周 鵬，王彥海

（神華包頭煤化工分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

GE水煤漿加壓氣化是20世紀(jì)80年代煤氣化技術(shù)的最新成就，因其工藝流程簡(jiǎn)單、煤種適用性廣、碳轉(zhuǎn)化率高、能耗低等特點(diǎn)而獲得迅速的發(fā)展。神華包頭煤化工分公司共有7臺(tái)氣化爐，5開(kāi)2備，自2011年一直保持5臺(tái)氣化爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)水平，經(jīng)濟(jì)效益顯著。2011年大檢修后，因?yàn)榭刂仆馀潘亢透鼡Q煤種的原因，系統(tǒng)曾出現(xiàn)水質(zhì)變差和結(jié)垢嚴(yán)重的現(xiàn)象。本文針對(duì)氣化系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的結(jié)垢現(xiàn)象進(jìn)行分析探討，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 主要結(jié)垢部位

（1）氣化爐內(nèi)件結(jié)垢嚴(yán)重，下降管和上升管環(huán)隙間結(jié)垢、掛渣嚴(yán)重，見(jiàn)圖1。合成氣進(jìn)入激冷室水浴后偏流嚴(yán)重，氣體阻力大大增加，導(dǎo)致氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中液位不斷上漲，給設(shè)備安全運(yùn)行造成隱患。

（2）氣化爐排黑水管線(xiàn)結(jié)垢嚴(yán)重，垢質(zhì)比較堅(jiān)硬，難以清理，見(jiàn)圖2。

圖1 下降管和上升管垢照

圖2 氣化爐排黑水管線(xiàn)垢照

（3）激冷水管線(xiàn)、激冷水過(guò)濾器、激冷水泵蝸殼結(jié)垢嚴(yán)重，見(jiàn)圖3，導(dǎo)致激冷過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中頻繁切換，切換過(guò)濾器過(guò)程中激冷環(huán)易堵塞，激冷水泵三臺(tái)打量不匹配等，直接影響單爐的運(yùn)行周期。

圖3 激冷水泵蝸殼垢照

（4）洗滌塔內(nèi)件結(jié)垢嚴(yán)重，垢質(zhì)堅(jiān)硬，見(jiàn)圖4。若清理不徹底，在開(kāi)車(chē)過(guò)程中極易堵塞洗滌塔錐底排水管線(xiàn)，延誤氣化爐開(kāi)車(chē)。

圖4 洗滌塔內(nèi)件垢照

（5）除氧器內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重，垢片脫落進(jìn)入高壓灰水泵入口管線(xiàn)，使泵供水不足，被迫停1臺(tái)氣化爐，只能維持4臺(tái)爐運(yùn)行。高壓灰水泵入口過(guò)濾器頻繁切換清理垢片，從過(guò)濾器處清理出的垢塊厚度達(dá)到50mm，見(jiàn)圖5，造成泵打量不足。

圖5 高壓灰水泵進(jìn)口過(guò)濾器處的垢照

由于系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重，激冷水過(guò)濾器頻繁切換，切換過(guò)程易堵塞激冷環(huán)，造成激冷水量下降，導(dǎo)致氣化爐減負(fù)荷；動(dòng)設(shè)備磨損加劇，垢片堵塞葉輪流道，頻繁出現(xiàn)不打量現(xiàn)象。單臺(tái)氣化爐的運(yùn)行周期由以前3個(gè)月，縮短到不到2個(gè)月，繼續(xù)惡化有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停車(chē)。

2 結(jié)垢機(jī)理

2.1 碳酸鹽結(jié)垢的機(jī)理

煤漿在燃燒室發(fā)生燃燒及裂解等反應(yīng)，生成的工藝氣含有大量的CO2，CO2溶于水相形成，由于不穩(wěn)定，在水溫變化后，又生成，與黑水中的Ca2＋、Mg2＋等離子形成CaCO3、MgCO3而析出，從而附著在管壁上形成垢。

堿性條件下，pH越高，形成碳酸鹽的幾率就越大。

在德士古水系統(tǒng)中，結(jié)垢主要是水中溶解度極小的MgCO3和CaCO3，25℃時(shí)兩種物質(zhì)的溶度積分別為1×10－5和4.8×10－9，溶解度分別為3.162×10－3mol／L和 6.928×10－5mol／L，二者混合后的飽和水溶液硬度（以CaCO3計(jì)）為323.128mg／L，此數(shù)據(jù)即為以 MgCO3和 CaCO3為垢的水溶液臨界硬度。當(dāng)Ca2＋、Mg2＋的濃度大于323.128mg／L（25℃），且水中有超過(guò)這一濃度的時(shí)，就會(huì)結(jié)垢。而且CaCO3的溶解度隨溫度的升高而降低，溫度升高臨界硬度會(huì)更低。

2.2 硅酸鹽結(jié)垢機(jī)理

反應(yīng)介質(zhì)內(nèi)酸性物質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)硅酸鹽垢。氣化爐激冷室的水相中一般存在若干種酸性物質(zhì)，按照酸性強(qiáng)弱順序，依次為氯化氫（HCl）、甲酸（HCOOH）、碳酸（H2CO3）、硫化氫（H2S）。由于原煤中含有Cl－、SiO2，以及煤漿燃燒、裂解反應(yīng)后產(chǎn)生CO、CO2、H2S等氣體，在氣化爐高溫氣化或激冷條件下，一般有如下反應(yīng)發(fā)生：

因此，氣化爐內(nèi)的黑水具有強(qiáng)烈的酸性。原煤中硫含量、硅含量增加，都會(huì)導(dǎo)致氣化爐黑水酸性進(jìn)一步增強(qiáng)。SiO2在水中隨pH值不同存在下列反應(yīng)中的某些反應(yīng)：

在pH≥3時(shí)，反應(yīng)（2）、（3）占主導(dǎo)，當(dāng)pH在8～9時(shí)，這種縮合能力達(dá)到最大程度。氣化爐系統(tǒng)內(nèi)pH是不斷變化的，氣化爐pH較低，一般pH在5.0～7.0之間。從氣化爐出來(lái)的水pH一路走高，灰水槽的灰水pH一般在7.5～8.5之間。在氣化黑水系統(tǒng)中，pH越低，硅酸越易形成。硅酸不穩(wěn)定，隨著pH升高，硅酸通過(guò)縮合形成多聚硅酸，并會(huì)進(jìn)一步縮合成硬垢。

因此，在較強(qiáng)酸性條件下，原煤中大量的鈣、鎂、鐵、鋁離子也會(huì)促進(jìn)各種硅酸鹽晶體聚合物沉淀析出，附著在管道內(nèi)壁，導(dǎo)致結(jié)垢加劇。

3 結(jié)垢原因分析

3.1 垢樣分析

取激冷環(huán)、真閃罐及高壓灰水泵垢樣分析，見(jiàn)表1。

由表1可以看出，氣化裝置水系統(tǒng)不同部位垢樣的組成有所差異，主要成分為硅酸鋁、硅酸鈣、硅酸鐵、硅酸鎂、碳酸鈣、碳酸鎂、氧化鐵。氣化爐激冷室與真閃垢樣相比，硅垢占比例大，碳酸鹽垢的比例小，鐵垢的比例也小。而除氧器內(nèi)垢樣主要是碳酸鈣。由于氣化水系統(tǒng)不同部位水的成分及pH值有差異，導(dǎo)致不同部位生成垢的成分也有差異。

表1 氣化垢樣分析（2011年10月17日） %

3.2 結(jié)垢原因分析

3.2.1 水質(zhì)嚴(yán)重惡化

氣化裝置大檢修后，外排水量一直控制在180m3／h左右，遠(yuǎn)低于大檢修前的排水量260m3／h。氣化裝置低壓灰水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，對(duì)比大檢修前后的灰水分析數(shù)據(jù)，檢修后電導(dǎo)率偏高，鈣離子、硬度一直在高位運(yùn)行。通常電導(dǎo)率控制在2000～5000μS／cm，電導(dǎo)率表征的是水中含鹽量的多少，檢修后測(cè)得電導(dǎo)率在5000μS／cm以上，達(dá)到甚至超過(guò)了控制指標(biāo)上限，表明灰水含鹽量很高，水質(zhì)惡化?；宜锈}離子、硬度是氣化運(yùn)行中水質(zhì)結(jié)垢傾向的二個(gè)重要表征指標(biāo)（硬度是指水中鈣、鎂離子二種成垢離子的總量），檢修前硬度小于1300mg／L，檢修后基本大于1600mg／L并持續(xù)高位運(yùn)行。鈣、鎂離子是灰水中成垢的主要離子，在運(yùn)行過(guò)程中，由于高溫、高壓，極易與水中的碳酸根形成碳酸鈣、碳酸鎂垢。近期長(zhǎng)時(shí)間的高鈣、高硬運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)垢加劇?；宜谐晒傅奶妓徕}、碳酸鎂還會(huì)成為硅垢沉積的晶核，進(jìn)一步加劇硅垢沉積。堿度是指水中能與酸性物質(zhì)反應(yīng)的物質(zhì)的總和。在灰水pH值（7～9）條件下，主要是指碳酸根和碳酸氫根。堿度越高，與灰水中鈣、鎂離子生成碳酸鹽沉淀的可能性越大。氣化對(duì)堿度的要求一般小于500mg／L，檢修后堿度比檢修前也有一定的上升。

所以，水質(zhì)惡化是氣化系統(tǒng)結(jié)垢的根本原因，要想延緩系統(tǒng)結(jié)垢，要盡快解決氣化外排水問(wèn)題。

表2 氣化灰水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

3.2.2 煤中硫的影響

2011檢修后，氣化原料煤由補(bǔ)連塔煤改為上灣煤。3月份分析補(bǔ)連塔煤45次，硫含量最高0.77%，最低0.34%，平均0.46%。9月份分析上灣煤69次，硫含量最高0.86%，最低0.46%，平均0.65%。煤質(zhì)分析結(jié)果說(shuō)明上灣煤比補(bǔ)連塔煤硫含量平均值高0.19%。

氣化爐爐內(nèi)黑水通常都具有較強(qiáng)的酸性，原煤中硫含量增加，會(huì)導(dǎo)致氣化爐黑水酸性進(jìn)一步增強(qiáng)，在酸性條件下，原煤中大量的鈣、鎂、鐵、鋁離子也會(huì)促進(jìn)各種硅酸鹽晶體聚合物沉淀析出，對(duì)系統(tǒng)結(jié)垢加劇有一定影響。

4 采取的改進(jìn)措施

4.1 保證系統(tǒng)外排水量

最有效的改進(jìn)措施是加大氣化外排污水流量，適當(dāng)向除氧器補(bǔ)充部分脫鹽水，逐步改善氣化系統(tǒng)水質(zhì)狀況。降系統(tǒng)灰水濃縮倍數(shù)，使硬度、電導(dǎo)率、堿度、溶解物、甲酸等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，是延緩系統(tǒng)結(jié)垢最為有效的方法。將外排水流量增加50～80m3／h，可逐漸將外排水硬度降到1100～1300mg／L，電導(dǎo)率降到小于4700μS／cm，溶解物降到小于2000～2300mg／L。

4.2 優(yōu)化操作

（1）適當(dāng)加大單臺(tái)氣化爐的水循環(huán)量，激冷水流量控制在400～415m3／h，氣化爐排水量控制在180～200m3／h，洗滌塔排水量控制在50m3／h，保證洗滌塔進(jìn)水流量在170～190m3／h，改善氣化爐、洗滌塔水質(zhì)，延緩激冷水管線(xiàn)和氣化爐內(nèi)的結(jié)垢。

（2）氣化爐停車(chē)后適當(dāng)延長(zhǎng)保壓水循環(huán)時(shí)間，置換改善單爐循環(huán)水質(zhì)，可降低再次投料后管線(xiàn)堵塞的幾率。

4.3 加強(qiáng)水質(zhì)管理

（1）根據(jù)低壓灰水懸浮物的含量，及時(shí)調(diào)整絮凝劑的加入量，控制低壓灰水的懸浮物小于50×10－6。

（2）由于水質(zhì)惡化，分散劑加入量由原來(lái)的每天3t增加到4t，增加分散劑，緩解系統(tǒng)結(jié)垢。由于除氧器結(jié)垢嚴(yán)重，對(duì)分散劑加入點(diǎn)的添加量、比例進(jìn)行調(diào)整，低壓灰水泵進(jìn)口與高壓灰水泵進(jìn)口分散劑加入比例由原來(lái)的3∶7調(diào)整為7∶3。

（3）加大絮凝劑泵、分散劑泵入口過(guò)濾器的清理頻次，保證藥劑加入量穩(wěn)定。

4.4 建立完善水質(zhì)指標(biāo)管理體系

（1）為了掌握系統(tǒng)灰水水質(zhì)變化，僅分析pH值、COD和氨氮指標(biāo)是不夠的，還要增加分析項(xiàng)目和分析頻次。需要增加Ca2＋、Mg2＋、Cl－、堿度、總硬度、電導(dǎo)率、懸浮物、溶解物、甲酸等指標(biāo)。

（2）增加氣化爐、洗滌塔、閃蒸系統(tǒng)黑水，除氧器灰水水質(zhì)分析。增加煤渣成分分析及原煤的元素分析，全面掌握系統(tǒng)水質(zhì)的變化情況，及時(shí)調(diào)整藥劑加入量或排水量，適時(shí)控制系統(tǒng)水質(zhì)。

4.5 調(diào)整藥劑配方

調(diào)整分散劑的配方，來(lái)改變藥劑的藥效，延緩系統(tǒng)結(jié)垢。分散劑廠家已研究、調(diào)整分散劑配方，以適合高鈣、高硬、高硅運(yùn)行水質(zhì)，同時(shí)還要提高分散劑在250℃高溫水系統(tǒng)的阻垢性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上的處理措施，系統(tǒng)的結(jié)垢問(wèn)題得到有效緩解，各部位的結(jié)垢現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，保證了氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行。