气化装置废水换热器运行问题分析与探讨

庞忠荣，马乐波

（1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川 750011；2.宁夏神耀科技有限责任公司，宁夏银川 750011）

0 引 言

煤气化作为一种高效的煤炭综合利用手段，是现代煤化工装置的龙头及其能否正常运行的关键所在，也是近年来我国能源化工领域的重要研究方向［1］。在众多的煤气化技术中，当前以激冷流程为代表的煤气化技术得到了广泛应用，各种炉型层出不穷，如GE水煤浆气化炉、多喷嘴水煤浆气化炉、多元料浆气化炉、GSP气化炉、航天炉、神宁炉、科林炉、东方炉等［2-3］。虽然不同煤气化技术的激冷流程有所不同，但其水系统均主要包括黑水处理和灰水循环两大部分，水系统结垢和堵塞是影响气化装置长周期运行的重大问题，而很多气化装置废水换热器的结垢和堵塞问题尤为严重［4］。已发表的期刊论文中，如孔德升、徐超等［5-6］对多喷嘴水煤浆气化渣水系统运行过程中出现的堵塞和结垢问题进行了分析与探讨，并提出了一些处理措施。

宁夏宁东能源化工基地某大型干煤粉气化装置采用激冷流程，其废水换热器运行过程中易出现结垢和堵塞问题，废水换热器平均运行周期约30d，严重影响气化装置的长周期稳定运行。为此，结合该气化装置的实际运行情况，以下从废水换热器自身的设计选型、运行工艺控制、灰水水质情况及换热器垢样成分等方面进行分析与探讨，以期有效改善废水换热器的运行状况。

1 废水换热器的设计选型

该大型干煤粉气化装置目前有3种不同规格／型号的废水换热器（简称A型、B型、C型）。A型废水换热器为原始设计的废水换热器（8程，换热面积482m2，运行周期约10d），不能满足正常生产所需；后技改增设B型废水换热器（8程，换热面积995m2，运行周期约30d）和C型废水换热器（2程，换热面积1096m2，运行周期在50～60d）。

据实际生产经验，一般从两个方面判断废水换热器堵塞或结垢与否：一是废水换热器的过水量，即通过其入口阀的调节进行判断，入口阀开度持续增大而过水量不变或增加不明显时，基本上可判断废水换热器已堵塞；二是废水换热器的出水温度，目前根据下游系统工艺设计要求，废水换热器出口废水温度不高于40℃，否则基本上可判断废水换热器结垢严重，需停运交付清洗。

从实际运行情况来看，B型、C型废水换热器较之于A型废水换热器增加换热面积后，换热器的换热容量得到增加，换热器短时间内不存在堵塞限流和出口废水超温的情况，相较于A型废水换热器运行周期明显延长；虽然B型、C型废水换热器换热面积相近，但C型废水换热器运行周期明显较长，初步分析认为是C型废水换热器采用了2程式设计，降低了废水在管束内的压降和来回往返过程，使得其管束内水流速度相对更快，水中杂质沉积堵塞的几率减少，过水量得以较好地保持，因而其运行周期相对较长。可见，废水换热器运行周期的长短在很大程度上取决于设备自身的选型与换热能力，合理的选型设计是废水换热器长周期运行的基本保障。

此外，对于管程换热器的设计而言，为增大对流传热系数、降低污垢热阻，一般设计管束内流体流速不小于0.5m／s。而据该气化装置废水换热器的设计，在不计任何压力损失及管道阻力降的情况下，换热器管束内流体流速为0.33～0.51m／s。实际生产中，一方面在排水量低的情况下换热器管束内流体流速会更低，另一方面气化黑水中悬浮物及固体颗粒含量较多，此两方面的原因导致废水换热器易结垢和堵塞。

总之，废水换热器的设计选型决定了其换热能力及换热面积、换热管束内流体的流速，设备选型偏小是造成废水换热器运行周期短（易结垢和堵塞）的根本原因。

2 运行工艺控制

现场拆开废水换热器，对其内部检查后发现换热管束及封头处沉积有一些颗粒状黑色粗渣。分析认为，粗渣被带入废水换热器的途径有两个：一是捞渣机里的粗渣通过渣水泵输送进入沉降槽，而后粗渣跟随系统水进入循环水罐和废水换热器；二是粗渣进入激冷室与闪蒸系统连接的黑水管线，继而进入闪蒸系统后也逐步进入沉降槽及循环水罐和废水换热器。上述两个途径应该都与系统工况波动有关。因此，探究系统工况波动的原因有利于防止气化粗渣被带入水系统。

结合现场实际运行情况，分析认为，造成粗渣进入水系统的工况波动有以下两个方面：①捞渣机渣池容量小，在气化炉高负荷运行或粗合成气含灰量大时，大量粗渣在瞬间排入渣池的过程中，少量粗渣也被带入渣水池，而后随渣水进入黑水系统；②激冷室液位过高，或液位计堵塞故障导致激冷室液位控制不稳时，进入激冷室内的粗渣在气流扰动下进入黑水管线，甚至跟随气流进入洗涤塔，随后全部进入闪蒸系统、沉降槽和循环水罐，最后跟随循环灰水进入废水换热器。由此，造成气化灰水水质变差，最终废水换热器因结垢和堵塞而运行周期缩短。

3 灰水水质情况

3.1 灰水水质指标的对比与分析

目前，该大型干煤粉气化装置共有6个气化区域使用B型废水换热器，各区域废水换热器的在线运行周期较接近，无明显差异。除对设备自身设计选型和运行工艺控制方面进行分析外，技术人员还收集了其他气化装置的灰水水质情况，其对比情况见表1。可以看出：该气化装置灰水的硬度、总溶固和悬浮物含量相对较高，但pH、碱度相对较低；该气化装置在气化炉原料煤灰分相对较高的情况下，单台气化炉外排废水量较比对装置低，表明系统内水循环量高，灰量积累也会相对较多，灰水水质较差。这在理论上也解释了该气化装置灰水中总溶固、硬度和悬浮物含量相对较高的原因，同时也是废水换热器容易积灰堵塞和结垢的起因或重要原因。

表1 不同气化装置气化灰水水质等的对比

3.2 系统补水水质情况

目前该气化装置洗涤塔主要外来补水为汽提凝液、变换高温凝液、脱盐水和再生水，外来补水水质复杂。汽提凝液和变换高温凝液的pH最高可达9.0，而该气化装置灰水的硬度和碱度较高，这就为灰水系统结垢提供了条件［7］；此外，该气化装置原始设计系统补水有再生水和脱盐水，后为节约脱盐水，将部分脱盐水用再生水代替，而再生水未经除盐处理，加入后会增加气化水系统的阴、阳离子，增大系统的结垢趋势［8］。

技术人员对外补再生水、脱盐水和系统灰水进行取样分析，分析结果表明：系统洗涤塔补水所用脱盐水和再生水的pH偏高，大致上均在7.6～8.7之间（控制指标为pH＜7.2）；再生水、脱盐水、系统灰水的pH变化趋势基本一致，间接表明系统外来水水质对灰水水质的影响，也就影响着废水换热器的结垢情况。

4 废水换热器垢样成分分析

对废水换热器结垢物进行取样，垢样研磨成粉后于105℃下烘干至恒重，干燥后的样品置于900℃的高温炉中灼烧1h，冷却后的灼烧产物利用X射线荧光光谱仪（XRF）进行成分分析（检出元素含量以其氧化物的形式表示），垢样成分分析结果为MgO 1.89%、Al2O31.39%、SiO213.91%、P2O51.08%、SO37.53%、CaO 25.58%、Fe2O37.41%；垢样中高温失重部分较多，高温失重率达39.64% （主要为残炭、碳酸盐的分解失重及少量有机物的分解），其他主要是CaO、SiO2等物质。由此分析认为，废水换热器堵塞主要是由于循环灰水pH、总溶固、硬度偏高使灰沉积以及部分有机物存在所致（有明显酸臭味），其中灰沉积主要以CaCO3和SiO2的沉积为主。

Ca（HCO3）2仅存在于溶液中，其固体极不稳定，在0℃时即可分解为CaCO3，钙垢的形成和结垢机理可能为，灰水中的Ca（HCO3）2在废水换热器处因温度变化而分解为CaCO3，CaCO3析出并附着在换热器管束上［9］。硅垢的形成和结垢机理，DubinL等［10］认为有三种情况：一是硅酸缩合形成胶体无定型SiO2，产生沉淀；二是SiO2胶体破坏后发生凝聚并形成硅垢；三是硅酸或硅胶与Al3＋、Fe3＋、Mg2＋、Ca2＋反应产生沉淀。据废水换热器垢样成分分析结果，判断硅垢的形成和结垢机理更倾向于第三种，即化学反应结垢，而且是多种盐形成的复合垢。

据上述垢样成分分析及其形成机理可以得出，从预防的角度出发，需要针对性地在气化水系统中加入对碳酸钙和硅酸盐阻垢性强的阻垢剂，以减轻废水换热器的结垢倾向、减缓废水换热器的结垢速度，延长废水换热器的运行周期。

5 优化改进建议

综上所述，废水换热器的稳定运行与其结构形式（选型）、工艺运行控制及灰水水质条件等诸多因素有关，不同气化装置需根据自身的设备及工艺情况进行具体的分析并采取相应的措施，一般而言可从以下几个方面予以优化改进。

（1）设计阶段适当放大废水换热器的换热面积，同时考虑闪蒸系统及沉降槽水温的波动，适当提高废水换热器入口温度——不低于80℃，以提高废水换热器应对工况波动的能力。

（2）稳定工艺操作，避免气化炉激冷室液位大幅波动引起的气化粗渣外带进入闪蒸系统、沉降槽、循环水罐及废水换热器。

（3）可定期采用冲击式反冲洗的方式进行废水换热器内部堵塞物的疏松和清理，反洗过程采用大流量、大流速（＞1m／s）的方式，并观察反洗的出水情况，以此减缓管束内部的堵塞。

（4）选择适宜的水处理絮凝剂，提高沉降槽的絮凝效果，降低灰水中悬浮物的含量，但也不能为追求低悬浮物含量而在黑水中添加过量的絮凝剂（会增加生产成本），一般絮凝剂添加浓度最高不超过3×10－6，以避免过量的絮凝剂在循环水罐或废水换热器中二次絮凝而造成设备和管道内杂质的沉积堵塞。

（5）针对不同气化装置废水换热器的结垢特性，可以在废水换热器入口管道中加入阻垢剂或分散剂，以缓解废水换热器的结垢和堵塞，阻垢剂或分散剂的加入浓度一般宜在（5～15） ×10－6，过量加入会增加生产成本且易导致后系统药剂残留过多而影响其运行。

（6）可考虑采用化学软化、离子交换、电渗析或膜分离等方法从根本上改善气化灰水水质，降低灰水中结垢性离子含量，从而缓解系统的结垢趋势；同时从运行成本角度考虑，建议只对全系统1／3～1／2的水量进行处理，处理后的灰水硬度控制在500mg／L以下。