煤氣化裝置灰水系統(tǒng)水質(zhì)淺析

李俊挺, 蒙勇宏, 王國梁

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 煤制油分公司, 銀川 750411)

氣流床氣化技術(shù)是目前煤氣化技術(shù)的主流技術(shù),其中,干煤粉氣化技術(shù)因其煤種適應(yīng)范圍廣、效率高,得到了廣泛應(yīng)用。干煤粉氣化技術(shù)的主要控制點(diǎn)為煤質(zhì)、水質(zhì)及系統(tǒng)水平衡,其中水質(zhì)的影響因素較多,控制復(fù)雜,制約了氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行,因此控制水質(zhì)顯得尤為重要。在煤化工行業(yè),灰水系統(tǒng)擁有重要的地位,水質(zhì)差容易引發(fā)灰水系統(tǒng)沉積、結(jié)垢等問題[1],管道及系統(tǒng)堵塞嚴(yán)重時(shí),足以令整個(gè)氣化裝置的生產(chǎn)完全停頓。因此,控制氣化裝置的水質(zhì)指標(biāo),對氣化裝置長周期、安全、清潔、高效運(yùn)行具有重要意義。

介紹了某干煤粉氣化爐灰水系統(tǒng)流程及水質(zhì)運(yùn)行指標(biāo),根據(jù)灰水系統(tǒng)水質(zhì)運(yùn)行數(shù)據(jù),分析了指標(biāo)異常的原因,以期為同類煤氣化項(xiàng)目提供參考。

1 灰水系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)流程

干煤粉氣化工藝灰水系統(tǒng)流程見圖1。干煤粉氣化爐激冷室內(nèi),對熱合成氣和熔融態(tài)渣進(jìn)行激冷降溫的黑水從激冷室下部進(jìn)入三級閃蒸裝置,經(jīng)減壓、降溫脫出不凝氣后,進(jìn)入沉降槽。在絮凝劑的作用下,黑水中的固體顆粒絮凝沉降,上層清液流入循環(huán)水罐,添加分散劑后大部分送至氣化裝置進(jìn)行循環(huán)利用,小部分外送至廢水處置裝置,在平衡水系統(tǒng)的同時(shí)改善系統(tǒng)水質(zhì)。

圖1 干粉煤氣化工藝灰水系統(tǒng)流程

1.2 水質(zhì)運(yùn)行數(shù)據(jù)

該氣化裝置灰水系統(tǒng)水質(zhì)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 水質(zhì)運(yùn)行數(shù)據(jù)

2 水質(zhì)指標(biāo)

煤氣化裝置灰水系統(tǒng)的水質(zhì)是由原料煤和外補(bǔ)水帶入系統(tǒng),經(jīng)反應(yīng)、閃蒸、濃縮后,再以系統(tǒng)外排廢水帶出后,最終使水系統(tǒng)達(dá)到一定的濃縮倍數(shù)而決定的。因此,在穩(wěn)定系統(tǒng)負(fù)荷和外補(bǔ)水水質(zhì)后,適當(dāng)提高外排廢水量,有利于優(yōu)化系統(tǒng)水質(zhì)?；宜|(zhì)指標(biāo)的偏離會造成腐蝕、軟泥沉積、結(jié)垢等異常工況,進(jìn)而制約裝置長周期運(yùn)行。

2.1 懸浮物

懸浮物是大量分子或離子結(jié)合而成的肉眼可見的小顆粒,大小通常在幾十微米以上,較長時(shí)間靜置后可以沉淀。懸浮物是造成灰水系統(tǒng)軟泥沉積堵塞的主要因素,通常控制其質(zhì)量濃度低于80 mg/L。

2.2 pH

pH是灰水中酸堿度的數(shù)值,pH=-lgw(H+),即所含氫離子濃度的常用對數(shù)的負(fù)值。pH小于6,管道設(shè)備有腐蝕風(fēng)險(xiǎn);pH大于7后,pH越高,灰水總堿度越大,系統(tǒng)結(jié)垢傾向越強(qiáng)。此pH通?？刂圃?～8。

2.3 總硬度

總硬度通常以灰水中Ca2+和Mg2+的總含量表征。它是系統(tǒng)結(jié)垢的主要表征因素之一,通?？刂瓶傆捕鹊陀? 500 mg/L?；宜械拟}、鎂等鹽類因濃度或溫度變化,超過其溶解度而過飽和時(shí)即結(jié)晶析出,在設(shè)備表面形成致密而牢固的垢片。

2.4 總堿度

總堿度為灰水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的物質(zhì)的總量。這類物質(zhì)包括強(qiáng)堿、弱堿、強(qiáng)堿弱酸鹽等。它是系統(tǒng)結(jié)垢的主要因素之一,通?？刂频陀?0 mmol/L。

2.5 氯離子質(zhì)量濃度

氯離子可導(dǎo)致金屬腐蝕,尤其是不銹鋼設(shè)備和管道。氯離子主要來源于原料煤的氣化反應(yīng),也是判定灰水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)的重要參考指標(biāo),通?？刂坡入x子質(zhì)量濃度低于500 mg/L。

2.6 化學(xué)需氧量

化學(xué)需氧量是指灰水中能被氧化的物質(zhì)在規(guī)定條件下進(jìn)行化學(xué)氧化過程所消耗氧化劑(高錳酸鉀、重鉻酸鉀)的量,以每升灰水樣消耗氧的質(zhì)量表示?；瘜W(xué)需氧量表征灰水受還原性物質(zhì)的污染程度,主要來源于原料煤氣化反應(yīng)生成的硫化氫、未燃盡的碳,以及潤滑油等物質(zhì)的竄入,通?？刂苹瘜W(xué)需氧量低于1 400 mg/L。正常工況下,灰水中的碳是造成化學(xué)需氧量升高的主要因素,此時(shí)需要改善氣化爐燃燒工況,減少飛灰含量[2]。

2.7 氨氮質(zhì)量濃度

2.8 總?cè)芄藤|(zhì)量濃度

總?cè)芄藤|(zhì)量濃度又稱溶解性固體總量,它表明1 L灰水中溶有溶解性固體的質(zhì)量,即灰水中溶解組分的總量,包括溶解于灰水中的各種離子、分子、化合物的總量,但不包括懸浮物和溶解氣體,通?？刂瓶?cè)芄藤|(zhì)量濃度低于3 500 mg/L。

一般情況下,灰水中總?cè)芄藤|(zhì)量濃度越低,灰水中的鹽類雜質(zhì)的含量越少;總?cè)芄藤|(zhì)量濃度越高,溶解性離子包括碳酸根、鈣、鎂等離子含量越多,結(jié)垢性越強(qiáng)。

3 藥劑對水質(zhì)的影響

3.1 絮凝劑

絮凝劑是能使水溶液中的膠體或者懸浮物顆粒產(chǎn)生絮狀沉淀的水處理劑。 煤氣化裝置常用的絮凝劑為合成有機(jī)高分子絮凝劑(聚丙烯酰胺),利用其高相對分子質(zhì)量(500萬～2 000萬)、長分子鏈及電荷性能,具有網(wǎng)捕、架橋等作用,將微小絮體凝聚成大片絮體,加速沉降。

絮凝劑用量過低,影響膠體的絮凝和沉降效果,灰水中懸浮物含量高;絮凝劑用量過高,過多高分子同時(shí)吸附在一個(gè)膠粒上,高分子失去架橋作用,反而把微粒保護(hù)起來,起穩(wěn)定作用,不利于絮凝。

3.2 分散劑

灰水分散劑為氣化行業(yè)處理煤氣化灰水的藥劑統(tǒng)稱,也稱阻垢分散劑,具有能分散水中的難溶性無機(jī)鹽,阻止或干擾難溶性無機(jī)鹽在金屬表面沉淀、結(jié)垢的功能[5]。

阻垢分散劑分子中的官能團(tuán)能與灰水中Ca2+、Mg2+等陽離子形成穩(wěn)定的可溶性螯合物,相對增大了鈣、鎂鹽的溶解度,減少了垢的產(chǎn)生[6]。阻垢分散劑共聚物具有強(qiáng)烈的吸附能力,在結(jié)垢晶體成長過程中,吸附在晶體生長的活性點(diǎn)上,并摻雜在晶格的點(diǎn)陣中,使晶體發(fā)生畸變,且易于破裂,阻礙了沉積垢的生長。同時(shí),阻垢分散劑吸附在成垢微晶表面,會使微晶表面形成雙電層,微晶之間的靜電斥力可阻止微晶的相互碰撞,避免了大晶體的形成,使這些成垢晶粒穩(wěn)定地處在分散狀態(tài)。

分散劑用量大,灰水中的總?cè)芄藤|(zhì)量濃度會相對升高,同時(shí)灰水中的殘留分散劑進(jìn)入沉降槽,極大地干擾絮凝劑的絮凝作用,見表2。

表2 不同分散劑濃度對水質(zhì)的影響

從表2可以看出:維持合適的分散劑添加量,分散劑殘留量低,水質(zhì)數(shù)據(jù)在正常指標(biāo)范圍,系統(tǒng)結(jié)垢傾向低。分散劑添加量過大,會干擾絮凝劑的絮凝作用,灰水中懸浮物含量高,易發(fā)生軟泥沉積堵塞管道設(shè)備;分散劑添加量過小,分散阻垢作用小,管道設(shè)備易結(jié)垢。

4 常見問題原因分析

氣化爐運(yùn)行期間,在入爐煤質(zhì)、投煤量、外排廢水量等無大幅度變化的情況下,灰水系統(tǒng)出現(xiàn)異常工況,應(yīng)從相關(guān)的藥劑添加、黑水流量、閃蒸壓力等方面進(jìn)行排查分析。

4.1 系統(tǒng)高溫區(qū)域結(jié)垢嚴(yán)重

氣化爐運(yùn)行期間,系統(tǒng)低溫區(qū)域結(jié)垢不嚴(yán)重,但高溫區(qū)域管線和設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重,說明分散劑在高溫條件下阻垢率低,此時(shí)應(yīng)提高分散劑抗高溫性能。

4.2 灰水中懸浮物含量升高

氣化爐運(yùn)行期間,灰水中懸浮物含量升高,此時(shí)應(yīng)從以下3個(gè)方面進(jìn)行排查:

(1) 絮凝劑添加是否正常且均勻。

(2) 沉降槽內(nèi)黑水量是否發(fā)生劇烈波動,改變了黑水和絮凝劑的絮凝沉降時(shí)間。

(3) 分散劑是否過量添加,干擾了絮凝劑作用。

4.3 灰水中氨氮含量升高

氣化爐運(yùn)行期間,灰水中氨氮含量升高,此時(shí)應(yīng)排查變換裝置高溫凝液、酸水汽提裝置低溫凝液,以及黑水閃蒸裝置運(yùn)行壓力和溫度,以確認(rèn)異常點(diǎn)。

4.4 灰水中總?cè)芄藤|(zhì)量濃度升高

氣化爐運(yùn)行期間,灰水中總?cè)芄藤|(zhì)量濃度升高,主要排查氣化爐燃燒工況及分散劑添加量。

4.5 灰水中總硬度降低

氣化爐運(yùn)行期間,灰水中總硬度突然降低,表明大量Ca2+、Mg2+析出結(jié)垢, 此時(shí)應(yīng)提高分散劑添加量,增大外排廢水量,置換水質(zhì)。

5 結(jié)語

灰水系統(tǒng)水質(zhì)直接影響干煤粉氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行,但由于其復(fù)雜性,必須多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)耦合分析,綜合調(diào)整。若調(diào)整單一水質(zhì)指標(biāo),往往無法有效控制異常工況。

在干煤粉氣化裝置無法增大外排廢水改善水質(zhì)的條件下,控制絮凝劑和分散劑添加量是防止系統(tǒng)結(jié)垢和軟泥沉積堵塞的最有效手段。