五環爐煤氣化裝置黑水處理系統改進與優化研究

杜孟洪

(河南龍宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(簡稱河南龍宇)二期項目為40萬t/a醋酸裝置，采用新型五環爐干煤粉加壓氣化爐(2臺)提供原料氣。新型五環爐煤氣化工藝是五環科技股份有限公司與河南能源化工集團有限公司合作開發的具有國內自主知識產權的新型氣化工藝[1]。該工藝主要包括：磨煤及干燥系統、煤加壓及進料系統、煤氣化系統、除渣系統、濕洗系統、黑水處理系統，以及公用工程系統。其中，黑水處理系統包含閃蒸系統和初步水處理系統[2]。筆者主要對黑水處理系統在運行中的問題進行分析研究。

1 黑水處理系統工藝流程

黑水處理系統中的閃蒸系統閃蒸出氣化來黑水中的氣體成分，經過0.6 MPa中壓閃蒸、0.15 MPa低壓閃蒸和-0.05 MPa真空閃蒸處理后的黑水送至初步水處理系統的沉降槽，通過加藥裝置向沉降槽中加入絮凝劑使黑水中的細灰沉降至底部。沉降槽底部的物料經泵送入臥螺離心機進行分離，分離出來的泥送至磚廠作為原料，分離后的濾液和沉降槽上部清液一起送回氣化裝置內部循環使用。初步水處理系統需要連續外排少量污水來控制整個內部循環使用水的總鹽含量。

2 閃蒸系統運行問題及解決方法

2.1 管線、閥門、閃蒸緩沖裝置的振動問題

2.1.1 振動現象

進入三級閃蒸單元的高溫高壓黑水有三股，一股從激冷罐底錐去0.6 MPa中壓閃蒸罐，此股流量起到強制流動，防止激冷罐底部積灰的作用，體積流量約為100 m3/h，約占激冷罐黑水總量的1/3；一股從激冷罐中下部流出，去0.6 MPa中壓閃蒸罐，體積流量約為150 m3/h，約占激冷罐黑水總量的2/3；一股從洗滌塔底部流出，去0.6 MPa中壓閃蒸罐，此股黑水固含量相對于前兩股較低。正常生產時三股管線振動較大，尤其是從激冷罐底錐去0.6 MPa中壓閃蒸罐的一股黑水，經常出現管線振動移位和緩沖罐振動泄漏。嚴重時黑水角閥和閃蒸緩沖罐沖擊傳給下方的鋼結構，鋼結構的振動造成閃蒸框架振動，給安全生產帶來很大的隱患。

2.1.2 原因分析

(1)從激冷罐和洗滌塔來的三股高溫高壓黑水分別經各自的黑水角閥減壓后進入中壓閃蒸罐，這個過程中黑水角閥背壓較大，壓力需要從黑水角閥前的3.7 MPa減壓至0.6 MPa。

(2)黑水角閥下方連接閃蒸緩沖裝置，閃蒸后的黑水在閃蒸緩沖裝置內部分為三相，從黑水角閥出來的氣、液、固三相的散射角根據黑水角閥開度不同而變化，散射沖擊的距離也不相同。黑水角閥開度大，則散射角大，三相沖擊距離短，反之則沖擊距離長。氣相和固相對閃蒸緩沖裝置的影響較大，氣相中閃蒸氣中含有的HCl、NH3等有害氣體對金屬腐蝕嚴重;固相主要是飛灰顆粒，對設備內壁沖刷嚴重。同時,由于氣流在閃蒸緩沖裝置內不停地擾動，氣液兩相急劇變化沖擊引起閃蒸緩沖裝置的劇烈振動甚至產生共振，會引起黑水角閥本體的振動，繼而導致整條管線振動。

(3)激冷罐底錐的一股黑水，其體積流量不能低于100 m3/h,否則很容易堵塞管道，但是由于流量大也加劇了振動。

(4)閃蒸緩沖裝置距離樓板層的距離有1.8 m,距離中壓閃蒸罐的距離有2 m，在閃蒸緩沖裝置下方用鋼結構作支撐，用內襯陶瓷的短節與中壓閃蒸罐連接。從激冷罐底錐到中壓閃蒸罐的距離橫跨了兩個框架，中間距離約90 m，管道上的固定支架和滑動支架均為剛性連接，閃蒸出來的氣流引起的振動、支架和支撐設計的不合理導致了黑水角閥、閃蒸緩沖裝置，以及整條管線在體積流量約為70 m3/h時振動較大。

2.1.3 解決方法

(1)在管道上增加固定支撐和滑動支撐，并在固定支撐與管道之間增加墊木。

(2)閃蒸緩沖裝置安裝阻尼器。阻尼器的零部件采用不銹鋼材料，防腐性能好；結構緊湊，且呈對稱結構，安裝空間小，受力更加合理；阻尼力大，且動態響應時間短；摩擦阻力小，一般低于額定荷載的1%～2%，采用特殊的液壓油和密封介質，性能穩定，密封壽命長；可在93 ℃溫度下連續工作。整個閃蒸系統6臺閃蒸緩沖罐對應加裝阻尼器前后的振動情況見表1。增加阻尼器后的DN900閃蒸緩沖罐和DN500閃蒸緩沖罐的情況見圖1和圖2。

圖1 增加阻尼器后的DN900閃蒸緩沖罐

圖2 增加阻尼器后的DN500閃蒸緩沖罐

表1 緩沖罐增加阻尼器前后的振動情況

通過以上改造，洗滌塔底部黑水管線和激冷罐底錐的黑水管線體積流量均能夠達到150 m3/h，現場振動較小，激冷罐液位進水和出水達到平衡，滿足氣化爐100%的負荷運行的需要。

2.2 黑水冷卻的堵塞問題

2.2.1 真空閃蒸黑水冷卻器運行中出現的問題

閃蒸系統中有2臺真空閃蒸黑水冷卻器，2臺冷卻器串聯運行，在閃蒸系統運行一段時間后會出現管束堵塞,導致換熱效果差。冷卻器累計運行3個月后管束被腐蝕引起泄漏，黑水進入循環水系統。

2.2.2 原因分析

真空閃蒸黑水冷卻器管程的介質是經過中壓、低壓和真空三級閃蒸濃縮后的黑水，含固質量分數約為1.65%，并夾帶片狀的灰塊。冷卻器的管束為U形管，管束直徑為25 mm，壁厚為3 mm，長度約為6 315 mm，換熱面積為195 m2,片狀灰塊很容易堵塞管束管口，小灰塊容易堵塞管束內部，造成真空閃蒸黑水泵不打量，往初步水處理系統的排放水減少，使得上游的來水受限制，直接影響了系統的負荷提升。該冷卻器管束為碳鋼材質，閃蒸系統中的黑水含有酸性氣體，容易腐蝕管束造成泄漏。

2.2.3 解決方法

(1)將真空閃蒸黑水冷卻器的U形管式換熱器改為直管換熱器。

(2)管束管板材質改為雙相鋼。

改造后減少了黑水在冷卻器內部的流動阻力，增加耐磨損能力，降低了堵塞的概率，同時在停車后清理時，更方便清理冷卻器的管束。

3 初步水處理系統中的黑水分離問題

五環爐煤氣化采用干煤粉氣化技術，氣化爐飛灰量大，灰分顆粒直徑小。濕法除灰形成的黑水中灰分含量是其他類型氣化裝置的數倍甚至數十倍。由于灰漿中所含灰的粒度較細，為了取得較好的絮凝效果，應加入適量的絮凝劑。隨著絮凝劑的加入，灰漿的黏性增大，為了更好地分離灰漿，選用合適的分離設備十分重要。

經過分離設備的試驗對比后[4]，初步水處理系統的分離設備采用臥式螺旋卸料離心機(簡稱臥螺離心機)。

3.1 臥螺離心機的工作原理

臥螺離心機的主要組成部件有高速旋轉的轉鼓、與轉鼓同向但轉速稍低的螺旋、差速器、主電機、輔助電機等。臥螺離心機的工作流程見圖3。高速旋轉的轉鼓產生強大的離心力,將進入的物料進行固液分離，物料中的固體顆粒由于離心力的作用集聚在轉鼓內壁上形成固環層，物料中的水分受到的離心力小,在固環層內側形成液環層。因螺旋和轉鼓的轉速存在差異，使兩者產生轉速差，最終將物料中的固體與水分進行分離，固體物料在轉鼓小端出料口處排出，水從轉鼓的溢流口排出。

圖3 臥螺離心機工作流程示意圖

3.2 臥螺離心機的黑水分離效果

單套黑水處理系統配置4臺臥螺離心機，2開2備。單臺臥螺離心機處理體積流量為15～20 m3/h，黑水含固質量分數為4%～5%，分離后濾餅含水質量分數小于40%，已使用4 a，分離效果比較理想。

4 結語

通過對黑水處理系統遇到的問題進行分析研究，并采用了可行的解決辦法。五環爐煤氣化裝置黑水系統的黑水管線和緩沖罐振動問題的解決，保證了黑水處理系統的安全穩定運行。解決了真空閃蒸黑水冷卻器的堵塞和腐蝕問題，為黑水系統長周期運行奠定了基礎。臥螺離心機在五環爐煤氣化裝置黑水處理系統的應用效果比較理想，對其他煤化工裝置黑水和民用污水的處理都有較大的參考意義。