煤化工灰渣水含固管线的问题与措施

陈作强，王宗立，李相军，贺永金

(1.航天长征化学工程股份有限公司，北京 101111;2.濮阳龙宇化工有限责任公司，河南濮阳 457000)

0 引言

由于石油资源的日益短缺，我国的资源开发和储备与经济发展的矛盾日益突出，同时我国煤炭资源相对丰富，总资源量为5 569.7 Gt，可直接经济利用储量为184.2 Gt煤，炭资源消费约占总能源消费的75%。在未来的20～30年内，中国仍然将保持以煤炭为主的能源结构。目前，很多煤化工企业气化路线选择粉煤气化流程或水煤浆进料流程。如GE的Texaco水煤浆技术，荷兰壳牌Shell粉煤气化技术，德国GSP粉煤气化技术，国内如多喷嘴对置式水煤浆，新型四喷嘴干煤粉加压气化，多元料浆技术和HT－L技术。在现有已开车工程项目中，气化岛中灰渣水处理单元的管线、阀门，经常由于颗粒固体的淤积而堵塞管道，造成气化岛的工艺波动甚至造成不必要的停车。本文就煤气化中影响灰渣水处理单元操作的因素进行论述。

1 灰渣水系统简介

1.1 灰渣水单元设置的目的

灰水处理单元的作用就是回收废热、脱除溶解气体、分离灰渣、使干净灰水循环使用，灰渣及细灰作为废料排出单元。

1.2 灰渣水单元流程

以濮阳龙宇化工的气化炉为例，由气化炉激冷室、碳洗塔底部排出的高温黑水经逐级减压闪蒸，温度降至40～80℃后送入沉降槽内，悬浮细渣在絮凝剂的作用下沉降分离，从底部抽出送往压滤机压滤。沉降后的清液即灰水，大部分加压后返回气化系统循环使用，小部分为了调节循环灰水中的含盐量和其他离子的浓度作为废水送出界外。气化炉捞渣机分离出的黑水直接送往真空闪蒸罐闪蒸或送往沉降槽沉降分离。灰水闪蒸系统一般采用高压闪蒸配真空闪蒸流程，由于气化压力等级和闪蒸汽用途的各不相同，闪蒸压力和流程设置视情况也有差异，在用的有一、二、三、四级闪蒸流程之分。从渣池捞出的粗渣及压滤机排出的细渣由专车送出界外。

2 灰渣水系统操作中存在问题及原因分析

2.1 存在问题

①管道、阀门的堵塞。在系统运行过程中，黑水中悬浮的大量煤灰及未反应的炭积聚在管壁，达到一定的厚度后，受流体的冲击以及开停炉时黑水温度急剧变化的冲击而脱落，造成对管线以及减压阀的阻塞。同样真空闪蒸罐顶部冷凝器壳程容易堵塞，这样会造成真空闪蒸系统阻力降增大，迫使真空闪蒸罐在超压状态下运行。另外运行过程中，由于黑水的硬度较高，造成系统管道结垢严重，长期运行就会造成管道阻力增加，严重时垢片脱落导致管道、阀门堵塞。

②管道的磨损腐蚀。经多次重复利用的灰水成分十分复杂，水质不断恶化，氯离子含量逐渐升高，从而导致相应管线的材料腐蚀。

2.2 管道、阀门的堵塞现象及原因

从气化炉、洗涤塔底部直接排出的黑水含有大量的煤焦和细渣，细渣成分一般为 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等。灰分是煤完全燃烧后剩下的残渣，这些残渣几乎全部来自于煤中的矿物质。

在安徽临泉和河南濮阳两个HT－L气化项目中，通过对气化渣水单元进行时间纵向和两个项目之间横向的初步比较，总结出引起灰渣水系统固体含量高的原因有以下几点:①原料煤的灰分大，产生的固体总量多。②炉温控制不合理，碳反应不完全，导致残碳高，增加了固体含量。③原料煤活性差，导致残碳高。④粉煤粒度不均匀，粒度相差太大，或矸石多含粉大。⑤絮凝剂的选择或添加不合理，絮凝效果不好，导致灰水的固体含量较高。⑥煤焦的黏结特性差，形成的固体颗粒粒径小，导致带入灰水系统的细灰增加。

2.3 管道的磨损腐蚀现象及原因

在实际生产中会遇到黑水含固量比较高(约30%左右)，整个系统介质对管道及设备的磨损比较严重，同时堵塞也是黑水/灰水处理系统比较显著的特点，这些问题都影响了整个气化装置的顺利运行。相关文献调研及企业反馈，黑水/灰水处理系统对管道的磨蚀现象较为突出。如某厂经过真空闪蒸后黑水介质中部分成分含量及pH值、碱度等数据见表1。

表1 黑水分析数据表

2.3.1 管道磨损原因分析

黑水中固体悬浮物和浊度较高，并为多相流，主要为液固两相流。多相流中材料的损伤形式主要包括电化学腐蚀和磨损腐蚀。

①电化学腐蚀。为了避免煤灰等在管道、设备内沉积发生堵塞，在通常情况下，若黑水呈弱酸性，可能造成电化学腐蚀的是黑水中的H2S腐蚀、CO2腐蚀、HCl腐蚀和HCOOH腐蚀等，这些作用再加上磨损作用，对阀门的损伤是非常严重的。②磨损腐蚀。黑水流动过程中，由于压力的突变，在湍流场合，引起的磨损和冲刷现象十分突出。黑水管道的多相流损毁涉及材料学、电化学和流体力学的多学科交叉，是典型的多因素耦合作用下的材料损伤形式。在压力、流速没有变化或者变化比较平缓时，主要表现为电化学腐蚀;在调节阀及调节阀后管道、弯头、阀门部位，主要表现为冲蚀、气蚀等磨损腐蚀。

2.3.2 管道磨损部位分析

①冲蚀磨损。仍以上某厂真闪进口为例，黑水经调节阀减压后，静压能转变为动能，流速急剧增加，流动状态呈湍流，边界层或钝化膜无法形成或很快被夹带着SiO2颗粒的高速流体给击穿。尤其在调节阀节流口，介质高速流动，具有强大动能，它可以很快将阀芯、阀座冲出流线型的细槽。调节阀后球阀的阀芯、阀体及阀后管道也会遭受严重的冲刷磨损，而把新鲜的材料表面暴露在腐蚀性流体中进一步承受腐蚀和冲蚀。当流体流经管道转弯处时，由于弯曲管壁的导流作用，弯头处流线成曲线运行，并产生离心力，使流体在弯曲管道内的内外侧流速发生变化，类似河弯处的水流，使黑水向外侧集中，导致弯头出口外侧流速大，内侧流速小，冲刷腐蚀在调节阀后弯头出口外侧非常激烈，这就是真空闪蒸罐黑水进口管线调节阀后弯头多次出现穿孔的原因。②气蚀磨损。黑水与金属构件作高速相对运动时，由于内部压力不断地起伏、突变，使得黑水中的蒸汽以及溶于黑水中的气体在金属表面反复出现气泡形成及溃灭过程，气泡在溃灭时产生的冲击波对金属表面产生强烈的锤击作用，破坏钝化膜和膜下金属，使得在用的阀芯、阀座表面的材料被冲击成蜂窝状的小孔。

3 管道堵塞及磨蚀的解决措施

3.1 优化布置设计，减少固体颗粒堆积，降低磨损

3.1.1 设备布置设计的优化

由于气化排向渣水高闪的黑水含固量较大，因此考虑设备布置时，在满足相关规范(如防火规范)的前提下，应考虑此黑水管线的走向和长度。

3.1.2 工艺及管道布置设计的优化

3.1.2.1 流速的选择

管道中含固黑水流速越大，则黑水中的固体颗粒对管件的内壁冲蚀越严重，管道中的黑水流速过小，固体颗粒又容易沉积在管壁上，形成结垢层而使得管径变得越来越小。因此，选择合适的管道流速是十分必要的。一般可考虑在流速范围内选取低流速，这样可以保证管道及管件的长期安全。

3.1.2.2 管道布置原则

在满足工艺要求的前提下，尽可能减少管道的变向、变径、接头、分流、合流布置，在需要改变或调节处设置管件和阀门，管道的汇合或分流处应顺着流向连接，管道的支吊架应布置合理。尽量遵循“步步高”或“步步低”的原则，减少拐弯及“口袋”，减少管道堵塞的几率。尽可能采用弧度/管径大的弯头，避免入射角45°和90°两种最剧烈的冲蚀磨损。或使用三通作为管路改变的管件。黑水管道在管道布置时要充分考虑阻塞的问题，支管阀门距主管的管道要尽量短，避免采用弯头，尽量采用三通加盲板，便于清理。比如对于气化炉黑水和碳洗塔黑水同时进高闪需分别设置管线，这是由于气化炉与碳洗塔之间存在压差，如果同时通过一根主管通过减压阀进入高闪，则由于压差的原因，使得两个系统之间的物料相互影响而加剧管道的腐蚀，甚至于引起系统工艺参数的波动。而对于黑水/灰水系统，重要关键的阀门，设备均应考虑备用状况(如减压角阀、闪蒸换热器等)。这样做是为了避免检修、更换磨损管道和阀门时不必要的停车。如真空闪蒸罐顶部冷凝器容易堵塞，在设计时，应充分考虑管束抽出清理的空间和场地以及吊装设备，换热器避免选用U形管式，否则容易堵塞，清理难度大，选用的换热器应该能保证管程和壳程都容易清洗。可以选用浮头式的，也可以让闪蒸汽走管程，便于清洗。

3.1.2.3 管道冲洗水点的设置

冲洗水点需设置在容易堵塞管道的黑水管线上。如激冷水管线、过滤器、文丘里流量计、沉降槽底流泵等。这几处在每次开停车时需重点照顾。

3.1.2.4 材质选用

针对减压阀后管道、阀门磨蚀、穿孔问题，应该将易磨损部位的管道全部采用厚壁管或者加焊耐磨材质的形式。

3.2 减少固体颗粒堆积，降低管道磨损

①煤种的选择:在考虑经济性的前提下，应尽量选择低灰分、低水分、低硫值、高热值的煤种。我国大多数煤中矿物质含量较高，全国原煤平均灰分大多在20%以上，对煤的合理利用和环境保护有极其不利的影响。若不考虑气化炉的操作状况，通常煤的灰分大，则后续渣水处理的负荷能力就要求高，黑水管线中的固渣含量就高。尤其是气化炉和洗涤塔分别去高闪的两股黑水管线，它们是系统中的易堵点。因此，在选择原料煤时，应经济合理考虑煤种的灰分。另外，考虑到工艺操作的稳定，煤种应尽可能保持一定。

②提高气化炉内炭的转化率，使其渣中残炭含量尽可能的低。一般情况下，灰渣残炭量和水碳比是气化炉产气效率的依据。降低灰渣中的残炭是减少黑水管线含固量和提高碳转化率的有效方法。

③生产负荷的调整:在调整生产负荷时，应尽量缓慢调节。尽可能减少由于压力变化极剧而造成黑水对设备和管线冲蚀磨损。

④严格控制出真空闪蒸罐的黑水温度不能过高，温度过高，不利于黑水固体颗粒的沉降，造成沉降效果差，从而使水系统在循环时夹带大量的固体颗粒，引起设备、管道的结垢堵塞。

⑤控制黑水管线一定的流速，防止黑水中悬浮物积聚与沉积，并在每次停车后对黑水管线采用冲洗水进行冲洗干净，保证黑水管线的畅通，并在容易堵塞的管道附近都增加了冲洗水管线，并接上快速接头，便于日后冲洗。

⑥生产过程中，需随时对废水分析保持关注，并依据报告，适当调节絮凝剂和分散剂的加入量及其废水的外排和水的补充量。并根据煤种掺烧和石灰石的加入情况，对絮凝剂进行相应的选择实验。

⑦开停车时，应着重对黑水管线及其相应设备易堵处冲洗处理。另外，控制室操作人员尽量将黑水闪蒸管道上的自调阀维持在较大开度，防止因开度过小造成阀前堵塞及阀体局部因流速过大而磨损，对于一开一备的减压阔阀组要经常切换，防止因垢片沉积而堵塞阀门及管道。

4 结论

自从2009年至今，在濮阳和临泉两个气化装置运行中对灰渣水处理单元中影响管道堵塞、磨损等问题进行相关设计和操作改进后，有效的减少了管线的堵塞和磨蚀，避免了不必要的停车，保证了项目装置长周期的高负荷运行，为企业赢得利润空间打下了良好的基础。