水煤漿氣化水系統結垢成因分析與控制策略

王 寧，李文盛，趙小燕

(1.中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術研發中心，河南 洛陽 471003；2.中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

煤氣化技術是現代煤化工的龍頭和關鍵技術，其優劣決定了后續裝置能否安全、穩定、長周期運行。水系統是水煤漿氣化工藝的重要組成部分，負責氣化工序用水循環和回收，降低裝置的耗水和廢水排放量。氣化的黑水經過處理，實現渣(灰)水分離，將處理后的水回用，渣(灰)通過壓濾后外排，同時為了維持系統水中有害離子在一定的濃度范圍內，部分灰水外送[1-3]。隨著環保、節能要求的提高，水系統的排放受到限制，氣化單元黑水、灰水中大量的懸浮物及鈣、鎂、硅等離子隨著水的循環使用而不斷濃縮，造成煤氣化裝置水系統中設備及管道結垢，引起管線流量下降、閥門難以開關、泵的葉輪損壞、系統補水困難等問題，嚴重時導致系統降負荷甚至被迫停車[4-7]。本文通過調研分析水煤漿氣化水系統的結垢現狀、結垢成因、控制策略，以期為水煤漿氣化裝置的安穩運行提供參考。

1 水煤漿氣化水系統結垢現狀調研

通過系統調研幾家水煤漿氣化裝置，并結合目前已報道的水煤漿氣化水系統結垢情況，統計了水煤漿氣化水系統主要的結垢部位。

1.1 激冷水系統

激冷水一般經過濾后進入激冷環，其中大粒徑的灰渣被黑水過濾器截留，粒徑小于黑水過濾器過濾網孔徑的細渣、細灰進入激冷環，通過激冷環環管上的進水孔把冷卻水均勻地分布到降氣管的內壁上，之后激冷水沿下降管內壁進入激冷室。在高溫高壓下，細灰、細渣在過濾器、激冷環、上下管及激冷水管線沉積而形成結垢，造成激冷水量減少、氣化爐液位升高、氣體偏流、氣體阻力增加、相同負荷下流速增大，破壞了水系統的平衡，壓力、流量、液位等指標無法穩定控制，給設備安全運行造成隱患[8，9]。

激冷水系統發生結垢堵塞的部位一般有激冷水過濾器、激冷環外部、內部配水管及激冷環噴水孔、激冷水管線等，某企業水煤漿氣化裝置激冷水管線堵塞情況見圖1。

圖1 激冷水管線堵塞

1.2 黑水系統

經激冷水洗滌后的粗合成氣經過文丘里洗滌器后，進入水洗塔進行更為徹底的洗滌凈化。采用三級或四級閃蒸技術，將溶解在氣化爐和洗滌塔黑水中的水蒸氣和酸性氣體閃蒸脫除，黑水不斷濃縮。由于水煤漿氣化黑水具有高壓、高溫、高固體懸浮物含量的特點[10]，很容易發生結垢和閥門堵塞。運行周期越長，結垢越嚴重，會造成管道嚴重堵塞、設備內件結垢、管道及閥門沖蝕嚴重、減壓閥后彎頭容易穿孔等問題；而且當垢層達到一定的厚度后，會因受流體的沖擊以及開停爐時黑水溫度急劇變化而脫落，從而對黑水管線、角閥及冷凝器等造成堵塞[11-15]。

一般黑水系統容易發生結垢堵塞的部位有洗滌塔內部構件、文丘里洗滌器噴水孔、氣化爐和碳洗塔黑水排放管線、高、中、低壓閃蒸罐和真空閃蒸罐內壁及各閃蒸罐的進出口管線等，某企業氣化排黑管線結垢現象見圖2，高壓閃蒸罐結垢現象見圖3。

圖2 氣化排黑管線結垢形貌

圖3 高壓閃蒸罐內件結垢

1.3 灰水系統

一般將閃蒸后的水稱為灰水。黑水經過三級閃蒸后，大部分水冷凝成比較干凈的高壓灰水，返回系統重復利用。經閃蒸濃縮后的渣水則排至沉降槽，從沉降槽上部溢流的灰水一部分回系統內部循環使用，一部分通過外排送至污水處理，從而達到系統內有害離子的平衡[10]?；宜Y垢情況不同于黑水，灰水管道內垢的硬度比黑水管道內的小，顏色比黑水中的白，會造成管線結垢堵塞、閥門損壞、泵被氣蝕損壞等[11，15]。

一般灰水系統容易發生結垢堵塞的部位有灰水管線、高/低壓灰水泵、過濾器、除氧器、冷凝器等，某企業高壓回水泵入口管線及外排灰水管線結垢情況見圖4和圖5。

圖4 高壓灰水泵入口管線

圖5 外排灰水管線

2 水煤漿氣化水系統結垢成因分析

2.1 垢樣的成分及分布

氣化裝置水系統垢樣的主要成分為SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3等，而不同部位的垢樣又存在一定差異。通過對現有文獻的統計分析，不同部位垢樣的主要成分見表1[8，15-19]。

從表1可以看出，SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3是垢樣的主要組成部分，不同部位垢樣的成分差別較大。激冷水系統和黑水系統由于灰分和含固量較高，而灰分顆粒成分主要以SiO2、Al2O3、CaO為主[18]，所以在這些部位垢樣的主要成分為硅、鋁、鐵、鈣形成的復合鹽，特別是硅酸鹽的含量較高，結垢物質與原料煤煤質、氣化爐本身的結構、水系統工藝以及水系統中含固量變化等有關[18，19]。

表1 水煤漿氣化裝置不同部位垢樣的主要成分

灰水系統垢樣的主要成分為CaO，因為經過處理后的灰水中灰分顆粒組分較少。而隨著溫度的降低，碳酸鈣溶解度升高，灰水中碳酸鈣含量會相對高一些，所以結垢物主要以鈣鹽為主[10]。

由此可以得出，不同部位結垢物質不同，造成這種差異的原因與系統工況、系統中含固量的變化有關。

2.2 結垢影響因素2.2.1 煤質

通過以上垢樣的成分分析可以看出，結垢物質大部分來源于原料煤中的灰分?；曳质敲簹饣蟮臍埩粑镔|，其主要成分為CaO、MgO、SiO2、Al2O3、Fe3O4等，一般會占到灰分總量的95%以上，灰分含量的高低直接影響黑水中的含固量、硬度等。原料煤的灰分高，會加重設備、管道結垢的傾向。

2.2.2水質

水的總溶固、硬度、懸浮物等是氣化運行中水質結垢傾向的重要指標[20]。對于煤氣化裝置而言，在原料煤確定時，水質受以下兩個因素的影響[21]：外排水量和外加入水質量。排至污水處理系統的外排灰水量直接影響著灰水中Ca2+、Mg2+的含量。每個企業外加水各不相同，有的為高堿、高油、高COD，有的為高pH值、高氨氮，這些都會進入水系統中，增大結垢傾向。

2.2.3pH值

pH值低，呈酸性，容易腐蝕管道；pH值高，呈堿性，容易使管道結垢。邢曉凱[22]從成垢溶液的離子平衡出發，得到了成垢指數與pH值的關系式。計算表明，總鈣濃度一定時，pH值越高，成垢指數越大，結垢趨勢越大。

2.2.4溫度

鹽垢的溶解度是隨溫度的變化而變化，煤氣化水系統溫度變化較大。與合成氣接觸的激冷室上部灰水溫度最高可達300 ℃左右，經過閃蒸的灰水溫度又降至50 ℃左右，而循環使用的灰水又被閃蒸換熱至150 ℃左右。水溫在300～50 ℃之間大幅度變化，也會增加系統的反復結垢。

2.2.5壓力

氣化反應是在高溫高壓下進行的，激冷室中的激冷水及碳洗塔的洗滌水的壓力基本與氣化爐操作壓力相當，經逐級閃蒸后，壓力逐漸降低，最終進入沉降槽時壓力變為常壓，而灰水經除氧器后又再次加壓返回系統循環使用。在黑水、灰水處理過程中，壓力變化幅度大，而壓力逐步降低將增加系統結垢程度[2]。

2.2.6流速

流速增大會增大污垢累積率，但所對應的剝蝕率也將增大。所以伴隨流速增大，污垢增加會達到平衡；流速減小時，固體懸浮物沉積概率增大，特別是在結構突變的部位，從而導致系統結垢的概率也會明顯增大。

3 水煤漿氣化水系統結垢控制策略

3.1 煤質的選用優化

加強煤質監控，定期分析煤種元素和成分，保證原料煤各項指標合格。采用配煤技術開展不同灰熔點和灰分煤種的配比，從而控制氣化煤的灰熔點和灰分在指標范圍內，緩解因煤質變差、灰分增多所引起的系統水質變差、結垢堵塞等問題[5，23]。對系統各點容易結垢部位的垢樣進行分析，判斷系統結垢趨勢和結垢形式，做到真正把控系統，使其不斷優化。

3.2 水質控制

一是控制外來水的質量，特別是水的氨氮含量，防止pH值的上升；二是分析重點部位水質，全面掌握系統水質的變化情況，根據原料煤的成分和水質情況及時調整系統加藥量和外排水量，維持系統水的各項工藝指標在可控范圍內[21]。

3.3 藥劑使用

采用高效的絮凝劑和分散劑，是煤氣化水系統控制結垢的有效措施。對于分散劑、絮凝劑的添加，最好能制定相應的藥劑添加管理規定，藥劑的選擇要根據工藝狀況和水質條件而定，因地制宜[24]。要根據藥劑的使用效果，及時與廠商聯系調整藥劑配方、提高藥效，延緩系統結垢。

3.4 材質優選

開發研究新型防結垢防腐材料。針對管道的易磨損部位采用厚壁管或者耐磨材質。

3.5 工業運行優化

優化設備管道。比如通過增加下降管、上升管間的環隙面積來降低粗煤氣流速，減輕粗煤氣帶水帶灰問題，從而改善洗滌塔內激冷水水質；合理布置黑/灰水管路，盡量減少拐彎及“口袋”，采用三通加盲板，便于清理且減少管道堵塞的概率等。

優化工藝控制。采取4項措施，比如控制爐溫，減少系統壓力波動，從而控制水系統的溫度、壓力穩定，減少對結垢的影響；避免水溫過高影響絮凝劑的使用效果；對灰水進行脫氨、降固處理，提高系統水質，從而降低水系統的結垢；結垢嚴重部位配置備用管線等。

3.6 除垢技術的應用

可借鑒油田采出水結垢方面的相關防垢技術，比如電絮凝除硬、靜電阻除垢、超聲波除垢、電磁除垢等技術[25]，在不破壞設備本體和不影響工藝流程的情況下，能將結垢阻止在萌芽之中。

4 結語

煤氣化裝置是現代煤化工的核心和龍頭，它的運行優劣決定了全系統裝置能否長周期、滿負荷、安全、穩定地運行。水煤漿加壓氣化是目前煤氣化的優選技術之一，由氣化單元黑水、灰水、激冷水系統中設備及管道結垢而導致的管道堵塞、閥門失效等問題，已經成為影響煤氣化裝置長周期運行的重要因素。調研統計分析發現，水煤漿氣化水系統結垢主要發生在激冷水系統、黑/灰水管道及設備內構件等部位。影響水煤漿氣化水系統結垢的因素較多，且不同部位垢樣的成分差別較大，與系統工況和系統中含固量變化有關。目前主要的控制措施有優化原料煤、使用絮凝劑和分散劑、優化設備/管道及工藝運行條件等。雖然水系統的結垢是不可避免的，但可以采用行之有效的措施來進行減緩。應針對具體裝置，關聯分析各種結垢原因，找出關鍵問題，組合優化各種控制措施，多方面確保實現煤氣化裝置水系統的穩定運行。