五環爐煤氣化裝置黑水系統問題及處理

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(河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司，河南 洛陽 471100)

河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司20萬t/a乙二醇項目，其煤氣化裝置采用的是中國五環工程有限公司與河南能源化工集團共同合作開發的五環爐煤氣化工藝技術，其主要任務是以煤為原料生產粗合成氣，設計碳轉化率高于98%。粗合成氣以CO+H2為主要成分，干氣組分可達87%。

黑水處理系統是五環爐煤氣化工藝中最后一步，也是最重要的環節。該步驟主要是將合成氣洗滌廢水和液渣水浴后的廢水，回收并重新循環使用，保證粗合成氣質量合格。因此，黑水處理系統能否高效、穩定運行，制約著煤氣化生產的穩定和長周期運行。經過幾次試車，黑水處理系統出現的問題和應對措施的效果，筆者作出簡要概括和總結，以便相互借鑒和學習。

1 黑水處理系統工藝流程

黑水處理系統是將來自激冷罐、濕洗塔和除渣系統的廢水和系統的雨水污水等回收處理再循環利用的水處理系統。黑水處理系統分為3部分：①回收來自激冷罐、濕洗塔和除渣系統的廢水和系統的雨水污水等，統稱為黑水；②將回收的黑水通過三級閃蒸單元，閃蒸分離出其中的酸性氣體，如H2S、NH3、HCN等，送至后續硫回收工序，同時回收利用黑水閃蒸釋放的熱量；③將三級閃蒸后的黑水送至澄清槽，加入絮凝劑，使黑水中固體懸浮物濃縮、聚集、自然沉淀至澄清槽底部，最后通過真空帶式過濾機形成濾餅送至界外，而上部較干凈的水從澄清槽頂部自然溢流到灰水槽，分配到其他系統循環利用。

黑水處理系統的主要目的有以下4點：①洗滌合成氣，液渣水浴冷卻，回收各系統產生的廢水；②三級閃蒸初步處理黑水。閃蒸出黑水中的酸性氣體，回收黑水熱量；③通過澄清、增濃操作進行水固分離，灰水回收循環使用，渣泥抽濾后送界外；④為維持系統水質，外排灰水同時補入新鮮水。

黑水處理系統主要分為3個單元，分別為濕洗單元、三級閃蒸單元和黑水處理單元。

1.1 濕洗單元工藝流程

濕洗單元主要由激冷罐和洗滌塔組成。首先，是將粗合成氣經激冷罐初步洗滌除灰；然后，再經過文丘里洗滌器洗滌和降溫，與適量的堿液混合后進入濕洗塔，一方面除去合成氣中的細灰，另一方面中和了酸性氣體；最后，進入濕洗塔的粗合成氣自下而上與塔板上的高壓灰水、變換冷凝液和高壓工藝水分別接觸洗滌后，分為兩路，一路經過低壓廢熱鍋爐換熱后去合成氣壓縮機，作為氣化爐激冷氣，另一路去洗滌除灰塔，再次洗滌后送至后序變換工序。

1.2 三級閃蒸單元工藝流程

來自激冷罐、濕洗塔和除渣系統的3.8MPa高壓廢水，經特制角閥瞬間閃蒸進入中壓閃蒸罐，中壓閃蒸罐設計壓力為0.6MPa，閃蒸氣經減濕器與循環灰水換熱后，一部分不凝氣經中壓閃蒸氣冷卻器冷卻至90℃后進入中壓氣液分液罐氣液分離，氣體部分送至界外硫回收裝置或送至酸火炬焚燒，液體部分進入除氧器循環再利用；另一部分成為灰水經減濕器底部泵送至激冷罐，用來洗滌粗合成氣。

中壓閃蒸罐產生的黑水再經特制角閥二次瞬間閃蒸進入低壓閃蒸罐，低壓閃蒸罐設計壓力為0.25MPa，低壓閃蒸汽去除氧器回收熱量，閃蒸黑水和來自除渣系統的渣水分別進入真空閃蒸罐進行三次瞬間閃蒸，即真空閃蒸，真空閃蒸罐壓力為-0.05MPa，由真空泵維持其負壓。其中，一部分閃蒸汽經過真空閃蒸汽冷卻器冷卻為60℃的氣液混合物至真空氣液分離罐氣固分離，氣體與真空閃蒸汽冷卻器產生的不凝氣通過真空泵排至大氣，液體經真空閃蒸冷凝液泵送至除氧器循環利用，另一部分閃蒸黑水經真空閃蒸罐水冷卻器降溫到50℃左右，由泵打入澄清槽。

1.3 黑水處理單元工藝流程

經三級閃蒸單元初步處理后的黑水，加入適量絮凝劑混合攪拌后進入澄清槽，在絮凝作用下，黑水中細小固體顆粒聚集，并在重力作用下自然沉降，當澄清槽內固體濃度達到約10%(w)時，泥漿經泵打入灰漿貯槽再次提濃約至30%(w)，再經灰漿槽底流泵送到真空帶式過濾機吸附過濾掉水分，形成濾餅排出界外，而濾液經收集后用濾液泵送回澄清槽。

澄清槽澄清后的上清液溢流進入灰水槽，經泵送至其他系統循環利用。為了防止氯離子等物質的累積腐蝕管道，同時也保證水質(固含量<100mg/kg)，部分灰水外排到后序水處理廠。黑水處理系統工藝流程見圖1。

圖1 黑水處理系統工藝流程注：1—中壓閃蒸罐；2—低壓閃蒸罐；3—真空閃蒸罐；4—真空氣液分離罐；5—澄清槽；6—灰水槽；7—減濕器；8—中壓氣液分液罐；9—除氧器；10—濕洗塔；11—激冷罐；12—真空閃蒸灰水泵；13—真空閃蒸冷凝液泵；14—低壓灰水泵；15—高壓灰水泵；16—除氧水泵；17—洗滌塔循環水泵

2 黑水處理系統出現的問題及處理措施

2.1 濕洗塔塔盤壓差高

(1)濕洗塔塔盤壓差高的現象如下：濕洗塔為塔盤式，自上而下共有4層塔盤。運行過程中，塔盤壓差從2kPa不斷上漲至10kPa后發生液泛，液位波動大，造成合成氣帶水嚴重，被迫停車。檢修后發現主要結垢位置為第3層塔盤和第4層塔盤，結垢為暗白色細灰，厚度約為2～3mm。

(2)濕洗塔塔盤壓差高的原因如下：①加堿位置影響到了濕洗塔的操作；②塔盤阻力大，需提高透氣率；③合成氣洗滌除灰效果差;④煤種灰分含量高。

(3)濕洗塔塔盤壓差高的處理措施如下：①改變加堿位置。實際生產中，原有的加堿位置有兩處，分別為文丘里洗滌器和高壓灰水管線。工藝優化：將液堿進入高壓灰水管線的閥門關閉，堿進入文丘里洗滌器的閥門保持暢通；②塔盤改造。對濕洗塔塔盤第3層和第4層進行了改造，提高透氣率。整個固閥閥帽向上提高1～2mm。塔盤整體透氣率從10%提高到21%；③煤種選擇。控制煤種灰分含量，選擇灰分含量小于15%煤種，以便于降低合成氣帶灰量，也有利于氣化爐通道通暢，能夠長周期運行；④合成氣潤濕管線技改。合成氣管線加裝兩組噴嘴環，介質來自高壓灰水泵出口，一個噴嘴環管對應3個噴嘴環，噴嘴環管設計DN80，3條支管設計DN50，分別設計在激冷罐合成氣出口管線1m處和濕洗塔合成氣出口管線約3m處。開車運行時管線手閥全開，保證總流量10m3/h以上。

再次開車運行過程中，壓差穩定在3～4kPa。在后期技改中，取消了堿液的添加，改造了高壓灰水在濕洗塔的分布，開車運行后未發生液泛和合成氣帶水嚴重等問題，并有效地降低了合成氣中灰含量，保證了系統的穩定長周期運行。

2.2 角閥緩沖罐振動

(1)角閥緩沖罐振動的現象如下：系統運行期間，角閥緩沖罐振動較大，導致角閥開度波動大，影響黑水處理系統的穩定運行。

(2)角閥緩沖罐振動的原因如下：黑水角閥前后壓差大。氣化爐壓力為3.7～3.8MPa，中壓閃蒸罐一般壓力為0.6MPa，壓差高達3.0MPa以上，高壓黑水通過角閥緩沖罐時，大量黑水瞬間汽化膨脹，對角閥緩沖罐產生了極大的沖擊作用，造成持續振動。

(3)角閥緩沖罐振動的處理措施如下：在角閥緩沖罐底部加枕木，同時根據角閥緩沖罐振動幅度，保證枕木與角閥緩存罐底部留有約10mm間距。再次開車運行過程中，角閥緩沖罐振動得到有效的緩解，保證了角閥動作的穩定性，黑水系統能夠穩定運行。

2.3 角閥緩沖罐內襯脫落

(1)角閥緩沖罐內襯脫落的現象如下：停車檢修期間，發現角閥緩沖罐內襯脫落，造成系統緩沖罐底錐堵，為清理工作帶來較大困難。

(2)角閥緩沖罐內襯脫落的原因如下：由于系統介質為高腐蝕高沖刷的黑水，為減少介質腐蝕和磨損，角閥緩沖罐內襯設計為陶瓷。但由于角閥緩沖罐頻繁振動和系統黑水流量不穩定，造成陶瓷震碎，部分脫落。

(3)角閥緩沖罐內襯脫落的處理措施如下：①更換緩沖罐襯里材質。將緩沖罐襯里由原來的陶瓷改為Cr20耐磨鑄鋼堆焊作為襯里，Cr20耐磨鑄鋼雖然耐磨性能不如陶瓷內襯，但具有較強的抗沖擊性；②操作優化。規范操作規程，嚴格控制工藝指標，精心操作，保證工況穩定運行，避免黑水角閥大幅開關造成系統黑水流量不穩定。再次開車運行后，停車檢修角閥緩沖罐未發現內襯碎裂和脫落情況[1]。

2.4 灰水水質問題

(1)灰水水質出現的問題如下：系統運行過程中，分析灰水水質發現水濁度高達200～300NTU，設計小于100NTU。灰水水質濁度高，對系統的主要影響有：①磨損管道。灰水濁度高對管線沖刷作用強烈，造成管線磨損嚴重，容易發生泄漏；②堵塞管道。在彎頭和盲區處容易結垢發生堵塞，如取壓管、導淋等；③對泵穩定運行影響較大。泵前過濾器容易堵塞，葉輪容易磨損；④合成氣細灰除灰效果差。影響后序系統的穩定運行，同時，也影響壓縮機的穩定運行；⑤增加分散劑消耗量。由于濁度高，為防止水中顆粒的沉降和凝聚，對系統管道造成堵塞，則需要適當增加分散劑使用量；⑥容易發生環保事故。加大水處理廠負擔，就容易造成污水排放超標，造成環保事故。

(2)灰水水質出現的原因如下：①煤質灰分高；②絮凝劑不合適。

(3)灰水水質問題的處理措施如下：①加強煤質管理。選擇灰分含量小于15%的煤，并保證煤質變化小；②絮凝劑廠家配合，選擇合適型號的絮凝劑，根據分析結果調整絮凝劑使用量。現開車過程中，使用常州中南化工有限公司提供的4240型絮凝劑，消耗量37.5kg/d，濁度穩定在50～80NTU。

2.5 三級閃蒸單元工況波動

(1)三級閃蒸單元工況波動的現象如下：氣化爐點火成功后，隨著氣化爐壓力和溫度的提高，三級閃蒸單元液位忽高忽低，整個黑水處理系統出現了工況大幅度波動的問題。

(2)三級閃蒸單元工況波動的原因如下：氣化爐點火成功后，氣化爐壓力和溫度的快速變化，導致三級閃蒸單元水氣平衡被破壞，液位忽高忽低，造成角閥頻繁地大幅度波動，最終導致整個黑水處理系統出現了工況大幅度波動。

(3)三級閃蒸單元工況波動的處理措施如下：①氣化爐投煤點火前，暫時解除激冷罐和濕洗塔液位低低聯鎖，激冷罐液位保持在20%，濕洗塔液位保持在30%，投煤后，逐步提升至正常液位，待液位穩定后恢復聯鎖；②三級閃蒸單元罐液位均控制在55%，投自動控制；③操作工精心操作，發現問題及時匯報和調整，保證系統穩定運行。在以后開車過程中，三級閃蒸單元液位穩定提升，工況穩定。

3 黑水處理系統優化方案

3.1 濕洗塔操作優化

在正常負荷下，保持高壓灰水進入濕洗塔在約200m3/h，提高對合成氣的洗滌沖洗效果。高壓工藝水在開車時維持在30m3/h，投用變換冷凝液后，高壓工藝水的減少量在8～10m3/h，保持對第1層和第2層塔板的沖洗及合成氣的洗滌。

濕洗塔具體工藝指標控制：①開車時高壓工藝水補充量為30m3/h，投用變換冷凝液后為20m3/h；②高壓灰水進濕洗塔流量控制在180～210m3/h；③濕洗塔底部管線去中壓閃蒸罐流量控制在80m3/h；④ 激冷罐至中壓閃蒸罐流量在100m3/h以上(若流量低于100m3/h，則適當調大角閥，恢復流量)。

3.2 三級閃蒸單元操作優化

開車過程中，當氣化爐壓力在0～0.6MPa時，打開激冷罐側面和底部至真空閃蒸罐的現場手閥；當氣化爐壓力大于0.6MPa時，打開側面去中壓閃蒸罐的閥門。開車后，建立系統壓力和液位正常。氣化爐停車過程中，在3次充泄壓過程中，氣化爐壓力要保持在0.2MPa左右，保證充泄壓置換時間在8h左右，激冷罐和濕洗塔要用大流量進行沖洗，保證激冷罐和濕洗塔內部的黑水置換完全。

具體工藝指標控制：①中壓閃蒸罐壓力控制在0.6MPa，液位55%；②低壓閃蒸罐壓力控制在0.25MPa，液位55%；③真空閃蒸罐壓力控制在-0.05MPa，液位55%。

3.3 黑水處理單元操作優化

絮凝劑和分散劑添加量根據黑水系統指標進行調整，配置絮凝劑時，12.5kg藥劑和10t水均勻混合溶解，現場液位計從最低1m開始配料，配置到3.3m左右，攪拌速度不宜過快，藥劑添加同時且將泵轉速調整到最慢。根據煤種變化，按照經驗提前調整絮凝劑泵行程。

具體工藝指標控制：①低壓灰水泵外排污水流量100m3/h左右，根據灰水罐液位適時調整；②黑水至澄清槽溫度控制范圍40～60℃之間；③氨氮≤150mg/L；COD<500mg/L；固含量<1 000mg/L；總硬度<500mg/L；總堿<1 000mg/L；pH值為5～9；濁度控制范圍<100NTU。

4 結語

從生產實際出發，對五環爐黑水系統運行時出現的濕洗塔塔盤壓差高、黑水角閥緩沖罐振動及內襯脫落、黑水水質不達標和開車初期系統工況大幅波動等問題進行了原因分析，并提出了相應解決措施，經過嚴格控制各項工藝指標，精心操作，不斷積累經驗，根據實際出現的問題，分析并不斷優化改進措施，目前五環爐已實現連續穩定運行130d以上，創造出可觀經濟效益。