灰水系統穩定運行的影響因素及改進措施

王立群

（龍煤東化有限公司，黑龍江鶴崗 154111）

1 影響灰水系統的主要因素

目前，水煤漿氣化裝置以設計壓力為4.0MPa和6.5MPa等級的居多，根據工藝設計，4.0MPa等級灰水多作為氣化爐激冷水的來源之一（激冷水的另一來源一般為除氧水），而設計壓力6.5MPa等級灰水多經過除氧器除氧后作為激冷水的主要來源，其質量的優劣直接關系到氣化爐運行狀況的好壞。下面以一個最惡劣環境的水煤漿氣化裝置灰水系統為例，進行討論。

一個年產300kt合成氨廠，設計壓力為6.5MPa等級，煤漿濃度在62%～65%之間，單爐投煤漿量90m3／h，合成氣平均產量262 000m3／h（濕基），洗滌塔出口合成氣平均溫度243℃、平均壓力6.27MPa的情況下，要維護氣化爐的水平衡，通入激冷環、激冷室內的水量須控制在220m3／h左右才能達到保護氣化爐激冷環和下降管避免被爐渣燒損的目的，實現對水煤氣的充分洗滌和冷卻，保證爐渣排放的順暢。水煤漿氣化系統在運行過程中，特別在氣化爐運行后期，經常發生激冷水管線結垢，激冷水流量低，洗滌塔循環泵結垢，灰水總堿度高，系統腐蝕，運行阻力大，操作性能下降等現象。為了提高氣化灰水系統的運行質量，實現長周期穩定運行，對影響灰水系統的因素進行了綜合分析，制定出了灰水系統的優化運行措施。

1.1 原料煤灰分及煤漿灰熔點

灰水系統的鈣主要來源于原料煤中的灰分，本裝置原料煤灰分指標為10%。由于地理因素的影響，原料煤只能本地區解決，煤種單一，灰熔點高，最高達1 500℃，原料煤中需要加入大量的助熔劑，導致灰水中Ca2＋含量高。水煤漿氣化裝置要求煤漿灰熔點在1 200～1 300℃，而實際有約80%的煤漿灰熔點高于1 400℃，20%低于1 300℃。灰熔點越高，激冷水中溶解的Ca2＋就越多，灰水中的Ca2＋含量就會越高。煤氣中的CO2溶于灰水中形成HCO－3，灰水中Ca2＋含量高，在溫度較高的條件下，會促進CaCO3的生成，形成垢。

1.2 絮凝劑、阻垢劑的加量及廢水排污量

氣化灰水系統現有重力沉降槽一臺，容積為2 100m3。在工程設計階段，要根據煤種和所采用的工藝，將沉降槽容積設計大一些，容積增大對水溫控制、細灰沉淀、絮凝劑充分發揮作用都有好處，（有的工程公司在設計階段就習慣將沉降槽、沉渣池做得很小，認為一定的容積就可以了，這個我們自己在搞工程設計時一定要慎重考慮。）一臺沉降槽對應2臺氣化爐。絮凝劑添加量為每天9.9kg，沉降槽的排污采用連續均勻方式。從2005年至2009年的分析數據中不難看出，灰水的懸浮物超過100mg／L和總堿度1 500mg／L時證明絮凝劑加入量偏小。通過反復試驗絮凝劑的加入量，始終控制加入量在指標的下限。加入量過高有可能造成絮凝劑帶入灰水系統，造成細灰在灰水系統沉淀，降低灰水流速，從而造成管道結垢。絮凝劑加入量和濃度穩定與否也是影響沉淀效果的重要因素。為此，保證加藥泵的穩定運行是關鍵，同時按比例配絮凝劑水溶液是確保沉淀效果的另一重要因素。

1.3 阻垢劑的添加量

灰水系統的阻垢劑采用南京開廣的阻垢劑，常規做法是在沉降槽上部溢流口入灰水罐處和低壓灰水泵入口管線處加入，每天加入量為350kg。設計灰水的總硬度＋堿度控制在1 500mg／L以下，pH值控制在7～9之間，灰水懸浮物≤100mg／L。阻垢劑從這里加入再打到洗滌塔，在洗滌塔高溫、高壓的作用下阻垢劑逐漸失效，打到氣化爐激冷室時阻垢劑已經基本失效，造成激冷環結垢嚴重，進一步影響穩定生產。

1.4 除氧器處理來水

由于界區外凈化系統的變換冷凝液、尿素水解液等水質較差的水相繼送入氣化工段的除氧器進行處理，這部分外來水，特別是尿素水解液中氨的含量比較高，造成灰水系統氨含量高，pH值升高。在灰水系統中氨逐漸濃縮，灰水系統的總堿度不斷升高，HCO－3轉化為CO2－3，灰水中CO2－3的濃度增加，促進了Ca2＋與CO2－3生成CaCO3，形成垢。后期激冷水流量的降低和洗滌塔循環泵的結垢，實質上是整個灰水系統均呈現結垢現象的突出表現。

變換冷凝液在氣化裝置回收使用過程中，變換冷凝液含CO2－3較高，尤其是溫度高時更高，在變換冷凝液中CO2－3是以碳酸氫銨的形式存在的，而且在變換冷凝液閃蒸塔放空處經常因碳酸氫銨結晶造成變換冷凝液閃蒸塔放空堵塞。

1.5 黑水、廢水置換量小

氣化爐及洗滌塔底部黑水出口管線流量偏低，系統灰水置換量小也是造成系統結垢的一個主要原因。氣化裝置的生產負荷也是影響灰水系統結垢速度的主要因素。由于一套合成氨生產裝置是由幾個單元組成的，很難保證整個裝置長時間都處于完好狀態，一旦某個裝置出現故障不能滿負荷生產，氣化裝置操作將更困難。長時間的低負荷生產，產氣量小、帶至變換系統的熱量少，這時為保證變換系統穩定運行，就要降低合成氣水汽比，降低水汽比的最有效手段是，降低氣化爐激冷水量，減少黑水排放量，新鮮水的補入量減少，廢水排放量減少，水的流速降低，總堿度升高都對管道結垢有利，所以長期低負荷生產對氣化裝置長周期穩定運行不利。

廢水的排放量是評估一個氣化裝置設計成功與否的關鍵，尤其是對這樣一個工藝條件下的裝置，無論是灰水總堿度和硬度，都需要不斷置換系統內的灰水來控制，因此氣化裝置的污水排放量就是一個關鍵問題，一個300kt／a合成氨裝置氣化污水排放量設計為50m3／h，考慮的因素不完全是為了降低氣化裝置的灰水總堿度和硬度，而且還考慮了灰水系統鹽類是否超標。基于這方面的考慮，設計階段氣化裝置污水處理能力偏小。隨著國家對環保力度的加大，控制好污水中的氨氮、COD、氰化物等指標才能排放，所以在設計階段氣化裝置的污水處理能力應適當增大。

1.6 操作不穩定

在日常操作中，各班組控制沉降槽的排污情況和灰水罐的液位不一致，有的班組控制低排污，灰水罐保持高液位；而有的班組控制大排放量，造成各班組補入到系統的冷凝液量不同，系統波動大，沉降和阻垢效果不好。

2 對氣化裝置的影響

2.1 對氣化爐爐磚的影響

隨著灰水系統結垢越來越嚴重，逐漸影響激冷水量，如果不減生產負荷，將逐漸造成氣化爐激冷室帶水。氣化爐激冷室帶水會造成氣化爐渣口壓差頻繁波動，導致氣化爐燃燒室出口氣體形成回流，影響氣化爐燒嘴火焰長度，同時造成氣化爐拱頂處火焰黑區的耐火磚竄氣，引起氣化爐壁超溫，影響氣化爐穩定運行。

2.2 對閃蒸系統的影響

由于氣化爐激冷室進水量減少，出水量也逐漸減少，系統內黑水排放量減少，導致閃蒸系統溫度、壓力下降，灰水加熱器換熱量逐漸減小，系統內細渣排放量減少，細渣在系統內存積，影響系統穩定運行。

3 針對灰水系統結垢采取的措施

（1）嚴格進廠煤的質量。積極拓展采購市場，講求產氣的綜合效益，不再僅以煤炭價格作為采購的標準，盡可能控制入廠煤的灰分小于10%；加強不同灰熔點煤種的配比試驗，控制煤漿的灰熔點在指標范圍。

（2）適當調整沉降槽絮凝劑的添加量，加強水質分析。

（3）增加高壓灰水泵的出口取樣點。此處分析的懸浮物含量更能代表灰水系統的實際狀況，并且可以反映出灰水結垢的趨勢。

（4）采用更加高效的絮凝劑和阻垢劑，經過反復實驗，阻垢劑加在激冷水過濾器后，比加在激冷水泵入口更能有效地防止氣化爐激冷環結垢，而且效果明顯。

（5）開好尿素水解裝置，盡量降低水解液的氨含量，以緩解氣化除氧器水的總堿度及其pH值的上升。

（6）加大氣化爐及洗滌塔底部黑水出口排放量，以減少系統結垢。

（7）定期清洗洗滌塔循環泵出口濾網，避免灰分被帶入激冷環。

4 改進后的效果

采取以上措施后的近3個月運行情況表明，灰水系統的整體狀況得到了很大的改善，概括如下。

（1）灰水的各項廠控指標都有明顯的好轉，95%以上符合要求，并且數值的波動大大減小，關鍵指標，如煤漿灰熔點完全在指標范圍內，且邊緣數據減少。爐內液位平穩，一般維持在50%～60%。爐內溫度和壓力也比較穩定，易于掌控。

（2）氣化爐出口氣溫度嚴格控制在242～245℃。出口氣所含飛灰被較充分地洗滌掉，減輕了文丘里洗滌器、洗滌塔等后續設備和管道的壓力，很大程度上避免和延緩了文丘里洗滌器、黑水管線、水泵、換熱器等堵塞情況的發生，更有利于后續工段的運行。

5 結 語

通過分析影響灰水系統的因素，采取了相應的措施。在增加小額額外資金投入的情況下，僅通過技術挖潛和管理控制，就使灰水系統的運行更加趨于平穩，取得了很好的經濟效益。