渣脫水罐環(huán)管結垢原因及對策

周建欣

(中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086)

中海油惠州石化有限公司(簡稱惠州石化)煤制氫氣化裝置渣水系統(tǒng)通過渣脫水罐進行粗渣和水的分離。運行中，來自氣化爐激冷室的渣和渣水一起送到渣水粗分單元，大約90%的渣水直接回到沉降槽，剩余的渣水和粗渣一起進入渣脫水罐。之后，渣中的水通過過濾元件排入脫水環(huán)管，進而流入渣水緩沖罐。渣水緩沖罐中的水大部分送至在注水步驟的渣脫水罐，小部分送到沉降槽中進一步沉降，沉降槽中的溢流水流入渣水罐中，通過泵送到氣化爐激冷室循環(huán)使用。渣脫水罐脫水后的粗渣送出氣化裝置。渣水系統(tǒng)在渣水緩沖罐底泵入口和沉降槽溢流水中注入阻垢劑，緩解系統(tǒng)結垢。渣水系統(tǒng)流程示意簡圖見圖1。

圖1 渣水系統(tǒng)流程簡圖

1 渣脫水罐運行狀況

國內氣化裝置的灰水系統(tǒng)普遍存在容易結垢的問題，并且大多采用化學藥劑來阻止灰水系統(tǒng)結垢[1-4]?；葜菔褐茪溲b置3臺氣化爐共用1套渣水處理系統(tǒng)。渣水系統(tǒng)運行過程中，渣脫水罐出現(xiàn)了結垢嚴重的問題，主要體現(xiàn)在渣脫水罐的過濾元件和脫水環(huán)管處。其中渣脫水罐脫水環(huán)管在運行7 d后，環(huán)管的直徑就會因結垢減小20～60 mm(見圖2)，造成渣脫水罐排水效果變差，渣脫水罐的脫水時間由設計的4～6 h延長到36 h以上。粗渣中的水含量升高較多，呈現(xiàn)水渣現(xiàn)象，不但影響渣的排放和輸送，也對渣場的環(huán)境造成不利影響。渣脫水罐脫水和排渣困難，更是直接影響氣化爐的穩(wěn)定運行。

圖2 渣脫水罐環(huán)管結垢

2 原因分析

2.1 結垢及阻垢原理

惠州石化煤氣化裝置渣水具有硬度高、堿度高和懸浮物含量高的特點，渣水中鈣鎂離子容易水解生成碳酸鈣和碳酸鎂，附著在渣水中的懸浮物顆粒上，形成固體晶粒。固體晶粒又起到了結晶種子的作用，促使固體顆粒變大，最終形成鈣鎂離子為主的沉淀物，附著在管道的內部。渣脫水罐脫水環(huán)管與渣水的接觸時間較長，渣水中固含量高，水的硬度、堿度高，使得環(huán)管內容易結垢。渣水的水質分析結果見表1。

由表1可知:煤氣化的渣水中堿度和硬度偏高，這是渣水管線存在結垢的根本原因。

表1 渣水的水質分析

灰水中加入的阻垢劑，因物理或化學作用被吸附到碳酸鈣微晶及其他懸浮物離子表面。吸附了阻垢劑的微晶體，改變了顆粒表面原來的電荷狀況。在靜電作用下，顆粒相互排斥，避免了顆粒碰撞后長大沉積，并使碳酸鈣微晶及懸浮物微粒分散在灰水中，見圖3。

圖3 微粒的排斥避免成垢

阻垢劑不僅對小晶體有分散作用，而且對灰水中懸浮物亦起分散作用，同時也能吸附于設備和管線的接觸面，形成吸附層，阻止微晶和懸浮物在接觸面上沉積，見圖4。

圖4 微粒不會在管壁上沉積

2.2 原料性質的影響

惠州石化煤氣化裝置的原料為1#煤炭和2#煤炭，兩種原料的分析結果見表2和表3。

表2 煤的分析數(shù)據(jù)

表3 煤中各組分質量分數(shù) %

由原料性質可知，煤炭灰分中鈣鎂含量較高，這是導致渣水中鈣鎂離子高的根本原因，也是渣水容易結垢的主要原因。同時，由于1#煤炭灰熔點偏低，氣化爐的反應溫度偏低，造成氣化爐渣中碳含量升高，從而使渣水中碳粒增加，為渣水提供了結垢晶核。

2.3 阻垢劑加入方式的影響

目前阻垢劑只在渣水緩沖罐底泵入口和沉降槽溢流管線中注入，渣水緩沖罐底泵入口和出口管線、沉降槽溢流水管線和渣脫水罐系統(tǒng)運行正常，沒有出現(xiàn)結垢現(xiàn)象。加入阻垢劑的渣水在進入氣化爐激冷室后，阻垢劑被渣水中的固體吸附消耗。進入渣脫水罐后，由于酸性氣的揮發(fā)，其中水的pH值較高；在經(jīng)過渣脫水罐時，受渣脫水罐內部劇烈的攪動作用，破壞了阻垢劑在渣水中形成的阻垢防護層，且渣脫水罐中脫除的水中細碳粒較多，給鈣鎂離子結晶創(chuàng)造了充分條件。因此，加入阻垢劑的渣水在進入渣脫水罐的脫水環(huán)管后，阻垢劑的作用幾乎消失殆盡。

3 預防渣脫水罐結垢的措施

對渣脫水罐環(huán)管結垢進行采樣分析，其結果見表4。

表4 環(huán)管結垢樣品組分質量分數(shù) %

從環(huán)管結垢的樣品分析來看，主要成分是鈣離子，證實了鈣鎂離子的結晶和沉積是結垢的主要原因。

根據(jù)上述分析，采取原料和阻垢劑聯(lián)合作用的優(yōu)化措施進行整改。

原料方面:引入2#煤炭，和1#煤炭以一定比例混合，將混合煤炭的灰熔點提高到1 250 ℃左右，提高氣化爐的操作溫度，減少進入渣水中的未轉化碳的數(shù)量，降低渣水中可以產生晶核的微粒。

阻垢劑方面:根據(jù)現(xiàn)有渣水系統(tǒng)渣水緩沖罐出入口系統(tǒng)管線和渣脫水罐的運行效果，阻垢劑對抑制渣水管線的結垢具有較明顯作用。因此，把渣水緩沖罐底泵入口的阻垢劑管線向遠端延伸，接入渣脫水罐脫水環(huán)管，從脫水環(huán)管開始注入阻垢劑，既緩解了脫水環(huán)管結垢，又保證了渣水緩沖罐的運行。

4 效果檢驗

渣水系統(tǒng)改造完成后，經(jīng)過近半年的運行，渣脫水環(huán)管運行情況良好，沒有再次出現(xiàn)環(huán)管結垢堵塞影響脫水的情況。通過對脫水環(huán)管運行狀況進行現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)脫水環(huán)管的管壁上沒有明顯的結垢物沉積，見圖5。

圖5 改造后脫水環(huán)管的運行效果

5 結語

惠州石化煤氣化裝置渣水系統(tǒng)采用減壓元件連續(xù)排渣的渣水處理技術，解決了渣脫水罐的脫水環(huán)管結垢問題，渣水系統(tǒng)的運行得到了保障。在進行粗渣水分離時，粗渣中的水含量顯著降低，既保證了渣水系統(tǒng)的運行，又保持了現(xiàn)場環(huán)境的清潔。