基于一種干煤粉氣化裝置水系統(tǒng)結(jié)垢原因的探索研究

劉寧源 何紅兵 李俊挺 饒?zhí)礻?/p>

摘 ?要：某公司氣化裝置采用干煤粉氣化技術(shù)，其灰水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重。為分析其原因，在沉降槽取垢片樣，通過掃描電鏡（SEM）表征其微觀結(jié)構(gòu)，X射線衍射（XRD）分析其主要物相。根據(jù)表征結(jié)果，從煤質(zhì)、煤粉輸送系統(tǒng)載氣、外部水水質(zhì)以及工藝條件四個方面展開分析，認(rèn)為是這四個方面綜合作用導(dǎo)致氣化裝置水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：干煤粉氣化;水系統(tǒng);結(jié)垢;綜合作用

中圖分類號：TQ546 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ???文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

煤氣化技術(shù)是重中之重，關(guān)系到現(xiàn)代煤化工裝置的正常運(yùn)行^[1]。干粉煤加壓氣化技術(shù)是最先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，與水煤漿氣化技術(shù)相比，具有煤種適應(yīng)性廣、原料消耗低、碳轉(zhuǎn)化率高、冷煤氣效率高等優(yōu)勢^[2]。大水系統(tǒng)水質(zhì)對干煤粉氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。某公司干煤粉氣化裝置自試車以來，其合成氣洗滌及黑水處理系統(tǒng)設(shè)備和管道內(nèi)灰水易結(jié)垢，尤其是沉降槽內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重，造成氣化爐運(yùn)行周期短、工藝指標(biāo)難以控制，檢修周期長、清理清理費(fèi)用高。為探究水系統(tǒng)頻繁結(jié)垢的原因，本文從相關(guān)影響因素進(jìn)行分析。

1工藝流程簡介

本氣化裝置的水系統(tǒng)工藝流程為：閃蒸后的黑水和撈渣機(jī)的渣水進(jìn)入沉降槽，和絮凝劑混合后，大部分固體粒子沉降下來，澄清后的水溢流至循環(huán)水罐。循環(huán)水罐內(nèi)灰水大部分送至增濕塔，經(jīng)高壓循環(huán)水泵加壓后作為合成氣洗滌水用水，極少一部分作為廢水排出，以改善系統(tǒng)水質(zhì)。來自界區(qū)外的脫鹽水和變換高溫凝液、酸水氣提凝液加入合成氣洗滌塔上層和中層塔盤作為洗滌水，洗滌塔上部水進(jìn)入激冷水泵，加壓后洗滌粗煤氣成為黑水，經(jīng)三級閃蒸后，由閃蒸泵送至沉降槽^[3]。洗滌塔底部約占激冷水量15%的含固黑水直接進(jìn)入中壓閃蒸罐閃蒸。沉降槽是系統(tǒng)水質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備，也是結(jié)垢最嚴(yán)重的設(shè)備，因此本文重點(diǎn)分析沉降槽結(jié)垢的原因。

2垢片化學(xué)分析

將本裝置沉降槽內(nèi)壁垢片切開之后，有明顯的分層，可分為內(nèi)中外三層，對其進(jìn)行分析表征：（1）取靠近內(nèi)壁的垢片，做SEM表征，放大5000倍之后，如圖1所示;（2）對三個分層進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖2所示。

沉降槽垢片顆粒規(guī)整，種類豐富。圖2中曲線（1）代表垢片內(nèi)層，（2）代表垢片中層，（3）代表垢片外層，參照物為CaCO₃。內(nèi)層和中層主要成分是CaCO₃，外層除CaCO₃外，還含有MgCO₃和CaSO₄.2H₂O。由此可見，本裝置水系統(tǒng)結(jié)垢主要原因是產(chǎn)生大量的CaCO₃和MgCO₃。

3 結(jié)垢原因分析

3.1 煤質(zhì)

由于本裝置承擔(dān)消耗劣質(zhì)煤的任務(wù)，取2019年上半年裝置實(shí)際用煤，發(fā)現(xiàn)本裝置實(shí)際使用煤種干燥基灰分達(dá)到22.3%，設(shè)計要求灰分不超過16%，根據(jù)GB/T15224.1-94規(guī)定，本裝置設(shè)計煤種為低灰分煤，實(shí)際用煤為中等灰分煤種。研究表明，氣化爐燃燒灰分較高煤種后水質(zhì)會發(fā)生變化^[4]，為探究煤種對水系統(tǒng)影響，對兩種煤種運(yùn)行下的水質(zhì)進(jìn)行分析，如表1所示。

從上表1可以看出，燃燒中等灰分煤，灰水的總?cè)芄獭⒖傆簿黠@增加。為進(jìn)一步探究煤質(zhì)對沉降槽結(jié)垢的影響，對過濾機(jī)濾餅中各元素含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)燃燒中等灰分煤種，濾餅中Ca、Mg元素含量分別增加2.4%和0.9%，水中Ca²⁺、Mg²⁺濃度會相應(yīng)增加，為水系統(tǒng)結(jié)垢提供了陽離子。

3.2煤粉輸送載氣

不同于德士古氣化爐，本裝置為保證煤粉達(dá)到密相輸送的要求，向氣化爐通入約占合氣10%的輸送載氣，而德士古氣化爐則用水煤漿達(dá)到輸送條件。為實(shí)現(xiàn)全裝置CO₂廢氣再利用，裝置運(yùn)行期間將載氣由N₂切換為CO₂。CO₂易溶于水，進(jìn)入氣化爐后在激冷室內(nèi)水浴，在高溫高壓環(huán)境下生成大量的CO₃^2-，與水中的Ca²⁺、Mg²⁺反應(yīng)，造成水系統(tǒng)結(jié)垢。經(jīng)查閱資料，氣化爐水系統(tǒng)經(jīng)閃蒸系統(tǒng)降溫降壓，由4.2MPa、240℃降溫降壓至0.5 MPa、75℃時，CO₂溶解度由14.5g降低至6.8g左右，閃蒸之后水中仍然溶解大量的CO₂。氣化裝置煤粉加壓輸送系統(tǒng)載氣為N₂和 CO₂時水質(zhì)數(shù)據(jù)如表2所示。總堿由4.2上升到7.9，說明水中CO₃^2-等陰離子濃度增加，為水系統(tǒng)結(jié)垢提供陰離子。

3.3外部水水質(zhì)

本裝置目前主要外部水是汽提凝液、變換高溫凝液和脫鹽水（或者優(yōu)質(zhì)再生水）。汽提凝液PH高達(dá)9.0左右，裝置補(bǔ)充汽提凝液后水系統(tǒng)顯弱堿性，為水系統(tǒng)結(jié)垢提供了最佳的反應(yīng)條件^[5]。此外，汽提凝液的硬度為300?mg/L左右，總堿為250?nmol/L左右，為水系統(tǒng)結(jié)垢提供了陽離子和陰離子。本裝置引進(jìn)優(yōu)質(zhì)再生水代替部分脫鹽水，優(yōu)質(zhì)再生水未經(jīng)除鹽工序，陽離子含量較高，使用優(yōu)質(zhì)再生水會增加水系統(tǒng)的陽離子。為探究汽提凝液和優(yōu)質(zhì)再生水對水質(zhì)的影響，在添加前后，對系統(tǒng)水質(zhì)取樣分析，數(shù)據(jù)如表3所示。

從上表3可以看出，使用后各項(xiàng)指標(biāo)均增加，水質(zhì)明顯惡化，陰陽離子濃度增加，為結(jié)垢提供了有利條件。

3.4工藝條件

為降低生產(chǎn)成本，提高運(yùn)行穩(wěn)定性，本裝置水系統(tǒng)做了優(yōu)化改造：（1）新增渣脫水。為降低灰渣運(yùn)營成本，將粗渣含水率從38.9%降至18%，脫除水分并入水循環(huán)系統(tǒng)，增加8t/h循環(huán)水量;（2）開路排放改造。為降低激冷水泵入口管線堵塞的次數(shù)，將激冷水泵入口管線由洗滌塔底部上移至中部，底部新增加至閃蒸系統(tǒng)的灰水管線，其他水量不變，共增加120t/h循環(huán)水量;（3）為響應(yīng)國家“零排放”政策，裝置廢水外排量維持不變，為避免循環(huán)水罐溢流，通過關(guān)小機(jī)泵密封水、降低洗滌塔上部脫鹽水添加量、降低過濾機(jī)用水，共減少外補(bǔ)水125t/h。

水系統(tǒng)基本維持平衡，但新鮮水補(bǔ)水大幅降低，系統(tǒng)外排水量維持不變，導(dǎo)致水系統(tǒng)陰、陽離子集聚。在水系統(tǒng)改造前后，對系統(tǒng)水質(zhì)取樣分析，數(shù)據(jù)如表4所示。

從上表4可以看出，使用后各項(xiàng)指標(biāo)均增加，水質(zhì)明顯惡化，陰陽離子濃度增加，進(jìn)一步促進(jìn)了結(jié)垢。

4結(jié)語

本文對沉降槽垢片進(jìn)行分析表征，發(fā)現(xiàn)沉降槽垢片主要成分是CaCO₃和MgCO₃，并對影響系統(tǒng)水質(zhì)的影響因素進(jìn)行分析，得出：

（1）本裝置使用高灰分煤種，導(dǎo)致水系統(tǒng)中Ca²⁺、Mg²⁺含量增加，這為水系統(tǒng)結(jié)垢提供了陽離子;（2）煤粉輸送單元載氣運(yùn)行期間均由N₂切換為CO₂，導(dǎo)致水中溶解大量的CO₂，生成大量的陰離子;（3）本裝置使用汽提凝液和優(yōu)質(zhì)再生水作為外補(bǔ)水，加入汽提凝液使得水系統(tǒng)呈現(xiàn)弱堿性，為水系統(tǒng)結(jié)垢提供最佳的反應(yīng)環(huán)境;使用汽提凝液和優(yōu)質(zhì)再生水為水系統(tǒng)增加了部分陰陽離子;（4）為降低脫鹽水消耗、降低廢水外排，本裝置采用節(jié)水措施，導(dǎo)致水中陰陽離子偏高，為某公司氣化裝置水系統(tǒng)結(jié)垢提供了客觀條件。

基于以上四個因素的綜合作用下，本裝置水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-07-10

作者簡介：劉寧源（1972—），男，河南濟(jì)源人，本科，工程師，研究方向：煤氣化生產(chǎn)管。理。