王學(xué)虎

(國能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

0 引 言

國能包頭煤化工有限責(zé)任公司(簡稱包頭煤化)氣化裝置采用美國 GE公司的德士古水煤漿加壓氣化工藝，以水煤漿為原料、純氧為氣化劑，在6.5 MPa條件下進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成以CO、H2、CO2為主要成分的粗煤氣，粗煤氣經(jīng)激冷室和洗滌塔水浴增濕、降溫、除塵后送往下游氣體凈化系統(tǒng)；氣化裝置設(shè)置7臺氣化爐(五開兩備)，單爐投煤量1 500 t/d(干煤)，滿負(fù)荷有效氣產(chǎn)量為530 000 m3/h。

眾所周知，氣化灰水是氣化裝置的“血液”，其運(yùn)行狀況良好與否關(guān)乎整個(gè)氣化裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。包頭煤化氣化灰水系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)了一些問題，通過采取一系列的優(yōu)化技改措施，最終實(shí)現(xiàn)了灰水系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 氣化灰水系統(tǒng)工藝流程簡介

來自氣化爐和洗滌塔的黑水進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)，首先經(jīng)過高壓閃蒸解吸出大量的酸性氣，同時(shí)黑水被濃縮并降溫，高閃氣經(jīng)洗滌塔給水泵來水換熱冷卻后依次進(jìn)入最終冷卻器、分離罐，分離得到的凝液送入除氧器，不凝氣則通過高閃氣壓縮機(jī)回收利用；高壓閃蒸罐底部的黑水送低壓閃蒸罐，低壓閃蒸罐頂部閃蒸出的蒸汽送除氧器加熱低壓灰水除氧，低壓閃蒸罐底部的黑水送第一、第二真空閃蒸罐；在真空閃蒸系統(tǒng)，黑水中的酸性氣繼續(xù)得到解吸，同時(shí)黑水被濃縮并降溫，真閃氣經(jīng)冷凝分離得到的凝液送沉降槽；經(jīng)四級閃蒸濃縮后的黑水由沉降槽給料泵送入沉降槽與絮凝劑混合，經(jīng)絮凝、沉降，黑水中的固體顆粒凝結(jié)成較大的膠狀物沉入澄清槽底部，之后澄清槽底部的灰漿被送至真空過濾機(jī)系統(tǒng)過濾脫水，得到濾餅送出界區(qū)，沉降槽上部較為干凈的水(稱為灰水)溢流進(jìn)入溢流堰，然后從溢流堰進(jìn)入灰水槽得以收集；灰水大部分由低壓灰水泵送入除氧器、洗滌塔、鎖斗沖洗水罐、渣池、研磨水槽循環(huán)使用，為控制灰水中固含量及有害雜質(zhì)的積累，從1#灰水槽用外排水泵抽一部分灰水(約320 t/h)經(jīng)廢水換熱器(一開一備)降溫至約40 ℃后送至公用工程污水池，通過123FV008控制外排廢水流量的穩(wěn)定。

2 氣化灰水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

(1)沉降槽、灰水槽徹底清理后重新注入新鮮水，投運(yùn)初期狀況良好，但一段時(shí)間后，系統(tǒng)運(yùn)行狀況開始惡化，沉降槽內(nèi)壁掛垢嚴(yán)重，垢片脫落導(dǎo)致底流泵入口堵塞，需要頻繁倒泵，導(dǎo)致大量灰漿在沉降槽積累，沉降槽黑水沉降效果變差；同時(shí)，溢流堰內(nèi)的灰垢也明顯增多、增厚，使得沉降槽內(nèi)的水很難溢流至灰水槽，增加了灰水處理的難度。

(2)除氧器運(yùn)行70多天后，除氧器氧頭旋膜管和氧頭低壓灰水管口出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞，低壓灰水補(bǔ)水困難，只能通過開低壓灰水進(jìn)箱體手閥維持除氧器的液位，導(dǎo)致低閃氣與低壓灰水的換熱效果變差，嚴(yán)重影響灰水的除氧效果；同時(shí)低壓閃蒸罐內(nèi)壓力高，閃蒸系統(tǒng)熱負(fù)荷大，導(dǎo)致系統(tǒng)灰水溫度偏高，影響絮凝劑、分散劑的使用效果，形成惡性循環(huán)。

(3)灰水系統(tǒng)有2 臺型號為BEM的廢水冷卻器(123E004A/B，一開一備)，換熱管管徑為25 mm，管程數(shù)為6，換熱面積為476 m2，外排廢水走管程，循環(huán)水走殼程。實(shí)際生產(chǎn)中，由于灰水水質(zhì)差，且廢水在冷卻器內(nèi)部停留時(shí)間較長，廢水冷卻器管程結(jié)垢速率快，管程結(jié)垢堵塞嚴(yán)重，運(yùn)行一段時(shí)間后外排水流量很難滿足工藝要求，廢水冷卻器運(yùn)行周期短(平均只有30～40 d)，運(yùn)行30多天就需切換為備用廢水冷卻器，切出的廢水冷卻器隔離出來高壓清洗，管程灰垢需要鉆頭清理，清洗難度大且耗時(shí)長，若短時(shí)間內(nèi)無法完成廢水冷卻器的備用，灰水不能正常輸送至公用工程污水池，在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)一步濃縮，其硬度、電導(dǎo)率、堿度、懸浮物含量、溶解性總固含量等指標(biāo)超標(biāo)，加速系統(tǒng)結(jié)垢，嚴(yán)重制約氣化裝置的長周期運(yùn)行。例如，2020年4月16日廢水冷卻器(123E004A)管程清洗完畢后投運(yùn)，外排水流量為304.91 t/h，運(yùn)行21 d后外排水流量降至190.52 t/h，遠(yuǎn)低于工藝控制指標(biāo)，灰水水質(zhì)不斷惡化，被迫投用備用廢水冷卻器(123E004B)，123E004A隔離出來清洗，拆開123E004A封頭發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水封頭側(cè)有大量垢片堆積，進(jìn)水口堵塞嚴(yán)重，管程也存在不同程度的結(jié)垢堵塞。

(4)低壓灰水泵[原始設(shè)計(jì)低壓灰水泵為4臺，后增加了3臺低壓灰水泵(A/B/C)，正常生產(chǎn)時(shí)四開三備]入口管線結(jié)垢堵塞，灰水槽聯(lián)通效果差，造成3座灰水槽液位偏差大，不利于工藝控制；此外，低壓灰水泵出口管線也結(jié)垢嚴(yán)重，鎖斗沖洗水罐補(bǔ)水困難，導(dǎo)致鎖斗沖洗水罐補(bǔ)水時(shí)間加長，鎖斗程序模式下被迫通過延長收渣時(shí)間來緩解補(bǔ)水困難問題，更有甚者鎖斗無法在程序模式下運(yùn)行，只能手動操作，影響鎖斗的穩(wěn)定運(yùn)行，且烘爐系統(tǒng)水循環(huán)量也無法滿足，制約氣化爐的熱備用。

(5)氣化爐激冷室下降管與上升管環(huán)隙存在嚴(yán)重的結(jié)垢、掛渣現(xiàn)象，導(dǎo)致粗煤氣進(jìn)入激冷室水浴冷卻后在環(huán)隙上升的流道發(fā)生改變，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重偏流，造成氣化爐激冷室液位逐漸上漲，托盤溫度快速上漲，不利于指導(dǎo)氣化爐的穩(wěn)定操作；同時(shí)，激冷水管線、激冷水過濾器結(jié)垢嚴(yán)重，造成激冷水流量下降，被迫減負(fù)荷短期維持氣化爐激冷室液位的穩(wěn)定；此外，因垢片堵塞激冷環(huán)，造成下降管水膜變薄，嚴(yán)重時(shí)下降管出現(xiàn)干區(qū)，存在下降管被燒穿的風(fēng)險(xiǎn)。

3 灰水系統(tǒng)結(jié)垢原因分析

(2)閃蒸系統(tǒng)操作不穩(wěn)定，造成真空閃蒸罐真空度低，真空閃蒸罐出口黑水溫度高，黑水溫度高使得CaCO3在水中的溶解度減小而Ca(HCO3)2溶解度增大，當(dāng)鈣硬度(以CaCO3計(jì))與總堿度(以CaCO3計(jì))之和大于一定指標(biāo)時(shí)，阻垢分散劑的阻垢性能下降明顯。

(3)系統(tǒng)外排水量小，補(bǔ)入新鮮水、回用水量少，灰水不斷濃縮過程中其硬度、堿度、懸浮物含量等升高，灰水存在嚴(yán)重的結(jié)垢傾向。

(4)系統(tǒng)水循環(huán)量發(fā)生改變時(shí)，絮凝劑、阻垢分散劑的添加調(diào)整不及時(shí)，造成灰水系統(tǒng)藥劑添加量與灰水處理量不匹配，達(dá)不到阻垢分散要求，Ca2+、Mg2+等大量聚集而生成垢物。

4 灰水系統(tǒng)優(yōu)化技改措施及效果

4.1 低壓灰水系統(tǒng)管線優(yōu)化改造

4.1.1 新增低壓灰水泵進(jìn)口總管

包頭煤化低壓灰水系統(tǒng)、高壓灰水系統(tǒng)屬公用系統(tǒng)，正常生產(chǎn)時(shí)無法進(jìn)行在線隔離檢修清洗，只有在大檢修時(shí)才具備清洗條件，是制約氣化裝置長周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素，欲延長檢修周期勢必要延長低壓灰水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行周期。針對低壓灰水系統(tǒng)存在的問題，經(jīng)可行性分析，包頭煤化決定對氣化裝置外管廊低壓灰水管線進(jìn)行配管改造，即新增低壓灰水泵進(jìn)口總管以實(shí)現(xiàn)低壓灰水泵入口為雙管線(見圖1)，即低壓灰水泵入口總管一用一備。2020年檢修期間增設(shè)1條低壓灰水泵入口備用總管，3座灰水槽分別新增1根管線與新增總管 (鋪設(shè)在地下)連接，再由新增總管分別連接至4臺低壓灰水泵(A/B/C/D)入口，每臺灰水槽新增管線上各加裝1臺球閥(靠近灰水槽)，總管至4臺低壓灰水泵入口管線分別增設(shè)1臺球閥(靠近低壓灰水泵)。

圖1 低壓灰水泵進(jìn)口管線改造示意圖

灰水系統(tǒng)增設(shè)備用總管后，灰水槽出口到低壓灰水泵入口管線實(shí)現(xiàn)一用一備，低壓灰水泵入口管線可實(shí)現(xiàn)在線隔離清洗，有力地保證了氣化裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1.2 制漿與低壓灰水管線配置聯(lián)通管

低壓灰水供氣化裝置與供制漿管線增設(shè)跨線，即將低壓灰水制漿總管與氣化總管聯(lián)通，便于彈性操作；外排水管線通過跨線與低壓灰水供制漿管線連接，該管線分別留有2道法蘭，便于增加臨時(shí)盲板。

4.1.3 除氧器補(bǔ)水配置備用管線

新低壓灰水泵(A/B/C)出口配置除氧器補(bǔ)水備用管線，即新低壓灰水泵(A/B/C)出口分為兩路，一路直接去往低壓灰水總管，另一路直接去往除氧器補(bǔ)水管線，如此一來，其中任何一路低壓灰水總管結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)可以在線切出清洗，用新低壓灰水泵(A/B/C)將低壓灰水通過新配管線送至除氧器，緩解系統(tǒng)補(bǔ)水壓力；外排水泵為氣化裝置、制漿系統(tǒng)提供低壓灰水。

本新增管線于2020年6月完成清洗后投用，創(chuàng)新性配備的管線可實(shí)現(xiàn)低壓灰水泵出口管線、氣化低壓灰水管線等的分段式隔離清洗，為灰水系統(tǒng)的長周期運(yùn)行提供了保障。

4.2 廢水冷卻器優(yōu)化改造

為解決廢水冷卻器運(yùn)行中存在的問題，決定先行對123E004B封頭結(jié)構(gòu)實(shí)施改造：進(jìn)水側(cè)封頭內(nèi)擋板由3層縮減為1層，進(jìn)水遠(yuǎn)端封頭內(nèi)擋板割除，換熱器管程數(shù)由6程減少為2程，以大大縮短廢水在廢水冷卻器中的停留時(shí)間。

123E004B優(yōu)化技改后，在同一根外排廢水管線、同一種分散劑條件下，123E004A(未技改)與123E004B分別運(yùn)行一段時(shí)間后外排水流量及進(jìn)出口溫差的對比見表1?？梢钥闯觯航?jīng)過123E004A換熱后的外排水流量下降速率為5.66 t/h，經(jīng)123E004B換熱后的外排水流量下降速率為3.07 t/h，123E004B外排水流量下降速率小于123E004A；123E004B進(jìn)出口溫差小于123E004A進(jìn)出口溫差(123E004B的進(jìn)出口溫差雖然小，但同樣可以滿足換熱要求)，但同樣的運(yùn)行周期，123E004B進(jìn)出口溫差的下降速率小于123E004A。由此可以得出結(jié)論，技改后的123E004B管程結(jié)垢速率低于未技改的123E004A，123E004B的運(yùn)行周期會更長，更有利于氣化裝置的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

表1 2臺廢水冷卻器外排水流量及進(jìn)出口溫差的對比

4.3 加強(qiáng)原料煤煤質(zhì)管理

生產(chǎn)中嚴(yán)格控制氣化原料煤主要分析指標(biāo)在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)——灰分≤15%、內(nèi)水<8%、粒度≤10 mm、灰熔點(diǎn)≤1 250 ℃，盡量選用灰分較低的煤種，防止灰渣中過多的Ca2+、Mg2+通過氣化爐排水進(jìn)入氣化黑水系統(tǒng)，確保氣化黑水Ca2+、Mg2+濃度可控，以降低灰水總硬度，減緩系統(tǒng)結(jié)垢速率；嚴(yán)格每日原料煤取樣分析，依據(jù)分析數(shù)據(jù)調(diào)整制漿系統(tǒng)水煤比以及氣化爐的操作溫度；通過兩種粘溫特性不同的煤按比例配比供應(yīng)以改善氣化原料煤的粘溫特性，適當(dāng)降低原料煤的灰熔點(diǎn)，進(jìn)而降低氣化爐的操作溫度，降低灰水系統(tǒng)處理負(fù)荷。

4.4 優(yōu)選氣化灰水系統(tǒng)藥劑并加強(qiáng)管理

4.4.1 優(yōu)選阻垢分散劑配方

選用性能優(yōu)良的阻垢分散劑非常重要。經(jīng)篩選，包頭煤化氣化裝置從2020年5月19日開始試用江蘇某公司生產(chǎn)的阻垢分散劑[固含量≥30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，密度≥1 100 kg/m3，pH=2.0～3.0]，在7#鎖斗沖洗水罐補(bǔ)水管線4樓短節(jié)處進(jìn)行結(jié)垢情況試驗(yàn)：5月19日打開短節(jié)查看補(bǔ)水管線時(shí)有約1 cm厚的垢片，清理干凈后氣化水系統(tǒng)投加江蘇某公司生產(chǎn)的阻垢分散劑；2020年6月2日，再次打開短節(jié)查看，補(bǔ)水管線未見明顯結(jié)垢。新阻垢分散劑試用前后外排水分析數(shù)據(jù)的對比見表2。可以看出，試用新阻垢分散劑后，系統(tǒng)外排水總磷酸鹽、正磷酸鹽、pH等指標(biāo)變化明顯，一定程度上減緩了灰水系統(tǒng)的結(jié)垢速率。

表2 新阻垢分散劑試用前后外排水分析數(shù)據(jù)的對比

目前包頭煤化氣化裝置仍在使用江蘇某公司生產(chǎn)的阻垢分散劑，其添加比例控制在(50～100)×10-6，可以保證灰水濁度在20～80 FAU、電導(dǎo)率在 2 000～4 000 μS/cm、硬度<1 600 mg/L。

4.4.2 調(diào)整阻垢分散劑的用量

高壓灰水泵入口灰水的Ca2+、Mg2+濃度以及懸浮物含量、硬度等分析數(shù)據(jù)更能代表灰水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。為此，加大高壓灰水泵入口灰水的取樣分析頻次，據(jù)分析數(shù)據(jù)更精確地調(diào)整阻垢分散劑的添加濃度為70～90 mg/L(藥劑添加量為3.0～3.5 t/d)；同時(shí)，為保證阻垢分散劑的使用效果，在高壓灰水泵入口以及灰水槽增加灰水結(jié)垢速率測試掛片，定期觀察掛片的結(jié)垢情況，以監(jiān)控灰水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

4.5 嚴(yán)格灰水水質(zhì)管理

在污水處理系統(tǒng)允許的前提下，加大系統(tǒng)外送水量(約15 t/h)，灰水槽加新鮮水或系統(tǒng)增加回用水量，以降低灰水的濃縮倍數(shù)；嚴(yán)格執(zhí)行絮凝劑配制管理，據(jù)沉降槽導(dǎo)淋取樣分析數(shù)據(jù)調(diào)整絮凝劑的添加量，及時(shí)依據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)整水處理劑的加入量，并做好灰水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

5 結(jié)束語

包頭煤化針對氣化裝置灰水系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，通過采取一系列優(yōu)化技改措施，取得了明顯的成效：廢水冷卻器改造后，其換熱效果能達(dá)到預(yù)期要求，運(yùn)行周期由約30 d延長至90 d，且運(yùn)行期間外排水流量穩(wěn)定；采用新阻垢分散劑后，灰水系統(tǒng)結(jié)垢速率大幅下降，單系列檢修灰水管線斷口發(fā)現(xiàn)垢片厚度明顯減薄，2020年6月低壓灰水泵入口管線清洗后運(yùn)行至今，沒有出現(xiàn)過低壓灰水泵入口堵塞不打量的現(xiàn)象，且3臺灰水槽液位偏差很小。綜上所述，包頭煤化針對德士古水煤漿氣化裝置灰水系統(tǒng)實(shí)施的優(yōu)化技改是有效的，切實(shí)起到了控制灰水系統(tǒng)結(jié)垢速率的作用，保障了灰水系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，助力了氣化裝置的長周期、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。