固定层造气装置污水涨水的主要问题及解决方案



固定层造气装置污水涨水的主要问题及解决方案

景玉国

(河北凯跃化工集团有限公司河北廊坊065801)

近年来，我国合成氨产业大型粉煤气化所占比例逐年增加，但因固定层造气装置具有投资少、技术成熟等优势，目前仍有众多的合成氨企业继续沿用固定层造气工艺。随着不断进行技术改造和强化管理，很多采用固定层造气工艺的合成氨企业实现了低成本运行，其能耗指标远远低于大型粉煤气化装置，凸显其生命力，因此，短期内我国合成氨产业很难将固定层造气装置全部淘汰。

几十年来，我国固定层造气装置的技术改造一直没有间断，DCS系统指标优化控制、氢氮比自控、余热回收、吹风气回收、污水循环、自动加炭等多项技术改造为固定层造气装置的生存与发展起到了重要的支撑作用。

影响固定层造气装置运行的因素很多，如炉型选择、设备状况、入炉煤质、各项操作指标的控制等。但目前固定层造气装置存在的主要问题是污水涨水，管理较好的企业一般在春、秋、夏季亏水，而在冬季和雨季涨水，而管理较差的企业长期存在污水涨水的问题。

有些企业通过建设大型的污水储存设施，系统涨水时将污水储存，亏水时回用，进而实现污水零排放的目标。存在的问题：大型的污水储存设施占地面积大，污水涨水量较大时，受污水储存空间的限制，难于满足需要；有些企业被迫建设污水处理装置，但因造气污水中的污染物含量很高、成分复杂，污水处理难度很大，装置运行成本很高，同时很难实现正常运行，处理后的污水水质超标，污染环境问题突出；有些企业采取偷排污水的办法，造成了较为严重的环境污染，给固定层造气技术的生存与发展造成了较为严重的负面影响。

固定层造气工艺要彻底实现污水零排放，必须实现污水循环系统常年亏水，尤其是冬季和雨季同样也要实现亏水；污水涨水问题直接制约着采用固定层造气工艺的合成氨企业的转型及产业升级，也制约着固定层造气技术能否走得更远。

1 固定层造气装置污水涨水原因分析

导致固定层造气装置污水涨水的根本原因是蒸汽利用率低，没有参加反应的水蒸气绝大部分通过煤气洗涤塔冷凝为液态水进入污水循环系统，此部分冷凝水的量超过了污水循环系统自身的蒸发及损耗量，必然造成污水循环系统涨水；水夹套严重泄漏及外来其他大量水源进入等管理问题也会造成污水循环系统涨水。

1.1固定层造气工艺理论蒸汽消耗

蒸汽与碳的反应主要在还原层进行，主要有以下消耗蒸汽生产H2的反应：

H2O+C→CO+H2；

2H2O+C→CO2+2H2。

根据半水煤气中H2的含量可以估算出实际参加反应的蒸汽量。以河北凯跃化工集团有限公司联醇生产装置为例，醇氨比55%～60%，吹风气回收比例较少，半水煤气成分：φ(CO)32.5%，φ(CO2)6.0%，φ(H2)47.0%，φ(N2)13.5%。生产1 t醇氨的总氨原料煤气单耗约为2 600 m3(标态)，由此估算出吨醇氨固定层造气工艺参加反应的蒸汽量为982 kg。

1.2蒸汽利用率

蒸汽利用率指参加反应的蒸汽量与进入固定层造气系统的全部蒸汽量的比值，蒸汽分解率低、系统控制的阀门密封存在内漏、控制阀门起落慢、上下空程空间大、设备外漏严重等都会造成蒸汽利用率下降，但蒸汽分解率低是造成蒸汽利用率低的最关键因素，管理较好的装置其蒸汽利用率与蒸汽分解率指标应接近。

目前，实际运行的固定层造气装置蒸汽分解率在40%～70%，相当于实际吨氨造气蒸汽入炉量1 430～2 500 kg，高低相差近1倍。不同企业的装置相差很大，同一企业的装置不同的阶段相差也很大，管理较好的装置蒸汽分解率可以长期稳定在55%～65%，相当于吨氨造气蒸汽消耗1 500～1 800 kg；管理较差的企业蒸汽分解率只有40%～50%，相当于吨氨造气蒸汽消耗约1 900～2 500 kg。一般情况下，固定层造气装置的蒸汽分解率低于40%是很难正常运行的；受化学反应平衡的影响，固定层造气装置的蒸汽分解率很难长期稳定在70%以上。

1.3污水循环系统涨水与蒸汽利用率

目前,我国固定层造气装置污水循环系统全部为开放式的，热水在冷却塔内与空气直接接触换热降温后循环使用，冷却塔排出的热空气为接近饱和的湿空气，所以污水循环系统的蒸发量及损耗量的高低受环境温度与空气湿度的影响很大。较为干燥、气温较高的春、秋、夏季蒸发量及损耗量较大；气温较低的冬季以及空气潮湿的雨季，蒸发量及损耗量很小；高低相差高达几倍以上，特别是温差及干湿差较大的地区尤为突出。

气温在-10 ℃以下的冬季或雨季，蒸汽利用率必须达到60%以上才能实现污水平衡;如果是寒冷的冬季或潮湿的梅雨季节，蒸汽利用率达到60%也无法实现污水平衡；春、秋季节气候干燥，蒸汽利用率一般达到45%～50%即可实现污水平衡。季节的变化、环境温度及空气干湿度的高低是无法控制的，要实现污水不涨水，蒸汽利用率的高低尤为重要。

2 蒸汽利用率低的危害

蒸汽利用率低除导致污水涨水，造成大量的蒸汽浪费外，还会带来一系列的问题，如气化层温度下降、炉况波动、煤耗上升，日常操作中出现跑温、挂壁、局部结块、多个火层等诸多问题。实际上，这些问题大多是由于蒸汽用量大、气化层温度低、蒸汽分解率低所导致。蒸汽分解率低同时还会造成煤气中有效气体成分下降、台时产量下降、吨氨电耗上升，造成煤气温度提高、煤气降温冷却水消耗量增加等，直接影响企业的经济效益。

3 解决方案

3.1减少蒸汽用量、提高气化层温度

提高气化层温度是提高蒸汽分解率、降低煤耗、实现污水亏水的前提和保证。

3.1.1气化层温度

目前的技术还无法通过仪表直接显示固定层造气炉气化层的真实温度，只能通过灰渣形状、颜色以及上、下行煤气温度的变化等来判断有没有气化层和气化层温度的高低。

气化剂(水蒸气和空气)在固定层气化炉内停留时间很短，根据化学反应平衡的原理，气化层温度越高，碳与气化剂的反应速度越快，反应越充分，空气消耗量越少,蒸汽分解率和碳的转化率越高，煤耗越低。但气化层温度超过灰渣的流动温度会使灰渣结疤，无法下渣，也就无法进行正常的制气生产，所以气化层温度应选择在原料煤的变形温度与软化温度之间操作。

因固定层造气工艺制气流程为间歇制气，气化层温度有较大的波动，要求最低温度与最高温度相差越小越好。最高温度是指吹风结束转制气前气化层的温度，最低温度是指制气结束转吹风前气化层的温度。

气化层温度在不超过原料煤灰熔点的前提下越高越好，制气结束转吹风前气化层的温度太低将直接影响吹风效率，造成煤耗上升。

3.1.2提高气化层温度的途径

固定层造气间歇操作工艺决定了吹风放热和制气吸热交替进行，提高气化层温度唯一的途径就是使气化层内蓄积的热量大于带走的热量。

蒸汽与碳反应生成煤气是吸热反应，未反应的蒸汽带走热量等同于吸热，蒸汽入炉量增加只能降低气化层温度，是无法提高气化层温度的，空气中的氧气是提高气化层温度唯一的原料。只有将空气中的氧气与碳反应放出的热量集中在气化层内，才能提高气化层温度。

只有当气化层温度较高时送风，才能获得更高及稳定的气化层温度，才能实现强风短吹、空气利用率高、提温消耗的碳少。

3.1.3维持气化层较高的温度，避免其遭到破坏

维持气化层较高温度唯一的办法是在气化层温度较高时控制入炉蒸汽量，确保制气时碳与蒸汽反应的吸热量不大于空气中氧气与碳反应的放热量。在气化层温度较低时，减少入炉蒸汽的量，确保制气阶段碳与蒸汽反应的吸热量小于吹风阶段氧气与碳反应的放热量，确保有足够的富裕热量蓄积在气化层内，才能维持气化层较高的温度。

没有较高的温度，就没有较高的反应速度，就没有较高的反应转化率，就无法实现降低原料煤耗的目标，无法实现污水循环系统亏水。

3.2强化操作及管理，实现污水回收利用

虽然目前的技术还无法直接显示固定层造气炉的气化层温度，但可准确计量入炉水蒸气的量，根据蒸汽分解率的高低可以间接地、较为准确地判断气化层温度的高低。采用晋城、阳泉煤为原料的固定层造气装置，将蒸汽分解率控制在60%～70%，有利于维持较高的气化层温度、稳定炉况、降低煤耗，同时只有蒸汽利用率维持在60%以上，污水循环系统才有可能实现常年亏水。

基于固定层造气装置存在诸多的不确定因素，包括设备及管理等方面，蒸汽利用率很难长期稳定在60%以上，实现长年亏水理论上是可以实现的，但实际运行中很多企业难以实现，设置污水回收循环利用装置也是必要的。

固定层造气装置蒸汽利用率达到60%，吨氨蒸汽消耗量约为1 650 kg，未反应的吨氨蒸汽量约为650 kg，水夹套及废热锅炉吨氨自产蒸汽量400～600 kg，吨氨外来蒸汽用量高达1 000～1 200 kg，污水回收循环利用具有很大的空间。

固定层造气装置对冷却水质的要求不高，水夹套运行压力和温度较低，对水质的要求也不高，对气化剂水蒸气的品质要求更不高。通过设置污水回收装置，可以利用固定层造气工艺的特点，将自身多余的污水实现资源化循环回收利用，还可以回收利用造气装置以外的污水，取消合成氨企业污水处理装置或者将现有的污水处理装置减量、停运，大幅度降低合成氨一次水消耗，同时提高企业的经济效益。

3.2.1气相法循环回收

将造气洗气塔分2段设置，高温段水温达到70～80 ℃，经真空闪蒸和低压、低温蒸气加压、提温，回收的含有害物质的蒸汽代替外来蒸汽作为固定层造气气化剂使用，通过气相法循环方式实现污水的资源化回收利用。在实现污水回收利用的同时，实现低温余热的回收，大幅度降低污水循环系统的动力消耗。吨氨污水回收量理论上可以达到1 000～1 200 kg，远远超过造气装置自身污水的涨水量。

低压蒸汽压缩可采用螺杆压缩机，技术上目前不存在问题。

3.2.2液相法循环回收

造气水夹套、废热锅炉单独设置供水系统，同样将造气洗气塔分2段设置，高温段水温70～80 ℃，经真空闪蒸，将低压、低温水蒸气冷却为含有害物质的冷凝水代替软水或脱盐水供造气水夹套、废热锅炉以及为造气系统提供水蒸气的其他岗位的换热设备使用，在换热流程设置上考虑余热综合利用，所产水蒸气仅供造气系统自身使用，吨氨污水回收量可以达到400～1 000 kg，即使造气系统蒸汽分解率维持在40%～50%的较低水平，也可以保证污水循环系统常年亏水。

4 结语

固定层造气装置每生产1 t合成氨实际参加气化反应的水蒸气量只有900～1 000 kg，大量没有反应的水蒸气在煤气洗涤降温的过程中被煤气洗涤水冷凝下来，并放出大量的冷凝热进入煤气洗涤污水中，使煤气洗涤的热负荷大幅度增加、循环水量增加、制气能耗及运行成本大幅度提高,同时，又造成热量的大量浪费，还造成了原料煤耗的升高。因此，减少和控制入炉蒸汽量、提高蒸汽利用率是固定层造气工艺操作和管理最关键的指标，只有提高蒸汽利用率才有可能实现污水循环系统常年亏水。利用固定层造气装置的工艺特点，通过设置污水资源化回收利用装置，污水循环系统可以实现常年亏水的目标，大幅度降低合成氨一次水消耗。固定层造气装置只有实现了常年亏水，才能真正实现污水零排放，才能从根本上解决固定层造气工艺目前存在的主要问题，采用固定层造气工艺的合成氨企业才能真正实现转型和升级，才能使固定层造气技术走得更远。

收稿日期(2015- 06- 03)