陳作強(qiáng)，王宗立，李相軍，賀永金

(1.航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司，北京 101111;2.濮陽(yáng)龍宇化工有限責(zé)任公司，河南濮陽(yáng) 457000)

0 引言

由于石油資源的日益短缺，我國(guó)的資源開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)備與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出，同時(shí)我國(guó)煤炭資源相對(duì)豐富，總資源量為5 569.7 Gt，可直接經(jīng)濟(jì)利用儲(chǔ)量為184.2 Gt煤，炭資源消費(fèi)約占總能源消費(fèi)的75%。在未來(lái)的20～30年內(nèi)，中國(guó)仍然將保持以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)。目前，很多煤化工企業(yè)氣化路線(xiàn)選擇粉煤氣化流程或水煤漿進(jìn)料流程。如GE的Texaco水煤漿技術(shù)，荷蘭殼牌Shell粉煤氣化技術(shù)，德國(guó)GSP粉煤氣化技術(shù)，國(guó)內(nèi)如多噴嘴對(duì)置式水煤漿，新型四噴嘴干煤粉加壓氣化，多元料漿技術(shù)和HT－L技術(shù)。在現(xiàn)有已開(kāi)車(chē)工程項(xiàng)目中，氣化島中灰渣水處理單元的管線(xiàn)、閥門(mén)，經(jīng)常由于顆粒固體的淤積而堵塞管道，造成氣化島的工藝波動(dòng)甚至造成不必要的停車(chē)。本文就煤氣化中影響灰渣水處理單元操作的因素進(jìn)行論述。

1 灰渣水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 灰渣水單元設(shè)置的目的

灰水處理單元的作用就是回收廢熱、脫除溶解氣體、分離灰渣、使干凈灰水循環(huán)使用，灰渣及細(xì)灰作為廢料排出單元。

1.2 灰渣水單元流程

以濮陽(yáng)龍宇化工的氣化爐為例，由氣化爐激冷室、碳洗塔底部排出的高溫黑水經(jīng)逐級(jí)減壓閃蒸，溫度降至40～80℃后送入沉降槽內(nèi)，懸浮細(xì)渣在絮凝劑的作用下沉降分離，從底部抽出送往壓濾機(jī)壓濾。沉降后的清液即灰水，大部分加壓后返回氣化系統(tǒng)循環(huán)使用，小部分為了調(diào)節(jié)循環(huán)灰水中的含鹽量和其他離子的濃度作為廢水送出界外。氣化爐撈渣機(jī)分離出的黑水直接送往真空閃蒸罐閃蒸或送往沉降槽沉降分離?；宜W蒸系統(tǒng)一般采用高壓閃蒸配真空閃蒸流程，由于氣化壓力等級(jí)和閃蒸汽用途的各不相同，閃蒸壓力和流程設(shè)置視情況也有差異，在用的有一、二、三、四級(jí)閃蒸流程之分。從渣池?fù)瞥龅拇衷皦簽V機(jī)排出的細(xì)渣由專(zhuān)車(chē)送出界外。

2 灰渣水系統(tǒng)操作中存在問(wèn)題及原因分析

2.1 存在問(wèn)題

①管道、閥門(mén)的堵塞。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，黑水中懸浮的大量煤灰及未反應(yīng)的炭積聚在管壁，達(dá)到一定的厚度后，受流體的沖擊以及開(kāi)停爐時(shí)黑水溫度急劇變化的沖擊而脫落，造成對(duì)管線(xiàn)以及減壓閥的阻塞。同樣真空閃蒸罐頂部冷凝器殼程容易堵塞，這樣會(huì)造成真空閃蒸系統(tǒng)阻力降增大，迫使真空閃蒸罐在超壓狀態(tài)下運(yùn)行。另外運(yùn)行過(guò)程中，由于黑水的硬度較高，造成系統(tǒng)管道結(jié)垢嚴(yán)重，長(zhǎng)期運(yùn)行就會(huì)造成管道阻力增加，嚴(yán)重時(shí)垢片脫落導(dǎo)致管道、閥門(mén)堵塞。

②管道的磨損腐蝕。經(jīng)多次重復(fù)利用的灰水成分十分復(fù)雜，水質(zhì)不斷惡化，氯離子含量逐漸升高，從而導(dǎo)致相應(yīng)管線(xiàn)的材料腐蝕。

2.2 管道、閥門(mén)的堵塞現(xiàn)象及原因

從氣化爐、洗滌塔底部直接排出的黑水含有大量的煤焦和細(xì)渣，細(xì)渣成分一般為 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等。灰分是煤完全燃燒后剩下的殘?jiān)?，這些殘?jiān)鼛缀跞縼?lái)自于煤中的礦物質(zhì)。

在安徽臨泉和河南濮陽(yáng)兩個(gè)HT－L氣化項(xiàng)目中，通過(guò)對(duì)氣化渣水單元進(jìn)行時(shí)間縱向和兩個(gè)項(xiàng)目之間橫向的初步比較，總結(jié)出引起灰渣水系統(tǒng)固體含量高的原因有以下幾點(diǎn):①原料煤的灰分大，產(chǎn)生的固體總量多。②爐溫控制不合理，碳反應(yīng)不完全，導(dǎo)致殘?zhí)几?，增加了固體含量。③原料煤活性差，導(dǎo)致殘?zhí)几摺＂芊勖毫６炔痪鶆?，粒度相差太大，或矸石多含粉大。⑤絮凝劑的選擇或添加不合理，絮凝效果不好，導(dǎo)致灰水的固體含量較高。⑥煤焦的黏結(jié)特性差，形成的固體顆粒粒徑小，導(dǎo)致帶入灰水系統(tǒng)的細(xì)灰增加。

2.3 管道的磨損腐蝕現(xiàn)象及原因

在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)遇到黑水含固量比較高(約30%左右)，整個(gè)系統(tǒng)介質(zhì)對(duì)管道及設(shè)備的磨損比較嚴(yán)重，同時(shí)堵塞也是黑水/灰水處理系統(tǒng)比較顯著的特點(diǎn)，這些問(wèn)題都影響了整個(gè)氣化裝置的順利運(yùn)行。相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研及企業(yè)反饋，黑水/灰水處理系統(tǒng)對(duì)管道的磨蝕現(xiàn)象較為突出。如某廠經(jīng)過(guò)真空閃蒸后黑水介質(zhì)中部分成分含量及pH值、堿度等數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 黑水分析數(shù)據(jù)表

2.3.1 管道磨損原因分析

黑水中固體懸浮物和濁度較高，并為多相流，主要為液固兩相流。多相流中材料的損傷形式主要包括電化學(xué)腐蝕和磨損腐蝕。

①電化學(xué)腐蝕。為了避免煤灰等在管道、設(shè)備內(nèi)沉積發(fā)生堵塞，在通常情況下，若黑水呈弱酸性，可能造成電化學(xué)腐蝕的是黑水中的H2S腐蝕、CO2腐蝕、HCl腐蝕和HCOOH腐蝕等，這些作用再加上磨損作用，對(duì)閥門(mén)的損傷是非常嚴(yán)重的。②磨損腐蝕。黑水流動(dòng)過(guò)程中，由于壓力的突變，在湍流場(chǎng)合，引起的磨損和沖刷現(xiàn)象十分突出。黑水管道的多相流損毀涉及材料學(xué)、電化學(xué)和流體力學(xué)的多學(xué)科交叉，是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式。在壓力、流速?zèng)]有變化或者變化比較平緩時(shí)，主要表現(xiàn)為電化學(xué)腐蝕;在調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)閥后管道、彎頭、閥門(mén)部位，主要表現(xiàn)為沖蝕、氣蝕等磨損腐蝕。

2.3.2 管道磨損部位分析

①?zèng)_蝕磨損。仍以上某廠真閃進(jìn)口為例，黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后，靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，流速急劇增加，流動(dòng)狀態(tài)呈湍流，邊界層或鈍化膜無(wú)法形成或很快被夾帶著SiO2顆粒的高速流體給擊穿。尤其在調(diào)節(jié)閥節(jié)流口，介質(zhì)高速流動(dòng)，具有強(qiáng)大動(dòng)能，它可以很快將閥芯、閥座沖出流線(xiàn)型的細(xì)槽。調(diào)節(jié)閥后球閥的閥芯、閥體及閥后管道也會(huì)遭受?chē)?yán)重的沖刷磨損，而把新鮮的材料表面暴露在腐蝕性流體中進(jìn)一步承受腐蝕和沖蝕。當(dāng)流體流經(jīng)管道轉(zhuǎn)彎處時(shí)，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，彎頭處流線(xiàn)成曲線(xiàn)運(yùn)行，并產(chǎn)生離心力，使流體在彎曲管道內(nèi)的內(nèi)外側(cè)流速發(fā)生變化，類(lèi)似河彎處的水流，使黑水向外側(cè)集中，導(dǎo)致彎頭出口外側(cè)流速大，內(nèi)側(cè)流速小，沖刷腐蝕在調(diào)節(jié)閥后彎頭出口外側(cè)非常激烈，這就是真空閃蒸罐黑水進(jìn)口管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥后彎頭多次出現(xiàn)穿孔的原因。②氣蝕磨損。黑水與金屬構(gòu)件作高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)部壓力不斷地起伏、突變，使得黑水中的蒸汽以及溶于黑水中的氣體在金屬表面反復(fù)出現(xiàn)氣泡形成及潰滅過(guò)程，氣泡在潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的錘擊作用，破壞鈍化膜和膜下金屬，使得在用的閥芯、閥座表面的材料被沖擊成蜂窩狀的小孔。

3 管道堵塞及磨蝕的解決措施

3.1 優(yōu)化布置設(shè)計(jì)，減少固體顆粒堆積，降低磨損

3.1.1 設(shè)備布置設(shè)計(jì)的優(yōu)化

由于氣化排向渣水高閃的黑水含固量較大，因此考慮設(shè)備布置時(shí)，在滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范(如防火規(guī)范)的前提下，應(yīng)考慮此黑水管線(xiàn)的走向和長(zhǎng)度。

3.1.2 工藝及管道布置設(shè)計(jì)的優(yōu)化

3.1.2.1 流速的選擇

管道中含固黑水流速越大，則黑水中的固體顆粒對(duì)管件的內(nèi)壁沖蝕越嚴(yán)重，管道中的黑水流速過(guò)小，固體顆粒又容易沉積在管壁上，形成結(jié)垢層而使得管徑變得越來(lái)越小。因此，選擇合適的管道流速是十分必要的。一般可考慮在流速范圍內(nèi)選取低流速，這樣可以保證管道及管件的長(zhǎng)期安全。

3.1.2.2 管道布置原則

在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，盡可能減少管道的變向、變徑、接頭、分流、合流布置，在需要改變或調(diào)節(jié)處設(shè)置管件和閥門(mén)，管道的匯合或分流處應(yīng)順著流向連接，管道的支吊架應(yīng)布置合理。盡量遵循“步步高”或“步步低”的原則，減少拐彎及“口袋”，減少管道堵塞的幾率。盡可能采用弧度/管徑大的彎頭，避免入射角45°和90°兩種最劇烈的沖蝕磨損。或使用三通作為管路改變的管件。黑水管道在管道布置時(shí)要充分考慮阻塞的問(wèn)題，支管閥門(mén)距主管的管道要盡量短，避免采用彎頭，盡量采用三通加盲板，便于清理。比如對(duì)于氣化爐黑水和碳洗塔黑水同時(shí)進(jìn)高閃需分別設(shè)置管線(xiàn)，這是由于氣化爐與碳洗塔之間存在壓差，如果同時(shí)通過(guò)一根主管通過(guò)減壓閥進(jìn)入高閃，則由于壓差的原因，使得兩個(gè)系統(tǒng)之間的物料相互影響而加劇管道的腐蝕，甚至于引起系統(tǒng)工藝參數(shù)的波動(dòng)。而對(duì)于黑水/灰水系統(tǒng)，重要關(guān)鍵的閥門(mén)，設(shè)備均應(yīng)考慮備用狀況(如減壓角閥、閃蒸換熱器等)。這樣做是為了避免檢修、更換磨損管道和閥門(mén)時(shí)不必要的停車(chē)。如真空閃蒸罐頂部冷凝器容易堵塞，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮管束抽出清理的空間和場(chǎng)地以及吊裝設(shè)備，換熱器避免選用U形管式，否則容易堵塞，清理難度大，選用的換熱器應(yīng)該能保證管程和殼程都容易清洗。可以選用浮頭式的，也可以讓閃蒸汽走管程，便于清洗。

3.1.2.3 管道沖洗水點(diǎn)的設(shè)置

沖洗水點(diǎn)需設(shè)置在容易堵塞管道的黑水管線(xiàn)上。如激冷水管線(xiàn)、過(guò)濾器、文丘里流量計(jì)、沉降槽底流泵等。這幾處在每次開(kāi)停車(chē)時(shí)需重點(diǎn)照顧。

3.1.2.4 材質(zhì)選用

針對(duì)減壓閥后管道、閥門(mén)磨蝕、穿孔問(wèn)題，應(yīng)該將易磨損部位的管道全部采用厚壁管或者加焊耐磨材質(zhì)的形式。

3.2 減少固體顆粒堆積，降低管道磨損

①煤種的選擇:在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，應(yīng)盡量選擇低灰分、低水分、低硫值、高熱值的煤種。我國(guó)大多數(shù)煤中礦物質(zhì)含量較高，全國(guó)原煤平均灰分大多在20%以上，對(duì)煤的合理利用和環(huán)境保護(hù)有極其不利的影響。若不考慮氣化爐的操作狀況，通常煤的灰分大，則后續(xù)渣水處理的負(fù)荷能力就要求高，黑水管線(xiàn)中的固渣含量就高。尤其是氣化爐和洗滌塔分別去高閃的兩股黑水管線(xiàn)，它們是系統(tǒng)中的易堵點(diǎn)。因此，在選擇原料煤時(shí)，應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理考慮煤種的灰分。另外，考慮到工藝操作的穩(wěn)定，煤種應(yīng)盡可能保持一定。

②提高氣化爐內(nèi)炭的轉(zhuǎn)化率，使其渣中殘?zhí)亢勘M可能的低。一般情況下，灰渣殘?zhí)苛亢退急仁菤饣癄t產(chǎn)氣效率的依據(jù)。降低灰渣中的殘?zhí)渴菧p少黑水管線(xiàn)含固量和提高碳轉(zhuǎn)化率的有效方法。

③生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)整:在調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷時(shí)，應(yīng)盡量緩慢調(diào)節(jié)。盡可能減少由于壓力變化極劇而造成黑水對(duì)設(shè)備和管線(xiàn)沖蝕磨損。

④?chē)?yán)格控制出真空閃蒸罐的黑水溫度不能過(guò)高，溫度過(guò)高，不利于黑水固體顆粒的沉降，造成沉降效果差，從而使水系統(tǒng)在循環(huán)時(shí)夾帶大量的固體顆粒，引起設(shè)備、管道的結(jié)垢堵塞。

⑤控制黑水管線(xiàn)一定的流速，防止黑水中懸浮物積聚與沉積，并在每次停車(chē)后對(duì)黑水管線(xiàn)采用沖洗水進(jìn)行沖洗干凈，保證黑水管線(xiàn)的暢通，并在容易堵塞的管道附近都增加了沖洗水管線(xiàn)，并接上快速接頭，便于日后沖洗。

⑥生產(chǎn)過(guò)程中，需隨時(shí)對(duì)廢水分析保持關(guān)注，并依據(jù)報(bào)告，適當(dāng)調(diào)節(jié)絮凝劑和分散劑的加入量及其廢水的外排和水的補(bǔ)充量。并根據(jù)煤種摻燒和石灰石的加入情況，對(duì)絮凝劑進(jìn)行相應(yīng)的選擇實(shí)驗(yàn)。

⑦開(kāi)停車(chē)時(shí)，應(yīng)著重對(duì)黑水管線(xiàn)及其相應(yīng)設(shè)備易堵處沖洗處理。另外，控制室操作人員盡量將黑水閃蒸管道上的自調(diào)閥維持在較大開(kāi)度，防止因開(kāi)度過(guò)小造成閥前堵塞及閥體局部因流速過(guò)大而磨損，對(duì)于一開(kāi)一備的減壓闊閥組要經(jīng)常切換，防止因垢片沉積而堵塞閥門(mén)及管道。

4 結(jié)論

自從2009年至今，在濮陽(yáng)和臨泉兩個(gè)氣化裝置運(yùn)行中對(duì)灰渣水處理單元中影響管道堵塞、磨損等問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和操作改進(jìn)后，有效的減少了管線(xiàn)的堵塞和磨蝕，避免了不必要的停車(chē)，保證了項(xiàng)目裝置長(zhǎng)周期的高負(fù)荷運(yùn)行，為企業(yè)贏得利潤(rùn)空間打下了良好的基礎(chǔ)。