基于一種干煤粉氣化裝置水系統結垢原因的探索研究

劉寧源 何紅兵 李俊挺 饒天曦

摘 ?要：某公司氣化裝置采用干煤粉氣化技術，其灰水系統結垢嚴重。為分析其原因，在沉降槽取垢片樣，通過掃描電鏡（SEM）表征其微觀結構，X射線衍射（XRD）分析其主要物相。根據表征結果，從煤質、煤粉輸送系統載氣、外部水水質以及工藝條件四個方面展開分析，認為是這四個方面綜合作用導致氣化裝置水系統結垢嚴重。

關鍵詞：干煤粉氣化;水系統;結垢;綜合作用

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

0 引言

煤氣化技術是重中之重，關系到現代煤化工裝置的正常運行^[1]。干粉煤加壓氣化技術是最先進的煤氣化技術之一，與水煤漿氣化技術相比，具有煤種適應性廣、原料消耗低、碳轉化率高、冷煤氣效率高等優勢^[2]。大水系統水質對干煤粉氣化裝置穩定運行有重要影響。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設備和管道內灰水易結垢，尤其是沉降槽內壁結垢嚴重，造成氣化爐運行周期短、工藝指標難以控制，檢修周期長、清理清理費用高。為探究水系統頻繁結垢的原因，本文從相關影響因素進行分析。

1工藝流程簡介

本氣化裝置的水系統工藝流程為：閃蒸后的黑水和撈渣機的渣水進入沉降槽，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水罐。循環水罐內灰水大部分送至增濕塔，經高壓循環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，以改善系統水質。來自界區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，洗滌塔上部水進入激冷水泵，加壓后洗滌粗煤氣成為黑水，經三級閃蒸后，由閃蒸泵送至沉降槽^[3]。洗滌塔底部約占激冷水量15%的含固黑水直接進入中壓閃蒸罐閃蒸。沉降槽是系統水質的關鍵設備，也是結垢最嚴重的設備，因此本文重點分析沉降槽結垢的原因。

2垢片化學分析

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

沉降槽垢片顆粒規整，種類豐富。圖2中曲線（1）代表垢片內層，（2）代表垢片中層，（3）代表垢片外層，參照物為CaCO₃。內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，本裝置水系統結垢主要原因是產生大量的CaCO₃和MgCO₃。

3 結垢原因分析

3.1 煤質

由于本裝置承擔消耗劣質煤的任務，取2019年上半年裝置實際用煤，發現本裝置實際使用煤種干燥基灰分達到22.3%，設計要求灰分不超過16%，根據GB/T15224.1-94規定，本裝置設計煤種為低灰分煤，實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會發生變化^[4]，為探究煤種對水系統影響，對兩種煤種運行下的水質進行分析，如表1所示。

從上表1可以看出，燃燒中等灰分煤，灰水的總溶固、總硬均明顯增加。為進一步探究煤質對沉降槽結垢的影響，對過濾機濾餅中各元素含量進行分析，發現燃燒中等灰分煤種，濾餅中Ca、Mg元素含量分別增加2.4%和0.9%，水中Ca²⁺、Mg²⁺濃度會相應增加，為水系統結垢提供了陽離子。

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到輸送條件。為實現全裝置CO₂廢氣再利用，裝置運行期間將載氣由N₂切換為CO₂。CO₂易溶于水，進入氣化爐后在激冷室內水浴，在高溫高壓環境下生成大量的CO₃^2-，與水中的Ca²⁺、Mg²⁺反應，造成水系統結垢。經查閱資料，氣化爐水系統經閃蒸系統降溫降壓，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載氣為N₂和 CO₂時水質數據如表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，為水系統結垢提供陰離子。

3.3外部水水質

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（或者優質再生水）。汽提凝液PH高達9.0左右，裝置補充汽提凝液后水系統顯弱堿性，為水系統結垢提供了最佳的反應條件^[5]。此外，汽提凝液的硬度為300?mg/L左右，總堿為250?nmol/L左右，為水系統結垢提供了陽離子和陰離子。本裝置引進優質再生水代替部分脫鹽水，優質再生水未經除鹽工序，陽離子含量較高，使用優質再生水會增加水系統的陽離子。為探究汽提凝液和優質再生水對水質的影響，在添加前后，對系統水質取樣分析，數據如表3所示。

從上表3可以看出，使用后各項指標均增加，水質明顯惡化，陰陽離子濃度增加，為結垢提供了有利條件。

3.4工藝條件

為降低生產成本，提高運行穩定性，本裝置水系統做了優化改造：（1）新增渣脫水。為降低灰渣運營成本，將粗渣含水率從38.9%降至18%，脫除水分并入水循環系統，增加8t/h循環水量;（2）開路排放改造。為降低激冷水泵入口管線堵塞的次數，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的灰水管線，其他水量不變，共增加120t/h循環水量;（3）為響應國家“零排放”政策，裝置廢水外排量維持不變，為避免循環水罐溢流，通過關小機泵密封水、降低洗滌塔上部脫鹽水添加量、降低過濾機用水，共減少外補水125t/h。

水系統基本維持平衡，但新鮮水補水大幅降低，系統外排水量維持不變，導致水系統陰、陽離子集聚。在水系統改造前后，對系統水質取樣分析，數據如表4所示。

從上表4可以看出，使用后各項指標均增加，水質明顯惡化，陰陽離子濃度增加，進一步促進了結垢。

4結語

本文對沉降槽垢片進行分析表征，發現沉降槽垢片主要成分是CaCO₃和MgCO₃，并對影響系統水質的影響因素進行分析，得出：

（1）本裝置使用高灰分煤種，導致水系統中Ca²⁺、Mg²⁺含量增加，這為水系統結垢提供了陽離子;（2）煤粉輸送單元載氣運行期間均由N₂切換為CO₂，導致水中溶解大量的CO₂，生成大量的陰離子;（3）本裝置使用汽提凝液和優質再生水作為外補水，加入汽提凝液使得水系統呈現弱堿性，為水系統結垢提供最佳的反應環境;使用汽提凝液和優質再生水為水系統增加了部分陰陽離子;（4）為降低脫鹽水消耗、降低廢水外排，本裝置采用節水措施，導致水中陰陽離子偏高，為某公司氣化裝置水系統結垢提供了客觀條件。

基于以上四個因素的綜合作用下，本裝置水系統結垢嚴重。

參考文獻

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[5] 胡艷華，酈和生.Ca2+濃度和堿度對循環水結垢和腐蝕的影響[J].石化技術，2012（2）：9-11.

收稿日期：2019-07-10

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