渣脱水罐环管结垢原因及对策
2021-09-03周建欣
周建欣
(中海油惠州石化有限公司,广东惠州 516086)
中海油惠州石化有限公司(简称惠州石化)煤制氢气化装置渣水系统通过渣脱水罐进行粗渣和水的分离。运行中,来自气化炉激冷室的渣和渣水一起送到渣水粗分单元,大约90%的渣水直接回到沉降槽,剩余的渣水和粗渣一起进入渣脱水罐。之后,渣中的水通过过滤元件排入脱水环管,进而流入渣水缓冲罐。渣水缓冲罐中的水大部分送至在注水步骤的渣脱水罐,小部分送到沉降槽中进一步沉降,沉降槽中的溢流水流入渣水罐中,通过泵送到气化炉激冷室循环使用。渣脱水罐脱水后的粗渣送出气化装置。渣水系统在渣水缓冲罐底泵入口和沉降槽溢流水中注入阻垢剂,缓解系统结垢。渣水系统流程示意简图见图1。
图1 渣水系统流程简图
1 渣脱水罐运行状况
国内气化装置的灰水系统普遍存在容易结垢的问题,并且大多采用化学药剂来阻止灰水系统结垢[1-4]。惠州石化煤制氢装置3台气化炉共用1套渣水处理系统。渣水系统运行过程中,渣脱水罐出现了结垢严重的问题,主要体现在渣脱水罐的过滤元件和脱水环管处。其中渣脱水罐脱水环管在运行7 d后,环管的直径就会因结垢减小20~60 mm(见图2),造成渣脱水罐排水效果变差,渣脱水罐的脱水时间由设计的4~6 h延长到36 h以上。粗渣中的水含量升高较多,呈现水渣现象,不但影响渣的排放和输送,也对渣场的环境造成不利影响。渣脱水罐脱水和排渣困难,更是直接影响气化炉的稳定运行。
图2 渣脱水罐环管结垢
2 原因分析
2.1 结垢及阻垢原理
惠州石化煤气化装置渣水具有硬度高、碱度高和悬浮物含量高的特点,渣水中钙镁离子容易水解生成碳酸钙和碳酸镁,附着在渣水中的悬浮物颗粒上,形成固体晶粒。固体晶粒又起到了结晶种子的作用,促使固体颗粒变大,最终形成钙镁离子为主的沉淀物,附着在管道的内部。渣脱水罐脱水环管与渣水的接触时间较长,渣水中固含量高,水的硬度、碱度高,使得环管内容易结垢。渣水的水质分析结果见表1。
由表1可知:煤气化的渣水中碱度和硬度偏高,这是渣水管线存在结垢的根本原因。
表1 渣水的水质分析
灰水中加入的阻垢剂,因物理或化学作用被吸附到碳酸钙微晶及其他悬浮物离子表面。吸附了阻垢剂的微晶体,改变了颗粒表面原来的电荷状况。在静电作用下,颗粒相互排斥,避免了颗粒碰撞后长大沉积,并使碳酸钙微晶及悬浮物微粒分散在灰水中,见图3。
图3 微粒的排斥避免成垢
阻垢剂不仅对小晶体有分散作用,而且对灰水中悬浮物亦起分散作用,同时也能吸附于设备和管线的接触面,形成吸附层,阻止微晶和悬浮物在接触面上沉积,见图4。
图4 微粒不会在管壁上沉积
2.2 原料性质的影响
惠州石化煤气化装置的原料为1#煤炭和2#煤炭,两种原料的分析结果见表2和表3。
表2 煤的分析数据
表3 煤中各组分质量分数 %
由原料性质可知,煤炭灰分中钙镁含量较高,这是导致渣水中钙镁离子高的根本原因,也是渣水容易结垢的主要原因。同时,由于1#煤炭灰熔点偏低,气化炉的反应温度偏低,造成气化炉渣中碳含量升高,从而使渣水中碳粒增加,为渣水提供了结垢晶核。
2.3 阻垢剂加入方式的影响
目前阻垢剂只在渣水缓冲罐底泵入口和沉降槽溢流管线中注入,渣水缓冲罐底泵入口和出口管线、沉降槽溢流水管线和渣脱水罐系统运行正常,没有出现结垢现象。加入阻垢剂的渣水在进入气化炉激冷室后,阻垢剂被渣水中的固体吸附消耗。进入渣脱水罐后,由于酸性气的挥发,其中水的pH值较高;在经过渣脱水罐时,受渣脱水罐内部剧烈的搅动作用,破坏了阻垢剂在渣水中形成的阻垢防护层,且渣脱水罐中脱除的水中细碳粒较多,给钙镁离子结晶创造了充分条件。因此,加入阻垢剂的渣水在进入渣脱水罐的脱水环管后,阻垢剂的作用几乎消失殆尽。
3 预防渣脱水罐结垢的措施
对渣脱水罐环管结垢进行采样分析,其结果见表4。
表4 环管结垢样品组分质量分数 %
从环管结垢的样品分析来看,主要成分是钙离子,证实了钙镁离子的结晶和沉积是结垢的主要原因。
根据上述分析,采取原料和阻垢剂联合作用的优化措施进行整改。
原料方面:引入2#煤炭,和1#煤炭以一定比例混合,将混合煤炭的灰熔点提高到1 250 ℃左右,提高气化炉的操作温度,减少进入渣水中的未转化碳的数量,降低渣水中可以产生晶核的微粒。
阻垢剂方面:根据现有渣水系统渣水缓冲罐出入口系统管线和渣脱水罐的运行效果,阻垢剂对抑制渣水管线的结垢具有较明显作用。因此,把渣水缓冲罐底泵入口的阻垢剂管线向远端延伸,接入渣脱水罐脱水环管,从脱水环管开始注入阻垢剂,既缓解了脱水环管结垢,又保证了渣水缓冲罐的运行。
4 效果检验
渣水系统改造完成后,经过近半年的运行,渣脱水环管运行情况良好,没有再次出现环管结垢堵塞影响脱水的情况。通过对脱水环管运行状况进行现场检查,发现脱水环管的管壁上没有明显的结垢物沉积,见图5。
图5 改造后脱水环管的运行效果
5 结语
惠州石化煤气化装置渣水系统采用减压元件连续排渣的渣水处理技术,解决了渣脱水罐的脱水环管结垢问题,渣水系统的运行得到了保障。在进行粗渣水分离时,粗渣中的水含量显著降低,既保证了渣水系统的运行,又保持了现场环境的清洁。