水煤浆气化水系统结垢成因分析与控制策略

王 宁，李文盛，赵小燕

(1.中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心，河南 洛阳 471003；2.中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

煤气化技术是现代煤化工的龙头和关键技术，其优劣决定了后续装置能否安全、稳定、长周期运行。水系统是水煤浆气化工艺的重要组成部分，负责气化工序用水循环和回收，降低装置的耗水和废水排放量。气化的黑水经过处理，实现渣(灰)水分离，将处理后的水回用，渣(灰)通过压滤后外排，同时为了维持系统水中有害离子在一定的浓度范围内，部分灰水外送[1-3]。随着环保、节能要求的提高，水系统的排放受到限制，气化单元黑水、灰水中大量的悬浮物及钙、镁、硅等离子随着水的循环使用而不断浓缩，造成煤气化装置水系统中设备及管道结垢，引起管线流量下降、阀门难以开关、泵的叶轮损坏、系统补水困难等问题，严重时导致系统降负荷甚至被迫停车[4-7]。本文通过调研分析水煤浆气化水系统的结垢现状、结垢成因、控制策略，以期为水煤浆气化装置的安稳运行提供参考。

1 水煤浆气化水系统结垢现状调研

通过系统调研几家水煤浆气化装置，并结合目前已报道的水煤浆气化水系统结垢情况，统计了水煤浆气化水系统主要的结垢部位。

1.1 激冷水系统

激冷水一般经过滤后进入激冷环，其中大粒径的灰渣被黑水过滤器截留，粒径小于黑水过滤器过滤网孔径的细渣、细灰进入激冷环，通过激冷环环管上的进水孔把冷却水均匀地分布到降气管的内壁上，之后激冷水沿下降管内壁进入激冷室。在高温高压下，细灰、细渣在过滤器、激冷环、上下管及激冷水管线沉积而形成结垢，造成激冷水量减少、气化炉液位升高、气体偏流、气体阻力增加、相同负荷下流速增大，破坏了水系统的平衡，压力、流量、液位等指标无法稳定控制，给设备安全运行造成隐患[8，9]。

激冷水系统发生结垢堵塞的部位一般有激冷水过滤器、激冷环外部、内部配水管及激冷环喷水孔、激冷水管线等，某企业水煤浆气化装置激冷水管线堵塞情况见图1。

图1 激冷水管线堵塞

1.2 黑水系统

经激冷水洗涤后的粗合成气经过文丘里洗涤器后，进入水洗塔进行更为彻底的洗涤净化。采用三级或四级闪蒸技术，将溶解在气化炉和洗涤塔黑水中的水蒸气和酸性气体闪蒸脱除，黑水不断浓缩。由于水煤浆气化黑水具有高压、高温、高固体悬浮物含量的特点[10]，很容易发生结垢和阀门堵塞。运行周期越长，结垢越严重，会造成管道严重堵塞、设备内件结垢、管道及阀门冲蚀严重、减压阀后弯头容易穿孔等问题；而且当垢层达到一定的厚度后，会因受流体的冲击以及开停炉时黑水温度急剧变化而脱落，从而对黑水管线、角阀及冷凝器等造成堵塞[11-15]。

一般黑水系统容易发生结垢堵塞的部位有洗涤塔内部构件、文丘里洗涤器喷水孔、气化炉和碳洗塔黑水排放管线、高、中、低压闪蒸罐和真空闪蒸罐内壁及各闪蒸罐的进出口管线等，某企业气化排黑管线结垢现象见图2，高压闪蒸罐结垢现象见图3。

图2 气化排黑管线结垢形貌

图3 高压闪蒸罐内件结垢

1.3 灰水系统

一般将闪蒸后的水称为灰水。黑水经过三级闪蒸后，大部分水冷凝成比较干净的高压灰水，返回系统重复利用。经闪蒸浓缩后的渣水则排至沉降槽，从沉降槽上部溢流的灰水一部分回系统内部循环使用，一部分通过外排送至污水处理，从而达到系统内有害离子的平衡[10]。灰水结垢情况不同于黑水，灰水管道内垢的硬度比黑水管道内的小，颜色比黑水中的白，会造成管线结垢堵塞、阀门损坏、泵被气蚀损坏等[11，15]。

一般灰水系统容易发生结垢堵塞的部位有灰水管线、高/低压灰水泵、过滤器、除氧器、冷凝器等，某企业高压回水泵入口管线及外排灰水管线结垢情况见图4和图5。

图4 高压灰水泵入口管线

图5 外排灰水管线

2 水煤浆气化水系统结垢成因分析

2.1 垢样的成分及分布

气化装置水系统垢样的主要成分为SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3等，而不同部位的垢样又存在一定差异。通过对现有文献的统计分析，不同部位垢样的主要成分见表1[8，15-19]。

从表1可以看出，SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3是垢样的主要组成部分，不同部位垢样的成分差别较大。激冷水系统和黑水系统由于灰分和含固量较高，而灰分颗粒成分主要以SiO2、Al2O3、CaO为主[18]，所以在这些部位垢样的主要成分为硅、铝、铁、钙形成的复合盐，特别是硅酸盐的含量较高，结垢物质与原料煤煤质、气化炉本身的结构、水系统工艺以及水系统中含固量变化等有关[18，19]。

表1 水煤浆气化装置不同部位垢样的主要成分

灰水系统垢样的主要成分为CaO，因为经过处理后的灰水中灰分颗粒组分较少。而随着温度的降低，碳酸钙溶解度升高，灰水中碳酸钙含量会相对高一些，所以结垢物主要以钙盐为主[10]。

由此可以得出，不同部位结垢物质不同，造成这种差异的原因与系统工况、系统中含固量的变化有关。

2.2 结垢影响因素2.2.1 煤质

通过以上垢样的成分分析可以看出，结垢物质大部分来源于原料煤中的灰分。灰分是煤气化后的残留物质，其主要成分为CaO、MgO、SiO2、Al2O3、Fe3O4等，一般会占到灰分总量的95%以上，灰分含量的高低直接影响黑水中的含固量、硬度等。原料煤的灰分高，会加重设备、管道结垢的倾向。

2.2.2水质

水的总溶固、硬度、悬浮物等是气化运行中水质结垢倾向的重要指标[20]。对于煤气化装置而言，在原料煤确定时，水质受以下两个因素的影响[21]：外排水量和外加入水质量。排至污水处理系统的外排灰水量直接影响着灰水中Ca2+、Mg2+的含量。每个企业外加水各不相同，有的为高碱、高油、高COD，有的为高pH值、高氨氮，这些都会进入水系统中，增大结垢倾向。

2.2.3pH值

pH值低，呈酸性，容易腐蚀管道；pH值高，呈碱性，容易使管道结垢。邢晓凯[22]从成垢溶液的离子平衡出发，得到了成垢指数与pH值的关系式。计算表明，总钙浓度一定时，pH值越高，成垢指数越大，结垢趋势越大。

2.2.4温度

盐垢的溶解度是随温度的变化而变化，煤气化水系统温度变化较大。与合成气接触的激冷室上部灰水温度最高可达300 ℃左右，经过闪蒸的灰水温度又降至50 ℃左右，而循环使用的灰水又被闪蒸换热至150 ℃左右。水温在300～50 ℃之间大幅度变化，也会增加系统的反复结垢。

2.2.5压力

气化反应是在高温高压下进行的，激冷室中的激冷水及碳洗塔的洗涤水的压力基本与气化炉操作压力相当，经逐级闪蒸后，压力逐渐降低，最终进入沉降槽时压力变为常压，而灰水经除氧器后又再次加压返回系统循环使用。在黑水、灰水处理过程中，压力变化幅度大，而压力逐步降低将增加系统结垢程度[2]。

2.2.6流速

流速增大会增大污垢累积率，但所对应的剥蚀率也将增大。所以伴随流速增大，污垢增加会达到平衡；流速减小时，固体悬浮物沉积概率增大，特别是在结构突变的部位，从而导致系统结垢的概率也会明显增大。

3 水煤浆气化水系统结垢控制策略

3.1 煤质的选用优化

加强煤质监控，定期分析煤种元素和成分，保证原料煤各项指标合格。采用配煤技术开展不同灰熔点和灰分煤种的配比，从而控制气化煤的灰熔点和灰分在指标范围内，缓解因煤质变差、灰分增多所引起的系统水质变差、结垢堵塞等问题[5，23]。对系统各点容易结垢部位的垢样进行分析，判断系统结垢趋势和结垢形式，做到真正把控系统，使其不断优化。

3.2 水质控制

一是控制外来水的质量，特别是水的氨氮含量，防止pH值的上升；二是分析重点部位水质，全面掌握系统水质的变化情况，根据原料煤的成分和水质情况及时调整系统加药量和外排水量，维持系统水的各项工艺指标在可控范围内[21]。

3.3 药剂使用

采用高效的絮凝剂和分散剂，是煤气化水系统控制结垢的有效措施。对于分散剂、絮凝剂的添加，最好能制定相应的药剂添加管理规定，药剂的选择要根据工艺状况和水质条件而定，因地制宜[24]。要根据药剂的使用效果，及时与厂商联系调整药剂配方、提高药效，延缓系统结垢。

3.4 材质优选

开发研究新型防结垢防腐材料。针对管道的易磨损部位采用厚壁管或者耐磨材质。

3.5 工业运行优化

优化设备管道。比如通过增加下降管、上升管间的环隙面积来降低粗煤气流速，减轻粗煤气带水带灰问题，从而改善洗涤塔内激冷水水质；合理布置黑/灰水管路，尽量减少拐弯及“口袋”，采用三通加盲板，便于清理且减少管道堵塞的概率等。

优化工艺控制。采取4项措施，比如控制炉温，减少系统压力波动，从而控制水系统的温度、压力稳定，减少对结垢的影响；避免水温过高影响絮凝剂的使用效果；对灰水进行脱氨、降固处理，提高系统水质，从而降低水系统的结垢；结垢严重部位配置备用管线等。

3.6 除垢技术的应用

可借鉴油田采出水结垢方面的相关防垢技术，比如电絮凝除硬、静电阻除垢、超声波除垢、电磁除垢等技术[25]，在不破坏设备本体和不影响工艺流程的情况下，能将结垢阻止在萌芽之中。

4 结语

煤气化装置是现代煤化工的核心和龙头，它的运行优劣决定了全系统装置能否长周期、满负荷、安全、稳定地运行。水煤浆加压气化是目前煤气化的优选技术之一，由气化单元黑水、灰水、激冷水系统中设备及管道结垢而导致的管道堵塞、阀门失效等问题，已经成为影响煤气化装置长周期运行的重要因素。调研统计分析发现，水煤浆气化水系统结垢主要发生在激冷水系统、黑/灰水管道及设备内构件等部位。影响水煤浆气化水系统结垢的因素较多，且不同部位垢样的成分差别较大，与系统工况和系统中含固量变化有关。目前主要的控制措施有优化原料煤、使用絮凝剂和分散剂、优化设备/管道及工艺运行条件等。虽然水系统的结垢是不可避免的，但可以采用行之有效的措施来进行减缓。应针对具体装置，关联分析各种结垢原因，找出关键问题，组合优化各种控制措施，多方面确保实现煤气化装置水系统的稳定运行。