德士古水煤浆气化装置灰水系统优化技改小结

王学虎

(国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古 包头 014000)

0 引 言

国能包头煤化工有限责任公司(简称包头煤化)气化装置采用美国 GE公司的德士古水煤浆加压气化工艺，以水煤浆为原料、纯氧为气化剂，在6.5 MPa条件下进行部分氧化反应，生成以CO、H2、CO2为主要成分的粗煤气，粗煤气经激冷室和洗涤塔水浴增湿、降温、除尘后送往下游气体净化系统；气化装置设置7台气化炉(五开两备)，单炉投煤量1 500 t/d(干煤)，满负荷有效气产量为530 000 m3/h。

众所周知，气化灰水是气化装置的“血液”，其运行状况良好与否关乎整个气化装置的安全、稳定、长周期运行。包头煤化气化灰水系统实际生产中出现了一些问题，通过采取一系列的优化技改措施，最终实现了灰水系统的安全、稳定运行。以下对有关情况作一介绍。

1 气化灰水系统工艺流程简介

来自气化炉和洗涤塔的黑水进入闪蒸系统，首先经过高压闪蒸解吸出大量的酸性气，同时黑水被浓缩并降温，高闪气经洗涤塔给水泵来水换热冷却后依次进入最终冷却器、分离罐，分离得到的凝液送入除氧器，不凝气则通过高闪气压缩机回收利用；高压闪蒸罐底部的黑水送低压闪蒸罐，低压闪蒸罐顶部闪蒸出的蒸汽送除氧器加热低压灰水除氧，低压闪蒸罐底部的黑水送第一、第二真空闪蒸罐；在真空闪蒸系统，黑水中的酸性气继续得到解吸，同时黑水被浓缩并降温，真闪气经冷凝分离得到的凝液送沉降槽；经四级闪蒸浓缩后的黑水由沉降槽给料泵送入沉降槽与絮凝剂混合，经絮凝、沉降，黑水中的固体颗粒凝结成较大的胶状物沉入澄清槽底部，之后澄清槽底部的灰浆被送至真空过滤机系统过滤脱水，得到滤饼送出界区，沉降槽上部较为干净的水(称为灰水)溢流进入溢流堰，然后从溢流堰进入灰水槽得以收集；灰水大部分由低压灰水泵送入除氧器、洗涤塔、锁斗冲洗水罐、渣池、研磨水槽循环使用，为控制灰水中固含量及有害杂质的积累，从1#灰水槽用外排水泵抽一部分灰水(约320 t/h)经废水换热器(一开一备)降温至约40 ℃后送至公用工程污水池，通过123FV008控制外排废水流量的稳定。

2 气化灰水系统的运行状况

(1)沉降槽、灰水槽彻底清理后重新注入新鲜水，投运初期状况良好，但一段时间后，系统运行状况开始恶化，沉降槽内壁挂垢严重，垢片脱落导致底流泵入口堵塞，需要频繁倒泵，导致大量灰浆在沉降槽积累，沉降槽黑水沉降效果变差；同时，溢流堰内的灰垢也明显增多、增厚，使得沉降槽内的水很难溢流至灰水槽，增加了灰水处理的难度。

(2)除氧器运行70多天后，除氧器氧头旋膜管和氧头低压灰水管口出现严重堵塞，低压灰水补水困难，只能通过开低压灰水进箱体手阀维持除氧器的液位，导致低闪气与低压灰水的换热效果变差，严重影响灰水的除氧效果；同时低压闪蒸罐内压力高，闪蒸系统热负荷大，导致系统灰水温度偏高，影响絮凝剂、分散剂的使用效果，形成恶性循环。

(3)灰水系统有2 台型号为BEM的废水冷却器(123E004A/B，一开一备)，换热管管径为25 mm，管程数为6，换热面积为476 m2，外排废水走管程，循环水走壳程。实际生产中，由于灰水水质差，且废水在冷却器内部停留时间较长，废水冷却器管程结垢速率快，管程结垢堵塞严重，运行一段时间后外排水流量很难满足工艺要求，废水冷却器运行周期短(平均只有30～40 d)，运行30多天就需切换为备用废水冷却器，切出的废水冷却器隔离出来高压清洗，管程灰垢需要钻头清理，清洗难度大且耗时长，若短时间内无法完成废水冷却器的备用，灰水不能正常输送至公用工程污水池，在系统内进一步浓缩，其硬度、电导率、碱度、悬浮物含量、溶解性总固含量等指标超标，加速系统结垢，严重制约气化装置的长周期运行。例如，2020年4月16日废水冷却器(123E004A)管程清洗完毕后投运，外排水流量为304.91 t/h，运行21 d后外排水流量降至190.52 t/h，远低于工艺控制指标，灰水水质不断恶化，被迫投用备用废水冷却器(123E004B)，123E004A隔离出来清洗，拆开123E004A封头发现，进水封头侧有大量垢片堆积，进水口堵塞严重，管程也存在不同程度的结垢堵塞。

(4)低压灰水泵[原始设计低压灰水泵为4台，后增加了3台低压灰水泵(A/B/C)，正常生产时四开三备]入口管线结垢堵塞，灰水槽联通效果差，造成3座灰水槽液位偏差大，不利于工艺控制；此外，低压灰水泵出口管线也结垢严重，锁斗冲洗水罐补水困难，导致锁斗冲洗水罐补水时间加长，锁斗程序模式下被迫通过延长收渣时间来缓解补水困难问题，更有甚者锁斗无法在程序模式下运行，只能手动操作，影响锁斗的稳定运行，且烘炉系统水循环量也无法满足，制约气化炉的热备用。

(5)气化炉激冷室下降管与上升管环隙存在严重的结垢、挂渣现象，导致粗煤气进入激冷室水浴冷却后在环隙上升的流道发生改变，甚至出现严重偏流，造成气化炉激冷室液位逐渐上涨，托盘温度快速上涨，不利于指导气化炉的稳定操作；同时，激冷水管线、激冷水过滤器结垢严重，造成激冷水流量下降，被迫减负荷短期维持气化炉激冷室液位的稳定；此外，因垢片堵塞激冷环，造成下降管水膜变薄，严重时下降管出现干区，存在下降管被烧穿的风险。

3 灰水系统结垢原因分析

(2)闪蒸系统操作不稳定，造成真空闪蒸罐真空度低，真空闪蒸罐出口黑水温度高，黑水温度高使得CaCO3在水中的溶解度减小而Ca(HCO3)2溶解度增大，当钙硬度(以CaCO3计)与总碱度(以CaCO3计)之和大于一定指标时，阻垢分散剂的阻垢性能下降明显。

(3)系统外排水量小，补入新鲜水、回用水量少，灰水不断浓缩过程中其硬度、碱度、悬浮物含量等升高，灰水存在严重的结垢倾向。

(4)系统水循环量发生改变时，絮凝剂、阻垢分散剂的添加调整不及时，造成灰水系统药剂添加量与灰水处理量不匹配，达不到阻垢分散要求，Ca2+、Mg2+等大量聚集而生成垢物。

4 灰水系统优化技改措施及效果

4.1 低压灰水系统管线优化改造

4.1.1 新增低压灰水泵进口总管

包头煤化低压灰水系统、高压灰水系统属公用系统，正常生产时无法进行在线隔离检修清洗，只有在大检修时才具备清洗条件，是制约气化装置长周期运行的关键因素，欲延长检修周期势必要延长低压灰水系统的稳定运行周期。针对低压灰水系统存在的问题，经可行性分析，包头煤化决定对气化装置外管廊低压灰水管线进行配管改造，即新增低压灰水泵进口总管以实现低压灰水泵入口为双管线(见图1)，即低压灰水泵入口总管一用一备。2020年检修期间增设1条低压灰水泵入口备用总管，3座灰水槽分别新增1根管线与新增总管 (铺设在地下)连接，再由新增总管分别连接至4台低压灰水泵(A/B/C/D)入口，每台灰水槽新增管线上各加装1台球阀(靠近灰水槽)，总管至4台低压灰水泵入口管线分别增设1台球阀(靠近低压灰水泵)。

图1 低压灰水泵进口管线改造示意图

灰水系统增设备用总管后，灰水槽出口到低压灰水泵入口管线实现一用一备，低压灰水泵入口管线可实现在线隔离清洗，有力地保证了气化装置的安全、稳定运行。

4.1.2 制浆与低压灰水管线配置联通管

低压灰水供气化装置与供制浆管线增设跨线，即将低压灰水制浆总管与气化总管联通，便于弹性操作；外排水管线通过跨线与低压灰水供制浆管线连接，该管线分别留有2道法兰，便于增加临时盲板。

4.1.3 除氧器补水配置备用管线

新低压灰水泵(A/B/C)出口配置除氧器补水备用管线，即新低压灰水泵(A/B/C)出口分为两路，一路直接去往低压灰水总管，另一路直接去往除氧器补水管线，如此一来，其中任何一路低压灰水总管结垢严重时可以在线切出清洗，用新低压灰水泵(A/B/C)将低压灰水通过新配管线送至除氧器，缓解系统补水压力；外排水泵为气化装置、制浆系统提供低压灰水。

本新增管线于2020年6月完成清洗后投用，创新性配备的管线可实现低压灰水泵出口管线、气化低压灰水管线等的分段式隔离清洗，为灰水系统的长周期运行提供了保障。

4.2 废水冷却器优化改造

为解决废水冷却器运行中存在的问题，决定先行对123E004B封头结构实施改造：进水侧封头内挡板由3层缩减为1层，进水远端封头内挡板割除，换热器管程数由6程减少为2程，以大大缩短废水在废水冷却器中的停留时间。

123E004B优化技改后，在同一根外排废水管线、同一种分散剂条件下，123E004A(未技改)与123E004B分别运行一段时间后外排水流量及进出口温差的对比见表1。可以看出：经过123E004A换热后的外排水流量下降速率为5.66 t/h，经123E004B换热后的外排水流量下降速率为3.07 t/h，123E004B外排水流量下降速率小于123E004A；123E004B进出口温差小于123E004A进出口温差(123E004B的进出口温差虽然小，但同样可以满足换热要求)，但同样的运行周期，123E004B进出口温差的下降速率小于123E004A。由此可以得出结论，技改后的123E004B管程结垢速率低于未技改的123E004A，123E004B的运行周期会更长，更有利于气化装置的稳定、高效运行。

表1 2台废水冷却器外排水流量及进出口温差的对比

4.3 加强原料煤煤质管理

生产中严格控制气化原料煤主要分析指标在设计指标范围内——灰分≤15%、内水<8%、粒度≤10 mm、灰熔点≤1 250 ℃，尽量选用灰分较低的煤种，防止灰渣中过多的Ca2+、Mg2+通过气化炉排水进入气化黑水系统，确保气化黑水Ca2+、Mg2+浓度可控，以降低灰水总硬度，减缓系统结垢速率；严格每日原料煤取样分析，依据分析数据调整制浆系统水煤比以及气化炉的操作温度；通过两种粘温特性不同的煤按比例配比供应以改善气化原料煤的粘温特性，适当降低原料煤的灰熔点，进而降低气化炉的操作温度，降低灰水系统处理负荷。

4.4 优选气化灰水系统药剂并加强管理

4.4.1 优选阻垢分散剂配方

选用性能优良的阻垢分散剂非常重要。经筛选，包头煤化气化装置从2020年5月19日开始试用江苏某公司生产的阻垢分散剂[固含量≥30%(质量分数)，密度≥1 100 kg/m3，pH=2.0～3.0]，在7#锁斗冲洗水罐补水管线4楼短节处进行结垢情况试验：5月19日打开短节查看补水管线时有约1 cm厚的垢片，清理干净后气化水系统投加江苏某公司生产的阻垢分散剂；2020年6月2日，再次打开短节查看，补水管线未见明显结垢。新阻垢分散剂试用前后外排水分析数据的对比见表2。可以看出，试用新阻垢分散剂后，系统外排水总磷酸盐、正磷酸盐、pH等指标变化明显，一定程度上减缓了灰水系统的结垢速率。

表2 新阻垢分散剂试用前后外排水分析数据的对比

目前包头煤化气化装置仍在使用江苏某公司生产的阻垢分散剂，其添加比例控制在(50～100)×10-6，可以保证灰水浊度在20～80 FAU、电导率在 2 000～4 000 μS/cm、硬度<1 600 mg/L。

4.4.2 调整阻垢分散剂的用量

高压灰水泵入口灰水的Ca2+、Mg2+浓度以及悬浮物含量、硬度等分析数据更能代表灰水系统的实际运行状况。为此，加大高压灰水泵入口灰水的取样分析频次，据分析数据更精确地调整阻垢分散剂的添加浓度为70～90 mg/L(药剂添加量为3.0～3.5 t/d)；同时，为保证阻垢分散剂的使用效果，在高压灰水泵入口以及灰水槽增加灰水结垢速率测试挂片，定期观察挂片的结垢情况，以监控灰水系统的运行状况。

4.5 严格灰水水质管理

在污水处理系统允许的前提下，加大系统外送水量(约15 t/h)，灰水槽加新鲜水或系统增加回用水量，以降低灰水的浓缩倍数；严格执行絮凝剂配制管理，据沉降槽导淋取样分析数据调整絮凝剂的添加量，及时依据系统负荷调整水处理剂的加入量，并做好灰水水质分析数据的监控。

5 结束语

包头煤化针对气化装置灰水系统运行中存在的问题，通过采取一系列优化技改措施，取得了明显的成效：废水冷却器改造后，其换热效果能达到预期要求，运行周期由约30 d延长至90 d，且运行期间外排水流量稳定；采用新阻垢分散剂后，灰水系统结垢速率大幅下降，单系列检修灰水管线断口发现垢片厚度明显减薄，2020年6月低压灰水泵入口管线清洗后运行至今，没有出现过低压灰水泵入口堵塞不打量的现象，且3台灰水槽液位偏差很小。综上所述，包头煤化针对德士古水煤浆气化装置灰水系统实施的优化技改是有效的，切实起到了控制灰水系统结垢速率的作用，保障了灰水系统的安全、稳定运行，助力了气化装置的长周期、经济运行。