氣化裝置廢水換熱器運行問題分析與探討

龐忠榮，馬樂波

（1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏銀川 750011；2.寧夏神耀科技有限責任公司，寧夏銀川 750011）

0 引 言

煤氣化作為一種高效的煤炭綜合利用手段，是現(xiàn)代煤化工裝置的龍頭及其能否正常運行的關鍵所在，也是近年來我國能源化工領域的重要研究方向［1］。在眾多的煤氣化技術中，當前以激冷流程為代表的煤氣化技術得到了廣泛應用，各種爐型層出不窮，如GE水煤漿氣化爐、多噴嘴水煤漿氣化爐、多元料漿氣化爐、GSP氣化爐、航天爐、神寧爐、科林爐、東方爐等［2-3］。雖然不同煤氣化技術的激冷流程有所不同，但其水系統(tǒng)均主要包括黑水處理和灰水循環(huán)兩大部分，水系統(tǒng)結垢和堵塞是影響氣化裝置長周期運行的重大問題，而很多氣化裝置廢水換熱器的結垢和堵塞問題尤為嚴重［4］。已發(fā)表的期刊論文中，如孔德升、徐超等［5-6］對多噴嘴水煤漿氣化渣水系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的堵塞和結垢問題進行了分析與探討，并提出了一些處理措施。

寧夏寧東能源化工基地某大型干煤粉氣化裝置采用激冷流程，其廢水換熱器運行過程中易出現(xiàn)結垢和堵塞問題，廢水換熱器平均運行周期約30d，嚴重影響氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行。為此，結合該氣化裝置的實際運行情況，以下從廢水換熱器自身的設計選型、運行工藝控制、灰水水質情況及換熱器垢樣成分等方面進行分析與探討，以期有效改善廢水換熱器的運行狀況。

1 廢水換熱器的設計選型

該大型干煤粉氣化裝置目前有3種不同規(guī)格／型號的廢水換熱器（簡稱A型、B型、C型）。A型廢水換熱器為原始設計的廢水換熱器（8程，換熱面積482m2，運行周期約10d），不能滿足正常生產(chǎn)所需；后技改增設B型廢水換熱器（8程，換熱面積995m2，運行周期約30d）和C型廢水換熱器（2程，換熱面積1096m2，運行周期在50～60d）。

據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，一般從兩個方面判斷廢水換熱器堵塞或結垢與否：一是廢水換熱器的過水量，即通過其入口閥的調節(jié)進行判斷，入口閥開度持續(xù)增大而過水量不變或增加不明顯時，基本上可判斷廢水換熱器已堵塞；二是廢水換熱器的出水溫度，目前根據(jù)下游系統(tǒng)工藝設計要求，廢水換熱器出口廢水溫度不高于40℃，否則基本上可判斷廢水換熱器結垢嚴重，需停運交付清洗。

從實際運行情況來看，B型、C型廢水換熱器較之于A型廢水換熱器增加換熱面積后，換熱器的換熱容量得到增加，換熱器短時間內不存在堵塞限流和出口廢水超溫的情況，相較于A型廢水換熱器運行周期明顯延長；雖然B型、C型廢水換熱器換熱面積相近，但C型廢水換熱器運行周期明顯較長，初步分析認為是C型廢水換熱器采用了2程式設計，降低了廢水在管束內的壓降和來回往返過程，使得其管束內水流速度相對更快，水中雜質沉積堵塞的幾率減少，過水量得以較好地保持，因而其運行周期相對較長。可見，廢水換熱器運行周期的長短在很大程度上取決于設備自身的選型與換熱能力，合理的選型設計是廢水換熱器長周期運行的基本保障。

此外，對于管程換熱器的設計而言，為增大對流傳熱系數(shù)、降低污垢熱阻，一般設計管束內流體流速不小于0.5m／s。而據(jù)該氣化裝置廢水換熱器的設計，在不計任何壓力損失及管道阻力降的情況下，換熱器管束內流體流速為0.33～0.51m／s。實際生產(chǎn)中，一方面在排水量低的情況下?lián)Q熱器管束內流體流速會更低，另一方面氣化黑水中懸浮物及固體顆粒含量較多，此兩方面的原因導致廢水換熱器易結垢和堵塞。

總之，廢水換熱器的設計選型決定了其換熱能力及換熱面積、換熱管束內流體的流速，設備選型偏小是造成廢水換熱器運行周期短（易結垢和堵塞）的根本原因。

2 運行工藝控制

現(xiàn)場拆開廢水換熱器，對其內部檢查后發(fā)現(xiàn)換熱管束及封頭處沉積有一些顆粒狀黑色粗渣。分析認為，粗渣被帶入廢水換熱器的途徑有兩個：一是撈渣機里的粗渣通過渣水泵輸送進入沉降槽，而后粗渣跟隨系統(tǒng)水進入循環(huán)水罐和廢水換熱器；二是粗渣進入激冷室與閃蒸系統(tǒng)連接的黑水管線，繼而進入閃蒸系統(tǒng)后也逐步進入沉降槽及循環(huán)水罐和廢水換熱器。上述兩個途徑應該都與系統(tǒng)工況波動有關。因此，探究系統(tǒng)工況波動的原因有利于防止氣化粗渣被帶入水系統(tǒng)。

結合現(xiàn)場實際運行情況，分析認為，造成粗渣進入水系統(tǒng)的工況波動有以下兩個方面：①撈渣機渣池容量小，在氣化爐高負荷運行或粗合成氣含灰量大時，大量粗渣在瞬間排入渣池的過程中，少量粗渣也被帶入渣水池，而后隨渣水進入黑水系統(tǒng)；②激冷室液位過高，或液位計堵塞故障導致激冷室液位控制不穩(wěn)時，進入激冷室內的粗渣在氣流擾動下進入黑水管線，甚至跟隨氣流進入洗滌塔，隨后全部進入閃蒸系統(tǒng)、沉降槽和循環(huán)水罐，最后跟隨循環(huán)灰水進入廢水換熱器。由此，造成氣化灰水水質變差，最終廢水換熱器因結垢和堵塞而運行周期縮短。

3 灰水水質情況

3.1 灰水水質指標的對比與分析

目前，該大型干煤粉氣化裝置共有6個氣化區(qū)域使用B型廢水換熱器，各區(qū)域廢水換熱器的在線運行周期較接近，無明顯差異。除對設備自身設計選型和運行工藝控制方面進行分析外，技術人員還收集了其他氣化裝置的灰水水質情況，其對比情況見表1。可以看出：該氣化裝置灰水的硬度、總溶固和懸浮物含量相對較高，但pH、堿度相對較低；該氣化裝置在氣化爐原料煤灰分相對較高的情況下，單臺氣化爐外排廢水量較比對裝置低，表明系統(tǒng)內水循環(huán)量高，灰量積累也會相對較多，灰水水質較差。這在理論上也解釋了該氣化裝置灰水中總溶固、硬度和懸浮物含量相對較高的原因，同時也是廢水換熱器容易積灰堵塞和結垢的起因或重要原因。

表1 不同氣化裝置氣化灰水水質等的對比

3.2 系統(tǒng)補水水質情況

目前該氣化裝置洗滌塔主要外來補水為汽提凝液、變換高溫凝液、脫鹽水和再生水，外來補水水質復雜。汽提凝液和變換高溫凝液的pH最高可達9.0，而該氣化裝置灰水的硬度和堿度較高，這就為灰水系統(tǒng)結垢提供了條件［7］；此外，該氣化裝置原始設計系統(tǒng)補水有再生水和脫鹽水，后為節(jié)約脫鹽水，將部分脫鹽水用再生水代替，而再生水未經(jīng)除鹽處理，加入后會增加氣化水系統(tǒng)的陰、陽離子，增大系統(tǒng)的結垢趨勢［8］。

技術人員對外補再生水、脫鹽水和系統(tǒng)灰水進行取樣分析，分析結果表明：系統(tǒng)洗滌塔補水所用脫鹽水和再生水的pH偏高，大致上均在7.6～8.7之間（控制指標為pH＜7.2）；再生水、脫鹽水、系統(tǒng)灰水的pH變化趨勢基本一致，間接表明系統(tǒng)外來水水質對灰水水質的影響，也就影響著廢水換熱器的結垢情況。

4 廢水換熱器垢樣成分分析

對廢水換熱器結垢物進行取樣，垢樣研磨成粉后于105℃下烘干至恒重，干燥后的樣品置于900℃的高溫爐中灼燒1h，冷卻后的灼燒產(chǎn)物利用X射線熒光光譜儀（XRF）進行成分分析（檢出元素含量以其氧化物的形式表示），垢樣成分分析結果為MgO 1.89%、Al2O31.39%、SiO213.91%、P2O51.08%、SO37.53%、CaO 25.58%、Fe2O37.41%；垢樣中高溫失重部分較多，高溫失重率達39.64% （主要為殘?zhí)俊⑻妓猁}的分解失重及少量有機物的分解），其他主要是CaO、SiO2等物質。由此分析認為，廢水換熱器堵塞主要是由于循環(huán)灰水pH、總溶固、硬度偏高使灰沉積以及部分有機物存在所致（有明顯酸臭味），其中灰沉積主要以CaCO3和SiO2的沉積為主。

Ca（HCO3）2僅存在于溶液中，其固體極不穩(wěn)定，在0℃時即可分解為CaCO3，鈣垢的形成和結垢機理可能為，灰水中的Ca（HCO3）2在廢水換熱器處因溫度變化而分解為CaCO3，CaCO3析出并附著在換熱器管束上［9］。硅垢的形成和結垢機理，DubinL等［10］認為有三種情況：一是硅酸縮合形成膠體無定型SiO2，產(chǎn)生沉淀；二是SiO2膠體破壞后發(fā)生凝聚并形成硅垢；三是硅酸或硅膠與Al3＋、Fe3＋、Mg2＋、Ca2＋反應產(chǎn)生沉淀。據(jù)廢水換熱器垢樣成分分析結果，判斷硅垢的形成和結垢機理更傾向于第三種，即化學反應結垢，而且是多種鹽形成的復合垢。

據(jù)上述垢樣成分分析及其形成機理可以得出，從預防的角度出發(fā)，需要針對性地在氣化水系統(tǒng)中加入對碳酸鈣和硅酸鹽阻垢性強的阻垢劑，以減輕廢水換熱器的結垢傾向、減緩廢水換熱器的結垢速度，延長廢水換熱器的運行周期。

5 優(yōu)化改進建議

綜上所述，廢水換熱器的穩(wěn)定運行與其結構形式（選型）、工藝運行控制及灰水水質條件等諸多因素有關，不同氣化裝置需根據(jù)自身的設備及工藝情況進行具體的分析并采取相應的措施，一般而言可從以下幾個方面予以優(yōu)化改進。

（1）設計階段適當放大廢水換熱器的換熱面積，同時考慮閃蒸系統(tǒng)及沉降槽水溫的波動，適當提高廢水換熱器入口溫度——不低于80℃，以提高廢水換熱器應對工況波動的能力。

（2）穩(wěn)定工藝操作，避免氣化爐激冷室液位大幅波動引起的氣化粗渣外帶進入閃蒸系統(tǒng)、沉降槽、循環(huán)水罐及廢水換熱器。

（3）可定期采用沖擊式反沖洗的方式進行廢水換熱器內部堵塞物的疏松和清理，反洗過程采用大流量、大流速（＞1m／s）的方式，并觀察反洗的出水情況，以此減緩管束內部的堵塞。

（4）選擇適宜的水處理絮凝劑，提高沉降槽的絮凝效果，降低灰水中懸浮物的含量，但也不能為追求低懸浮物含量而在黑水中添加過量的絮凝劑（會增加生產(chǎn)成本），一般絮凝劑添加濃度最高不超過3×10－6，以避免過量的絮凝劑在循環(huán)水罐或廢水換熱器中二次絮凝而造成設備和管道內雜質的沉積堵塞。

（5）針對不同氣化裝置廢水換熱器的結垢特性，可以在廢水換熱器入口管道中加入阻垢劑或分散劑，以緩解廢水換熱器的結垢和堵塞，阻垢劑或分散劑的加入濃度一般宜在（5～15） ×10－6，過量加入會增加生產(chǎn)成本且易導致后系統(tǒng)藥劑殘留過多而影響其運行。

（6）可考慮采用化學軟化、離子交換、電滲析或膜分離等方法從根本上改善氣化灰水水質，降低灰水中結垢性離子含量，從而緩解系統(tǒng)的結垢趨勢；同時從運行成本角度考慮，建議只對全系統(tǒng)1／3～1／2的水量進行處理，處理后的灰水硬度控制在500mg／L以下。