王學虎

(國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014000)

0 引 言

國能包頭煤化工有限責任公司(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條件下進行部分氧化反應，生成以CO、H2、CO2為主要成分的粗煤氣，粗煤氣經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)；氣化裝置設置7臺氣化爐(五開兩備)，單爐投煤量1 500 t/d(干煤)，滿負荷有效氣產量為530 000 m3/h。

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

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入閃蒸系統(tǒng)，首先經過高壓閃蒸解吸出大量的酸性氣，同時黑水被濃縮并降溫，高閃氣經洗滌塔給水泵來水換熱冷卻后依次進入最終冷卻器、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，同時黑水被濃縮并降溫，真閃氣經冷凝分離得到的凝液送沉降槽；經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，經絮凝、沉降，黑水中的固體顆粒凝結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)溢流進入溢流堰，然后從溢流堰進入灰水槽得以收集；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的積累，從1#灰水槽用外排水泵抽一部分灰水(約320 t/h)經廢水換熱器(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)的運行狀況

(1)沉降槽、灰水槽徹底清理后重新注入新鮮水，投運初期狀況良好，但一段時間后，系統(tǒng)運行狀況開始惡化，沉降槽內壁掛垢嚴重，垢片脫落導致底流泵入口堵塞，需要頻繁倒泵，導致大量灰漿在沉降槽積累，沉降槽黑水沉降效果變差；同時，溢流堰內的灰垢也明顯增多、增厚，使得沉降槽內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)嚴重堵塞，低壓灰水補水困難，只能通過開低壓灰水進箱體手閥維持除氧器的液位，導致低閃氣與低壓灰水的換熱效果變差，嚴重影響灰水的除氧效果；同時低壓閃蒸罐內壓力高，閃蒸系統(tǒng)熱負荷大，導致系統(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。實際生產中，由于灰水水質差，且廢水在冷卻器內部停留時間較長，廢水冷卻器管程結垢速率快，管程結垢堵塞嚴重，運行一段時間后外排水流量很難滿足工藝要求，廢水冷卻器運行周期短(平均只有30～40 d)，運行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，清洗難度大且耗時長，若短時間內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)內進一步濃縮，其硬度、電導率、堿度、懸浮物含量、溶解性總固含量等指標超標，加速系統(tǒng)結垢，嚴重制約氣化裝置的長周期運行。例如，2020年4月16日廢水冷卻器(123E004A)管程清洗完畢后投運，外排水流量為304.91 t/h，運行21 d后外排水流量降至190.52 t/h，遠低于工藝控制指標，灰水水質不斷惡化，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)，進水封頭側有大量垢片堆積，進水口堵塞嚴重，管程也存在不同程度的結垢堵塞。

(4)低壓灰水泵[原始設計低壓灰水泵為4臺，后增加了3臺低壓灰水泵(A/B/C)，正常生產時四開三備]入口管線結垢堵塞，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垢嚴重，鎖斗沖洗水罐補水困難，導致鎖斗沖洗水罐補水時間加長，鎖斗程序模式下被迫通過延長收渣時間來緩解補水困難問題，更有甚者鎖斗無法在程序模式下運行，只能手動操作，影響鎖斗的穩(wěn)定運行，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)隙存在嚴重的結垢、掛渣現(xiàn)象，導致粗煤氣進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，不利于指導氣化爐的穩(wěn)定操作；同時，激冷水管線、激冷水過濾器結垢嚴重，造成激冷水流量下降，被迫減負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，嚴重時下降管出現(xiàn)干區(qū)，存在下降管被燒穿的風險。

3 灰水系統(tǒng)結垢原因分析

(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，當鈣硬度(以CaCO3計)與總堿度(以CaCO3計)之和大于一定指標時，阻垢分散劑的阻垢性能下降明顯。

(3)系統(tǒng)外排水量小，補入新鮮水、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，灰水存在嚴重的結垢傾向。

(4)系統(tǒng)水循環(huán)量發(fā)生改變時，絮凝劑、阻垢分散劑的添加調整不及時，造成灰水系統(tǒng)藥劑添加量與灰水處理量不匹配，達不到阻垢分散要求，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)，正常生產時無法進行在線隔離檢修清洗，只有在大檢修時才具備清洗條件，是制約氣化裝置長周期運行的關鍵因素，欲延長檢修周期勢必要延長低壓灰水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行周期。針對低壓灰水系統(tǒng)存在的問題，經可行性分析，包頭煤化決定對氣化裝置外管廊低壓灰水管線進行配管改造，即新增低壓灰水泵進口總管以實現(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1臺球閥(靠近低壓灰水泵)。

圖1 低壓灰水泵進口管線改造示意圖

灰水系統(tǒng)增設備用總管后，灰水槽出口到低壓灰水泵入口管線實現(xiàn)一用一備，低壓灰水泵入口管線可實現(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，便于增加臨時盲板。

4.1.3 除氧器補水配置備用管線

新低壓灰水泵(A/B/C)出口配置除氧器補水備用管線，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水管線，如此一來，其中任何一路低壓灰水總管結垢嚴重時可以在線切出清洗，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行中存在的問題，決定先行對123E004B封頭結構實施改造：進水側封頭內擋板由3層縮減為1層，進水遠端封頭內擋板割除，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分別運行一段時間后外排水流量及進出口溫差的對比見表1?？梢钥闯觯航涍^123E004A換熱后的外排水流量下降速率為5.66 t/h，經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進出口溫差小于123E004A進出口溫差(123E004B的進出口溫差雖然小，但同樣可以滿足換熱要求)，但同樣的運行周期，123E004B進出口溫差的下降速率小于123E004A。由此可以得出結論，技改后的123E004B管程結垢速率低于未技改的123E004A，123E004B的運行周期會更長，更有利于氣化裝置的穩(wěn)定、高效運行。

表1 2臺廢水冷卻器外排水流量及進出口溫差的對比

4.3 加強原料煤煤質管理

生產中嚴格控制氣化原料煤主要分析指標在設計指標范圍內——灰分≤15%、內水<8%、粒度≤10 mm、灰熔點≤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)結垢速率；嚴格每日原料煤取樣分析，依據(jù)分析數(shù)據(jù)調整制漿系統(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以改善氣化原料煤的粘溫特性，適當降低原料煤的灰熔點，進而降低氣化爐的操作溫度，降低灰水系統(tǒng)處理負荷。

4.4 優(yōu)選氣化灰水系統(tǒng)藥劑并加強管理

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的阻垢分散劑[固含量≥30%(質量分數(shù))，密度≥1 100 kg/m3，pH=2.0～3.0]，在7#鎖斗沖洗水罐補水管線4樓短節(jié)處進行結垢情況試驗：5月19日打開短節(jié)查看補水管線時有約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的阻垢分散劑；2020年6月2日，再次打開短節(jié)查看，補水管線未見明顯結垢。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?？梢钥闯?，試用新阻垢分散劑后，系統(tǒng)外排水總磷酸鹽、正磷酸鹽、pH等指標變化明顯，一定程度上減緩了灰水系統(tǒng)的結垢速率。

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、電導率在 2 000～4 000 μS/cm、硬度<1 600 mg/L。

4.4.2 調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)的實際運行狀況。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，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垢速率測試掛片，定期觀察掛片的結垢情況，以監(jiān)控灰水系統(tǒng)的運行狀況。

4.5 嚴格灰水水質管理

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)；嚴格執(zhí)行絮凝劑配制管理，據(jù)沉降槽導淋取樣分析數(shù)據(jù)調整絮凝劑的添加量，及時依據(jù)系統(tǒng)負荷調整水處理劑的加入量，并做好灰水水質分析數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

5 結束語

包頭煤化針對氣化裝置灰水系統(tǒng)運行中存在的問題，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，其換熱效果能達到預期要求，運行周期由約30 d延長至90 d，且運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)實施的優(yōu)化技改是有效的，切實起到了控制灰水系統(tǒng)結垢速率的作用，保障了灰水系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，助力了氣化裝置的長周期、經濟運行。