四喷嘴气化装置系统结垢原因分析及应对措施

曹 亮

(兖矿鲁南化工有限公司，山东 腾州 277527)

兖矿鲁南化工公司气化车间气化炉设计投煤量为1 000 t/d。该装置是全国首套四喷嘴气化炉装置。自2003年7月份投产以来，系统运行较为稳定，各项消耗指标均优于设计值。但随着系统运行时间的延长，系统在不同部位均发生不同程度的结垢。正常运行期间蒸发热水塔填料因结垢经常出现带水问题，填料运行周期不足120 d。现场高温热水泵频繁出现流量低、泵体振动大的现象，经过拆检泵体发现，内部叶轮处结垢严重。尤其是系统开停车期间，闪蒸系统黑水管线和澄清槽底流泵入口处经常发生堵塞。堵塞状况较为严重，疏通困难，现场工作量繁重。

1 系统结垢危害性和介质分析

1.1 系统结垢危害性

气化装置是一种固体燃料转变成气体的过程，在转化过程中燃料中的灰分需要进行处理排出，系统装置的主要设备需要降温保护。系统水循环承担着处理废物和保护装置的功能。如果系统发生结垢，系统水循环就会出现循环不畅，导致重要设备超温，甚至损坏；同时，局部会出现带水、堵塞的现象，现场转动设备的运行也会受到影响。当问题积累到一定程度时，会导致系统各个部位陆续出现异常，最后只能被动停车。系统黑水设备、管线和蒸发热水塔上部热水室是容易结垢的部位。

1.2 水循环介质分析

1.2.1 系统黑水

1.2.2 酸性气组成

1.2.3 低压灰水

表1 酸性气分析数据 %

表2 灰水分析数据

1.2.4 低温冷凝液

水系统的氨主要由水煤浆气化反应生成，原料中的氮元素经过气化加压反应，大约有15% 转化生成氨，约占合成气(干气)量的0.1%～0.3%。由于氨极易溶于水，又能和水强烈缔合，另外，氨溶液的挥发度也较大，因此，即便其碱性较弱，但在水中溶解到一定程度时也可以大幅度提高水的碱度。气化炉激冷室水的温度较高，约220 ℃，氨在激冷室中溶解较少，在水中以氯化铵、甲酸铵及碳酸氢铵等形态存在。合成气进入下游工序，经逐级冷却后，冷凝下来的冷凝液里溶解了较多的氨，因而系统中冷凝液尤其是低温冷凝液碱度很高。见表3。

表3 低温变换冷凝液化验结果

2 系统结垢原因分析

2.1 系统黑水结垢

由于系统黑水内存在大量悬浮物(大于1 800 mg/L)且水中碱性离子浓度较高。当浓度达到一定程度时，会发生结垢。结垢后离子形式多样(有碳酸盐式、硅酸盐式、硫酸盐式和磷酸盐式)，发生结垢时，垢片会包裹大量灰分，成长速度快、硬度高。所以，系统黑水所结的垢质质地较硬，清理难度大，如果脱落或堵塞，疏通难度极大。

2.2 蒸发热水塔热水室结垢

进入蒸发热水塔的低压灰水在洗涤、换热过程中由于溶解一部分CO2，使其碱度有一定程度上升。随着相对高碱度低温冷凝液的加入，填料层灰水总碱度很高。通过分析可以看出，低压灰水中有一定浓度的碱性金属阳离子和碱土阳离子。在高碱度和大量碱性离子的作用下，填料层易生成CaCO3，不可避免地出现结垢。但由于灰水中所携带悬浮物较少，与蒸发热水塔底部相比，其中的酸性不溶物很少，发生结垢时磷酸钙和硅酸钙含量较少，所以填料层结垢后垢质较软，相反，蒸发热水塔底部垢质相对很硬。但是，随着运行时间延长，填料层垢质也会逐步变硬，清理难度逐渐加大。

2.3 系统垢片成分分析

从3个部位的垢样分析看出，对应于3个垢样，以碳酸盐形式存在的垢占整个垢样的质量分数分别是9.61%、8.84%、68.55%。蒸发热水塔相对气化炉和旋风分离器垢片来说，以碳酸盐相结合的质量分数最大。同时，酸性不溶物和P2O5比例远大于蒸发热水塔热水室内的垢片。由此充分说明，气化炉和旋风分离器结垢形式和蒸发热水塔热水室结垢形式的不同，其结垢的硬度远大于热水室垢片硬度，见表4。

表4 系统垢片成分分析

3 蒸发热水塔热水室结垢应对措施

3.1 加大对煤种和系统垢片成分分析力度

在正常生产中，应定期对煤种的元素和成分进行分析，即使煤源没有发生变化，同一矿点由于煤层的不同，煤种也会发生变化。分析煤质资料，如发现个别元素或成分发生变化时，及时调整系统相关指标。譬如，改善分散剂分散效果或加大系统新鲜水置换量等。

利用停车机会对系统各点容易结构部位的垢片进行采样分析。通过分析数据找到系统近期的结垢趋势和结垢形式，才能真正做到把控系统，使其不断优化，改善系统和设备内环境。

3.2 熟悉掌握不同运行方式下灰水指标变化范围和平衡值

通过几年的摸索，发现在不同负荷下灰水指标是会发生变化的。当气化炉运行方式和负荷发生变化时，进入水中的各项离子浓度以及灰水碱性环境也会发生变化。尤其是当前各厂家都追求“提产高效”，甚至将负荷提至设计负荷100%以上。但灰水系统各设备容积、系统置换量以及外排水量是一定的，势必会造成灰水离子浓度升高。这时，如何把握不同运行方式下，灰水指标范围和平衡值是至关重要的。高于指标应及时采取措施将指标降低;但当处于平衡指标状态时，想进一步降低灰水指标，往往收效甚微，无形之中也提高了生产成本。只有及时调整灰水指标，始终保持在平衡值，才能保证系统处于正常结垢水平，见表5。

表5 运行方式对应指标范围和平衡值

3.3 关注低温冷凝液碱度变化和系统间分配

由于低温冷凝液碱度远高于灰水碱度，所以冷凝液进入系统后对其碱性程度造成很大影响。如不加以控制就会造成系统大面积结垢的“温床”。要求冷凝液气提系统温度，严格按照设计指标执行，不能低于指标范围。做好冷凝液碱度的分析，增加分析频次(每班一次)；建立专门台账，方便长时间监控碱度走势。双炉期间的碱度不能高于60 mmmol/L。

系统处于双炉或以上时，现场应注意低温冷凝液的分配问题。应充分考虑现场管线走向，判断阻力状况，使冷凝液能够平衡加入运行系统。当其中一个系统出现带水，并持续恶化时，可适量降低冷凝液流量。

3.4 做好现场药剂添加、配比和外排水量控制

3.4.1 絮凝剂的配制和加入量

絮凝剂由大分子超长分子链聚合而成，相对分子质量可达到800万～2 000万。絮凝剂由泵输送到固定的黑水管线后，流入直径21 m的澄清槽进行沉降。絮凝剂中的有效成分会聚合黑水中的悬浮物，形成相对质量较大的絮凝团，在重力作用下，沉降至澄清槽底部，达到去除悬浮物，净化水质的目的。

絮凝剂的选型、配制、加入量应该随着系统使用的煤种的变更而调整。气化煤种发生变更时，在实验室针对变更煤种后产生的黑水，配制多种不同类型的絮凝剂进行试验。试验条件尽量与生产现场环境一致，使试验结果准确反应实际，选择相对效果较好的絮凝剂投入系统使用。

絮凝剂的加入量和灰水悬浮物量(即灰水浊度)没有一定正相关或负相关关系。即使是同种煤其黑水和絮凝剂的添加量之间也只存在一个“最佳添加量”。而最佳添加量与气化炉操作的工况条件，如炉温变化、煤质灰分等密切相关。若工况变化，添加量也要随之进行调整，见图1。

图1 同煤种状态下灰水浊度和絮凝剂添加量对应关系

3.4.2 分散剂加入量的控制

4.3 系统新鲜水加入和外排废水量的控制

4 结束语

通过对结垢环境和介质的分析，以及剖析黑水内部和蒸发热水塔热水室内结垢机理，可以看出，结垢是由过高的碱性环境和灰水中一定浓度的碱性离子导致的。如何防止结垢的发生，需要理解和分析整个系统结垢状况。从源头煤种做好把控，严禁不符合要求的煤种长时间在系统内使用。系统出现调整时，认真监控系统灰水指标的变化状况。逐步摸索出对应系统以及对应煤种指标的变化情况，并能及时进行调整。加强对药剂的管理力度，工况出现变化时，及时调整药剂型号或添加量。保证药剂添加量在一个合理范围内，同时根据系统需求，合理加入新鲜水和外排废水。通过一系列改进措施，系统开停车时，设备或管道堵塞状况逐步减少，即使发生堵塞，其堵塞程度明显减轻，疏通难度大大减小。蒸发热水塔填料周期成功由120 d突破至260 d以上。