎn)速調(diào)整到最慢。根據(jù)煤種變化，按照經(jīng)驗提前調(diào)整絮凝劑泵行程。

具體工藝指標(biāo)控制：①低壓灰水泵外排污水流量100m3/h左右，根據(jù)灰水罐液位適時調(diào)整；②黑水至澄清槽溫度控制范圍40～60℃之間；③氨氮≤150mg/L；COD<500mg/L；固含量<1 000mg/L；總硬度<500mg/L；總堿<1 000mg/L；pH值為5～9；濁度控制范圍<100NTU。

4 結(jié)語

從生產(chǎn)實際出發(fā)，對五環(huán)爐黑水系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的濕洗塔塔盤壓差高、黑水角閥緩沖罐振動及內(nèi)襯脫落、黑水水質(zhì)不達標(biāo)和開車初期系統(tǒng)工況大幅波動等問題進行了原因分析，并提出了相應(yīng)解決措施，經(jīng)過嚴(yán)格控制各項工藝指標(biāo)，精心操作，不斷積累經(jīng)驗，根據(jù)實際出現(xiàn)的問題，分析并不斷優(yōu)化改進措施，目前五環(huán)爐已實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行130d以上，創(chuàng)造出可觀經(jīng)濟效益。