基于一种干煤粉气化装置水系统结垢原因的探索研究

刘宁源 何红兵 李俊挺 饶天曦

摘  要：某公司气化装置采用干煤粉气化技術，其灰水系统结垢严重。为分析其原因，在沉降槽取垢片样，通过扫描电镜（SEM）表征其微观结构，X射线衍射（XRD）分析其主要物相。根据表征结果，从煤质、煤粉输送系统载气、外部水水质以及工艺条件四个方面展开分析，认为是这四个方面综合作用导致气化装置水系统结垢严重。

关键词：干煤粉气化;水系统;结垢;综合作用

中图分类号：TQ546    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

煤气化技术是重中之重，关系到现代煤化工装置的正常运行^[1]。干粉煤加压气化技术是最先进的煤气化技术之一，与水煤浆气化技术相比，具有煤种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高等优势^[2]。大水系统水质对干煤粉气化装置稳定运行有重要影响。某公司干煤粉气化装置自试车以来，其合成气洗涤及黑水处理系统设备和管道内灰水易结垢，尤其是沉降槽内壁结垢严重，造成气化炉运行周期短、工艺指标难以控制，检修周期长、清理清理费用高。为探究水系统频繁结垢的原因，本文从相关影响因素进行分析。

1工艺流程简介

本气化装置的水系统工艺流程为：闪蒸后的黑水和捞渣机的渣水进入沉降槽，和絮凝剂混合后，大部分固体粒子沉降下来，澄清后的水溢流至循环水罐。循环水罐内灰水大部分送至增湿塔，经高压循环水泵加压后作为合成气洗涤水用水，极少一部分作为废水排出，以改善系统水质。来自界区外的脱盐水和变换高温凝液、酸水气提凝液加入合成气洗涤塔上层和中层塔盘作为洗涤水，洗涤塔上部水进入激冷水泵，加压后洗涤粗煤气成为黑水，经三级闪蒸后，由闪蒸泵送至沉降槽^[3]。洗涤塔底部约占激冷水量15%的含固黑水直接进入中压闪蒸罐闪蒸。沉降槽是系统水质的关键设备，也是结垢最严重的设备，因此本文重点分析沉降槽结垢的原因。

2垢片化学分析

将本装置沉降槽内壁垢片切开之后，有明显的分层，可分为内中外三层，对其进行分析表征：（1）取靠近内壁的垢片，做SEM表征，放大5000倍之后，如图1所示;（2）对三个分层进行XRD分析，结果如图2所示。

沉降槽垢片颗粒规整，种类丰富。图2中曲线（1）代表垢片内层，（2）代表垢片中层，（3）代表垢片外层，参照物为CaCO₃。内层和中层主要成分是CaCO₃，外层除CaCO₃外，还含有MgCO₃和CaSO₄.2H₂O。由此可见，本装置水系统结垢主要原因是产生大量的CaCO₃和MgCO₃。

3 结垢原因分析

3.1 煤质

由于本装置承担消耗劣质煤的任务，取2019年上半年装置实际用煤，发现本装置实际使用煤种干燥基灰分达到22.3%，设计要求灰分不超过16%，根据GB/T15224.1-94规定，本装置设计煤种为低灰分煤，实际用煤为中等灰分煤种。研究表明，气化炉燃烧灰分较高煤种后水质会发生变化^[4]，为探究煤种对水系统影响，对两种煤种运行下的水质进行分析，如表1所示。

从上表1可以看出，燃烧中等灰分煤，灰水的总溶固、总硬均明显增加。为进一步探究煤质对沉降槽结垢的影响，对过滤机滤饼中各元素含量进行分析，发现燃烧中等灰分煤种，滤饼中Ca、Mg元素含量分别增加2.4%和0.9%，水中Ca²⁺、Mg²⁺浓度会相应增加，为水系统结垢提供了阳离子。

3.2煤粉输送载气

不同于德士古气化炉，本装置为保证煤粉达到密相输送的要求，向气化炉通入约占合气10%的输送载气，而德士古气化炉则用水煤浆达到输送条件。为实现全装置CO₂废气再利用，装置运行期间将载气由N₂切换为CO₂。CO₂易溶于水，进入气化炉后在激冷室内水浴，在高温高压环境下生成大量的CO₃^2-，与水中的Ca²⁺、Mg²⁺反应，造成水系统结垢。经查阅资料，气化炉水系统经闪蒸系统降温降压，由4.2MPa、240℃降温降压至0.5 MPa、75℃时，CO₂溶解度由14.5g降低至6.8g左右，闪蒸之后水中仍然溶解大量的CO₂。气化装置煤粉加压输送系统载气为N₂和 CO₂时水质数据如表2所示。总碱由4.2上升到7.9，说明水中CO₃^2-等阴离子浓度增加，为水系统结垢提供阴离子。

3.3外部水水质

本装置目前主要外部水是汽提凝液、变换高温凝液和脱盐水（或者优质再生水）。汽提凝液PH高达9.0左右，装置补充汽提凝液后水系统显弱碱性，为水系统结垢提供了最佳的反应条件^[5]。此外，汽提凝液的硬度为300 mg/L左右，总碱为250 nmol/L左右，为水系统结垢提供了阳离子和阴离子。本装置引进优质再生水代替部分脱盐水，优质再生水未经除盐工序，阳离子含量较高，使用优质再生水会增加水系统的阳离子。为探究汽提凝液和优质再生水对水质的影响，在添加前后，对系统水质取样分析，数据如表3所示。

从上表3可以看出，使用后各项指标均增加，水质明显恶化，阴阳离子浓度增加，为结垢提供了有利条件。

3.4工艺条件

为降低生产成本，提高运行稳定性，本装置水系统做了优化改造：（1）新增渣脱水。为降低灰渣运营成本，将粗渣含水率从38.9%降至18%，脱除水分并入水循环系统，增加8t/h循环水量;（2）开路排放改造。为降低激冷水泵入口管线堵塞的次数，将激冷水泵入口管线由洗涤塔底部上移至中部，底部新增加至闪蒸系统的灰水管线，其他水量不变，共增加120t/h循环水量;（3）为响应国家“零排放”政策，装置废水外排量维持不变，为避免循环水罐溢流，通过关小机泵密封水、降低洗涤塔上部脱盐水添加量、降低过滤机用水，共减少外补水125t/h。

水系统基本维持平衡，但新鲜水补水大幅降低，系统外排水量维持不变，导致水系统阴、阳离子集聚。在水系统改造前后，对系统水质取样分析，数据如表4所示。

从上表4可以看出，使用后各项指标均增加，水质明显恶化，阴阳离子浓度增加，进一步促进了结垢。

4结语

本文对沉降槽垢片进行分析表征，发现沉降槽垢片主要成分是CaCO₃和MgCO₃，并对影响系统水质的影响因素进行分析，得出：

（1）本装置使用高灰分煤种，导致水系统中Ca²⁺、Mg²⁺含量增加，这为水系统结垢提供了阳离子;（2）煤粉输送单元载气运行期间均由N₂切换为CO₂，导致水中溶解大量的CO₂，生成大量的阴离子;（3）本装置使用汽提凝液和优质再生水作为外补水，加入汽提凝液使得水系统呈现弱碱性，为水系统结垢提供最佳的反应环境;使用汽提凝液和优质再生水为水系统增加了部分阴阳离子;（4）为降低脱盐水消耗、降低废水外排，本装置采用节水措施，导致水中阴阳离子偏高，为某公司气化装置水系统结垢提供了客观条件。

基于以上四个因素的综合作用下，本装置水系统结垢严重。

参考文献

[1] 贺百廷.煤气化技术的进展与选择分析[J].煤化工，2013（02）：8-11.

[2] 汪寿建.国内外新型煤化工及煤气化技术发展动态分析[J].化肥设计，2011（01）：1-5.

[3] 王国梁，张镓铄，陈鹏程，等.浅析神宁炉合成气洗涤系统优化过程[J].山东工业技术，2017（01）：39-40.

[4] 米圣伟，杨晓艳，张超，等.多噴嘴水煤浆气化水系统运行问题及处理[J].小氮肥，2015（12）：24-26.

[5] 胡艳华，郦和生.Ca2+浓度和碱度对循环水结垢和腐蚀的影响[J].石化技术，2012（2）：9-11.

收稿日期：2019-07-10

作者简介：刘宁源（1972—），男，河南济源人，本科，工程师，研究方向：煤气化生产管。理。