粉煤气化水系统结垢分析与优化

罗开怀，尹兴，王恬恬

粉煤气化水系统结垢分析与优化

罗开怀，尹兴，王恬恬

（黔西县黔希煤化工投资有限责任公司，贵州 毕节 551500）

粉煤气化水系统水质的好坏直接影响着系统是否能安稳长周期运行，因此，必须确保水质的各项指标达标合格，若灰水没有有效的措施管控，则水系统水质变差，动静设备管道积渣结垢更加严重，影响系统正常运行，因此，做好灰水水质的管控是非常重要的。结合大修拆检对水系统曾出现问题的关键点进行了详细分析，并以此提出有关水系统水质的管控及优化措施。

粉煤气化；灰水水质；积渣结垢分析；管控及优化

贵州黔希化工30万t·a-1乙二醇项目气化装置采用航天粉煤加压气化工艺，设3套气化炉系统，正常生产时两开一备，气化炉操作压力为4.0 MPa，操作温度13 50～1 600 ℃，双炉日投煤量1 500 t，均使用本地三高无烟煤。同时将系统中产生的高浓度黑水进入高、低闪两级闪蒸系统进行闪蒸降温、固体浓缩、热量回收、酸性气体解析，经浓缩黑水、沉降除尘、过滤分离出的粗渣、细渣被运送至渣场堆存，闪蒸汽与进入汽提塔灰水逆流换热，不凝气排放至硫回收或火炬燃烧环保达标和回收蒸汽凝液进入沉降槽循环利用。其进入沉降槽黑水流量约580 t·h-1（两台气化炉排水约370 t·h-1，两台洗涤塔排水约60 t·h-1，两台渣池泵排水约100 t·h-1，沉渣池泵排水约10 t·h-1），系统外排废水量 70～100 t·h-1，沉降槽黑水温度正常约70 ℃；另一股补水来自变换的高压冷凝液，约45 t·h-1进入洗涤塔塔盘。通过添加各类药剂确保灰水水质合格稳定，避免或减缓设备、管道结垢和腐蚀速率，保证气化装置水系统能安全、满负荷、长周期稳定运行。因此，有效管控灰水的水质指标对防止气化水系统管道设备积渣结垢具有重要意义[1]。

1 设备管道不同点的垢物分析数据和日常灰水指标

1.1 不同部位的垢样分析数据

利用本次停车检修机会对灰水、黑水循环系统不同位置容易结垢的垢片进行取样分析，通过分析垢片数据和组分对比推算各系统结垢趋势及形成垢片的原因，这样才能有效把控和管控系统，使其不断优化革新系统盲区及设备管道系统的内部环境，其停车后在不同位置垢样分析数据见表1。

表1 不同位置垢样分析数据

由表1可知，不同位置沉积物的酸不溶物含量不同，这些沉积物主要为黑水沉降过程中部分细小渣粒进入灰水系统（主要成分为SiO2、石英、偏硅酸铝等）；Al2O3含量偏高可能是使用本地三高两低（高灰分、高硫、高灰熔点、低挥发份、低可磨指数）无烟煤[2]灰分含量较高且灰分中Al2O3含量较高造成的。550 ℃灼烧失重数据表明其主要成分为煤泥及有机物；950 ℃ 灼烧失重数据显示，CaO、MgO含量相对低，说明系统分散阻垢比较好。Fe2O3含量偏高可能是系统中腐蚀控制或外界带入的Fe离子导致的。酸不溶物含量过高，这种沉积物进行化学清洗的可能性很小，通过取样沉积物实验室小试，基本无法进行化学清洗。

1.2 气化粗细渣中氧化物的分析

气化粗细渣中氧化物质量分数的分析数据如表2所示。从表2分析数据可以看出，粗细渣[3]中含硅铝比高[4]，酸性氧化物（SiO2、Al2O3）和碱性氧化物（Fe2O3、CaO、K2O）中SiO2+Al2O3含量高于70%，SiO2含量高造成软化温度和流动温度温差大，粗细渣中的Al2O3含量增大灰熔点升高[5]，酸性物在粗细渣中含量差别不大，但碱性物中粗渣含量远高于细渣含量，粗渣中不同样品含量差别很小。

表2 气化粗细渣中氧化物质量分数的分析数据

1.3 水系统水质浊度、pH、总硬度、COD等指标

气化灰水水质常规分析指标如表3所示。从表3可以得出，虽实际运行指标优于设计指标，但指标控制稳定性差，煤种偏差设计波动大，水系统中循环与外排水含的结垢离子量达不到平衡状态，长期这样波动和运行下去水溶度达到饱和后就容易溶解析出在系统内形成结垢[6-8]，因此，要熟悉掌握探索煤种变化影响水质指标的关系，在不同煤种不同工况不同运行方式下系统水质指标的变化范围和平衡值及结垢趋势，才能及时调整系统药剂添加量和补水置换及外排量，确保指标合格，系统离子浓度达到进出平衡，避免系统结垢。

表3 气化灰水水质常规分析指标

从表1、表2、表3中分析数据看，灰水沉降药剂处理后仍有部分细小颗粒存于循环使用灰水中，越往下游用户或流速越低沉积结垢概率越大，高温高压区域钙各组分吉布斯自由能更高，黑水中的混合物易饱和，结垢更坚硬，离阻垢剂加入点越近其效果相对要好，水温越高阻垢剂效果相对较差。黑水管线、灰水外排管线、设备内沉积物主要为酸不溶物、Al2O3、煤泥和有机物构成。气化炉反应是一个比较复杂的过程，黑水灰水的水质情况受到外部因素的影响较多，如气化炉原料煤的煤质或配比的变化等。

2 管控及优化

2.1 进入沉降槽水温控制增强絮凝沉降效果

2.1.1 水温的管控

絮凝效果的好坏受进入沉降槽黑水温度的影响，水温过高易造成聚丙烯酰胺失效，其水温关键在于高、低闪负荷需严格按设计指标控制，操作工况稳定，黑水中固体浓缩、热量回收、酸性气体的解析完全，促进水温达标。

2.1.2 絮凝剂（聚丙烯酰胺）调配比量

目前虽然已实现药剂加药浓度可控，但仍存在安全隐患、配浓度过高的制约、絮凝剂配药槽不能切换等问题，还需按照以下方案优化：将一楼的两台1 200 L·h-1的加药泵搬到二楼替换两台250 L·h-1的加药泵，在一楼增设两台2 500～3 000 L·h-1的加药泵。将一楼的分散剂槽改为絮凝剂槽，与原来的絮凝剂槽互为备用。通过改造以后，一楼和二楼的加药泵和加药槽都可以实现一开一备，同时还可以实现絮凝剂投加量的双向调节。药剂槽一开一备以后，必须在规定低液位以后再切换药剂槽，切换为备用槽以后才可以进行药剂配制，这样可以保证药剂配置浓度严格控制在0.5％～1.0％以内，保证药剂的充分溶解，同时维持药剂浓度的相对稳定，对于调整和控制药剂加量非常有利。

2.1.3 增设阻垢分散剂的加入点

在现有加入点（沉降曹溢流管和低压灰水泵进口）的基础上，建议增设除氧水泵出口管和激冷水过滤器处加药点，可以根据运行的实际情况合理分配各个点的加药量和阻垢剂浓度，从而改善废水冷却器、灰水管线、激冷水管线及激冷环的结垢沉渣速率，同时根据现场打开设备管道情况加强配方优化试验，减少停车检修频率，保障工艺装置的安全、稳定、长周期满负荷优化运行。

2.2 运行操作方面的预防与优化

根据煤种、工艺变化及时对分散剂配方和加药方案进行优化调整，同时现场应配备多种选型好的絮凝剂，多方面寻找处理方法和最佳添加量，来解决灰水目前存在的问题，提高絮凝沉降效果。

控制原料的选择，选用低灰分低硫低灰熔点的无烟煤，合理的堆放和掺配比例及石灰石的添加量，确保煤种相对稳定，灰分相对低。灰分高进入系统不仅会对生产产生影响，引起各项消耗的增加和各参数的变化，还会加剧管道的磨蚀和结垢程度，须保证合理的灰水外排量，避免过度浓缩恶性循环，降低系统结垢的风险。

加强对设备管道的防磨蚀腐蚀管理和控制措施，通过表1数据中结垢物的成分可以得出铁离子的含量要高于其他成分离子的含量，虽这些离子大部分来于原料煤中，但其余的铁离子成分则来自设备管道磨蚀及腐蚀，例如磨煤机内壁磨蚀、粉煤加压输送系统的罐和管道磨损、破碎机环锤的磨蚀、原料煤中的铁物及水系统的设备管道的磨蚀腐蚀等。通过对设备点检修和定期维护保养，对设备管道易磨损腐蚀部件进行耐磨耐腐蚀改进都会在一定程度上降低系统中铁离子的浓度。

控制灰水系统的pH，pH低设备管道易腐蚀，pH高设备管道结垢，灰水结垢的难易程度取决于pH值得控制，正常情况下灰水应为弱碱性，这样才能减缓水系统设备管道结垢和腐蚀速度。其次要控制系统的悬浮物，数值偏高不仅会加剧钙镁离子的结晶，还会吸附部分阻垢剂中的羧酸根和磷酸根离子，从而影响阻垢剂的分散效果。

目前水系统采取激冷水水泵双泵运行提速提量，减少动静设备死角盲区积渣或减缓结垢速率。例如激冷水调节阀副线手阀有三分之一开度，备泵启动前先清理进口过滤器止回阀，根据激冷水过滤器压差情况切除清洗或切除在线排放，确保大量的渣块垢块不进入下游系统，降低灰水黑水[9-10]中的含固量，进一步减缓水系统结垢的速率，其为气化装置安稳长周期运行夯实根基。

加强现场管理与药剂供应商沟通交流共同维护水质的稳定，黑水、灰水的管理比较复杂，运行管理过程中不能只依赖某一方，药剂和工艺上的稳定控制起着同等重要的作用，密切关注工艺上的波动以及给灰水带来的影响，做出药剂相应的调配，确保水质长期稳定合格。

3 结 论

气化水系统是保障粉煤气化炉稳定运行的重要环节，而灰水是水系统的血液，水质的好坏直接影响水系统的阻垢分散效果及运行的稳定性，须严格控制灰水浊度、悬浮物、pH、总硬度等水质指标的合格率，选择合适的药剂和添加量降低水系统阻垢难度；稳定工况控制水温恒定，加大水系统循环量降低钙镁离子析出的概率，应尽量使用选定单一、稳定的优质煤源供给，当煤质变化时应选择一定比例配煤掺烧技术降低三高无烟煤的灰分、灰熔点和硫含量，减少入炉煤指标波动而造成炉况波动引起水系统水质的变化，进而导致药剂效果差，加剧了结垢的速率。根据煤种特性、药剂型号及添加量引起炉况和水质变化收集数据，采取相应的管控优化措施，使水质指标控制在理想水平，降低了系统阻垢难度，从根本上消除或减缓结垢的隐患，提高了系统运行的有效性及安全性，保障了气化炉的安稳长满优运行。

［1］马乐波．煤气化水系统运行问题分析和优化措施[J]．煤化工，2019，46（6）：35-37．

［2］胥国领．织金矿区高阶无烟煤对煤气化技术的适用性分析[J].煤炭加工与综合利用，2021（1）：67-74．

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Scaling Analysis and Optimization of Pulverized Coal Gasification Water System

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（Qianxi Coal Chemical Investment Co., Ltd., Guizhou Bijie 551500, China）

The quality of pulverized coal gasification water system directly influences whether the system can run steadily for long periods. Therefore, the water quality indicators must be ensured to meet the standard, if there is no effective measures to control the gray water, water system water quality is worse, static and static equipment pipeline slag fouling is more serious, affecting the normal operation of the system, Therefore, it is very important to do a good job of grey water quality control. In this paper,combined with overhaul demolition inspection of the water system, the key points of problems were analyzed, and water system quality control and optimization measures wereput forward.

Pulverized coal gasification; Analysis of water quality; Slagging and fouling in grey water; Control and optimization

2021-05-26

罗开怀（1987-），男，贵州省凯里市人，侗族，助理工程师，研究方向：煤气化工艺技术。

尹兴（1985-），男，工程师，研究方向：煤气化工艺管理。

TQ546

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1004-0935（2021）12-1911-04