四噴嘴氣化裝置系統(tǒng)結(jié)垢原因分析及應(yīng)對措施

曹 亮

(兗礦魯南化工有限公司，山東 騰州 277527)

兗礦魯南化工公司氣化車間氣化爐設(shè)計投煤量為1 000 t/d。該裝置是全國首套四噴嘴氣化爐裝置。自2003年7月份投產(chǎn)以來，系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定，各項消耗指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計值。但隨著系統(tǒng)運行時間的延長，系統(tǒng)在不同部位均發(fā)生不同程度的結(jié)垢。正常運行期間蒸發(fā)熱水塔填料因結(jié)垢經(jīng)常出現(xiàn)帶水問題，填料運行周期不足120 d。現(xiàn)場高溫?zé)崴妙l繁出現(xiàn)流量低、泵體振動大的現(xiàn)象，經(jīng)過拆檢泵體發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部葉輪處結(jié)垢嚴(yán)重。尤其是系統(tǒng)開停車期間，閃蒸系統(tǒng)黑水管線和澄清槽底流泵入口處經(jīng)常發(fā)生堵塞。堵塞狀況較為嚴(yán)重，疏通困難，現(xiàn)場工作量繁重。

1 系統(tǒng)結(jié)垢危害性和介質(zhì)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)垢危害性

氣化裝置是一種固體燃料轉(zhuǎn)變成氣體的過程，在轉(zhuǎn)化過程中燃料中的灰分需要進(jìn)行處理排出，系統(tǒng)裝置的主要設(shè)備需要降溫保護(hù)。系統(tǒng)水循環(huán)承擔(dān)著處理廢物和保護(hù)裝置的功能。如果系統(tǒng)發(fā)生結(jié)垢，系統(tǒng)水循環(huán)就會出現(xiàn)循環(huán)不暢，導(dǎo)致重要設(shè)備超溫，甚至損壞；同時，局部會出現(xiàn)帶水、堵塞的現(xiàn)象，現(xiàn)場轉(zhuǎn)動設(shè)備的運行也會受到影響。當(dāng)問題積累到一定程度時，會導(dǎo)致系統(tǒng)各個部位陸續(xù)出現(xiàn)異常，最后只能被動停車。系統(tǒng)黑水設(shè)備、管線和蒸發(fā)熱水塔上部熱水室是容易結(jié)垢的部位。

1.2 水循環(huán)介質(zhì)分析

1.2.1 系統(tǒng)黑水

1.2.2 酸性氣組成

1.2.3 低壓灰水

表1 酸性氣分析數(shù)據(jù) %

表2 灰水分析數(shù)據(jù)

1.2.4 低溫冷凝液

水系統(tǒng)的氨主要由水煤漿氣化反應(yīng)生成，原料中的氮元素經(jīng)過氣化加壓反應(yīng)，大約有15% 轉(zhuǎn)化生成氨，約占合成氣(干氣)量的0.1%～0.3%。由于氨極易溶于水，又能和水強烈締合，另外，氨溶液的揮發(fā)度也較大，因此，即便其堿性較弱，但在水中溶解到一定程度時也可以大幅度提高水的堿度。氣化爐激冷室水的溫度較高，約220 ℃，氨在激冷室中溶解較少，在水中以氯化銨、甲酸銨及碳酸氫銨等形態(tài)存在。合成氣進(jìn)入下游工序，經(jīng)逐級冷卻后，冷凝下來的冷凝液里溶解了較多的氨，因而系統(tǒng)中冷凝液尤其是低溫冷凝液堿度很高。見表3。

表3 低溫變換冷凝液化驗結(jié)果

2 系統(tǒng)結(jié)垢原因分析

2.1 系統(tǒng)黑水結(jié)垢

由于系統(tǒng)黑水內(nèi)存在大量懸浮物(大于1 800 mg/L)且水中堿性離子濃度較高。當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時，會發(fā)生結(jié)垢。結(jié)垢后離子形式多樣(有碳酸鹽式、硅酸鹽式、硫酸鹽式和磷酸鹽式)，發(fā)生結(jié)垢時，垢片會包裹大量灰分，成長速度快、硬度高。所以，系統(tǒng)黑水所結(jié)的垢質(zhì)質(zhì)地較硬，清理難度大，如果脫落或堵塞，疏通難度極大。

2.2 蒸發(fā)熱水塔熱水室結(jié)垢

進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔的低壓灰水在洗滌、換熱過程中由于溶解一部分CO2，使其堿度有一定程度上升。隨著相對高堿度低溫冷凝液的加入，填料層灰水總堿度很高。通過分析可以看出，低壓灰水中有一定濃度的堿性金屬陽離子和堿土陽離子。在高堿度和大量堿性離子的作用下，填料層易生成CaCO3，不可避免地出現(xiàn)結(jié)垢。但由于灰水中所攜帶懸浮物較少，與蒸發(fā)熱水塔底部相比，其中的酸性不溶物很少，發(fā)生結(jié)垢時磷酸鈣和硅酸鈣含量較少，所以填料層結(jié)垢后垢質(zhì)較軟，相反，蒸發(fā)熱水塔底部垢質(zhì)相對很硬。但是，隨著運行時間延長，填料層垢質(zhì)也會逐步變硬，清理難度逐漸加大。

2.3 系統(tǒng)垢片成分分析

從3個部位的垢樣分析看出，對應(yīng)于3個垢樣，以碳酸鹽形式存在的垢占整個垢樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是9.61%、8.84%、68.55%。蒸發(fā)熱水塔相對氣化爐和旋風(fēng)分離器垢片來說，以碳酸鹽相結(jié)合的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大。同時，酸性不溶物和P2O5比例遠(yuǎn)大于蒸發(fā)熱水塔熱水室內(nèi)的垢片。由此充分說明，氣化爐和旋風(fēng)分離器結(jié)垢形式和蒸發(fā)熱水塔熱水室結(jié)垢形式的不同，其結(jié)垢的硬度遠(yuǎn)大于熱水室垢片硬度，見表4。

表4 系統(tǒng)垢片成分分析

3 蒸發(fā)熱水塔熱水室結(jié)垢應(yīng)對措施

3.1 加大對煤種和系統(tǒng)垢片成分分析力度

在正常生產(chǎn)中，應(yīng)定期對煤種的元素和成分進(jìn)行分析，即使煤源沒有發(fā)生變化，同一礦點由于煤層的不同，煤種也會發(fā)生變化。分析煤質(zhì)資料，如發(fā)現(xiàn)個別元素或成分發(fā)生變化時，及時調(diào)整系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)。譬如，改善分散劑分散效果或加大系統(tǒng)新鮮水置換量等。

利用停車機會對系統(tǒng)各點容易結(jié)構(gòu)部位的垢片進(jìn)行采樣分析。通過分析數(shù)據(jù)找到系統(tǒng)近期的結(jié)垢趨勢和結(jié)垢形式，才能真正做到把控系統(tǒng)，使其不斷優(yōu)化，改善系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)環(huán)境。

3.2 熟悉掌握不同運行方式下灰水指標(biāo)變化范圍和平衡值

通過幾年的摸索，發(fā)現(xiàn)在不同負(fù)荷下灰水指標(biāo)是會發(fā)生變化的。當(dāng)氣化爐運行方式和負(fù)荷發(fā)生變化時，進(jìn)入水中的各項離子濃度以及灰水堿性環(huán)境也會發(fā)生變化。尤其是當(dāng)前各廠家都追求“提產(chǎn)高效”，甚至將負(fù)荷提至設(shè)計負(fù)荷100%以上。但灰水系統(tǒng)各設(shè)備容積、系統(tǒng)置換量以及外排水量是一定的，勢必會造成灰水離子濃度升高。這時，如何把握不同運行方式下，灰水指標(biāo)范圍和平衡值是至關(guān)重要的。高于指標(biāo)應(yīng)及時采取措施將指標(biāo)降低;但當(dāng)處于平衡指標(biāo)狀態(tài)時，想進(jìn)一步降低灰水指標(biāo)，往往收效甚微，無形之中也提高了生產(chǎn)成本。只有及時調(diào)整灰水指標(biāo)，始終保持在平衡值，才能保證系統(tǒng)處于正常結(jié)垢水平，見表5。

表5 運行方式對應(yīng)指標(biāo)范圍和平衡值

3.3 關(guān)注低溫冷凝液堿度變化和系統(tǒng)間分配

由于低溫冷凝液堿度遠(yuǎn)高于灰水堿度，所以冷凝液進(jìn)入系統(tǒng)后對其堿性程度造成很大影響。如不加以控制就會造成系統(tǒng)大面積結(jié)垢的“溫床”。要求冷凝液氣提系統(tǒng)溫度，嚴(yán)格按照設(shè)計指標(biāo)執(zhí)行，不能低于指標(biāo)范圍。做好冷凝液堿度的分析，增加分析頻次(每班一次)；建立專門臺賬，方便長時間監(jiān)控堿度走勢。雙爐期間的堿度不能高于60 mmmol/L。

系統(tǒng)處于雙爐或以上時，現(xiàn)場應(yīng)注意低溫冷凝液的分配問題。應(yīng)充分考慮現(xiàn)場管線走向，判斷阻力狀況，使冷凝液能夠平衡加入運行系統(tǒng)。當(dāng)其中一個系統(tǒng)出現(xiàn)帶水，并持續(xù)惡化時，可適量降低冷凝液流量。

3.4 做好現(xiàn)場藥劑添加、配比和外排水量控制

3.4.1 絮凝劑的配制和加入量

絮凝劑由大分子超長分子鏈聚合而成，相對分子質(zhì)量可達(dá)到800萬～2 000萬。絮凝劑由泵輸送到固定的黑水管線后，流入直徑21 m的澄清槽進(jìn)行沉降。絮凝劑中的有效成分會聚合黑水中的懸浮物，形成相對質(zhì)量較大的絮凝團，在重力作用下，沉降至澄清槽底部，達(dá)到去除懸浮物，凈化水質(zhì)的目的。

絮凝劑的選型、配制、加入量應(yīng)該隨著系統(tǒng)使用的煤種的變更而調(diào)整。氣化煤種發(fā)生變更時，在實驗室針對變更煤種后產(chǎn)生的黑水，配制多種不同類型的絮凝劑進(jìn)行試驗。試驗條件盡量與生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境一致，使試驗結(jié)果準(zhǔn)確反應(yīng)實際，選擇相對效果較好的絮凝劑投入系統(tǒng)使用。

絮凝劑的加入量和灰水懸浮物量(即灰水濁度)沒有一定正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系。即使是同種煤其黑水和絮凝劑的添加量之間也只存在一個“最佳添加量”。而最佳添加量與氣化爐操作的工況條件，如爐溫變化、煤質(zhì)灰分等密切相關(guān)。若工況變化，添加量也要隨之進(jìn)行調(diào)整，見圖1。

圖1 同煤種狀態(tài)下灰水濁度和絮凝劑添加量對應(yīng)關(guān)系

3.4.2 分散劑加入量的控制

4.3 系統(tǒng)新鮮水加入和外排廢水量的控制

4 結(jié)束語

通過對結(jié)垢環(huán)境和介質(zhì)的分析，以及剖析黑水內(nèi)部和蒸發(fā)熱水塔熱水室內(nèi)結(jié)垢機理，可以看出，結(jié)垢是由過高的堿性環(huán)境和灰水中一定濃度的堿性離子導(dǎo)致的。如何防止結(jié)垢的發(fā)生，需要理解和分析整個系統(tǒng)結(jié)垢狀況。從源頭煤種做好把控，嚴(yán)禁不符合要求的煤種長時間在系統(tǒng)內(nèi)使用。系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)整時，認(rèn)真監(jiān)控系統(tǒng)灰水指標(biāo)的變化狀況。逐步摸索出對應(yīng)系統(tǒng)以及對應(yīng)煤種指標(biāo)的變化情況，并能及時進(jìn)行調(diào)整。加強對藥劑的管理力度，工況出現(xiàn)變化時，及時調(diào)整藥劑型號或添加量。保證藥劑添加量在一個合理范圍內(nèi)，同時根據(jù)系統(tǒng)需求，合理加入新鮮水和外排廢水。通過一系列改進(jìn)措施，系統(tǒng)開停車時，設(shè)備或管道堵塞狀況逐步減少，即使發(fā)生堵塞，其堵塞程度明顯減輕，疏通難度大大減小。蒸發(fā)熱水塔填料周期成功由120 d突破至260 d以上。