五环炉煤气化装置黑水处理系统改进与优化研究

杜孟洪

(河南龙宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司(简称河南龙宇)二期项目为40万t/a醋酸装置，采用新型五环炉干煤粉加压气化炉(2台)提供原料气。新型五环炉煤气化工艺是五环科技股份有限公司与河南能源化工集团有限公司合作开发的具有国内自主知识产权的新型气化工艺[1]。该工艺主要包括：磨煤及干燥系统、煤加压及进料系统、煤气化系统、除渣系统、湿洗系统、黑水处理系统，以及公用工程系统。其中，黑水处理系统包含闪蒸系统和初步水处理系统[2]。笔者主要对黑水处理系统在运行中的问题进行分析研究。

1 黑水处理系统工艺流程

黑水处理系统中的闪蒸系统闪蒸出气化来黑水中的气体成分，经过0.6 MPa中压闪蒸、0.15 MPa低压闪蒸和-0.05 MPa真空闪蒸处理后的黑水送至初步水处理系统的沉降槽，通过加药装置向沉降槽中加入絮凝剂使黑水中的细灰沉降至底部。沉降槽底部的物料经泵送入卧螺离心机进行分离，分离出来的泥送至砖厂作为原料，分离后的滤液和沉降槽上部清液一起送回气化装置内部循环使用。初步水处理系统需要连续外排少量污水来控制整个内部循环使用水的总盐含量。

2 闪蒸系统运行问题及解决方法

2.1 管线、阀门、闪蒸缓冲装置的振动问题

2.1.1 振动现象

进入三级闪蒸单元的高温高压黑水有三股，一股从激冷罐底锥去0.6 MPa中压闪蒸罐，此股流量起到强制流动，防止激冷罐底部积灰的作用，体积流量约为100 m3/h，约占激冷罐黑水总量的1/3；一股从激冷罐中下部流出，去0.6 MPa中压闪蒸罐，体积流量约为150 m3/h，约占激冷罐黑水总量的2/3；一股从洗涤塔底部流出，去0.6 MPa中压闪蒸罐，此股黑水固含量相对于前两股较低。正常生产时三股管线振动较大，尤其是从激冷罐底锥去0.6 MPa中压闪蒸罐的一股黑水，经常出现管线振动移位和缓冲罐振动泄漏。严重时黑水角阀和闪蒸缓冲罐冲击传给下方的钢结构，钢结构的振动造成闪蒸框架振动，给安全生产带来很大的隐患。

2.1.2 原因分析

(1)从激冷罐和洗涤塔来的三股高温高压黑水分别经各自的黑水角阀减压后进入中压闪蒸罐，这个过程中黑水角阀背压较大，压力需要从黑水角阀前的3.7 MPa减压至0.6 MPa。

(2)黑水角阀下方连接闪蒸缓冲装置，闪蒸后的黑水在闪蒸缓冲装置内部分为三相，从黑水角阀出来的气、液、固三相的散射角根据黑水角阀开度不同而变化，散射冲击的距离也不相同。黑水角阀开度大，则散射角大，三相冲击距离短，反之则冲击距离长。气相和固相对闪蒸缓冲装置的影响较大，气相中闪蒸气中含有的HCl、NH3等有害气体对金属腐蚀严重;固相主要是飞灰颗粒，对设备内壁冲刷严重。同时,由于气流在闪蒸缓冲装置内不停地扰动，气液两相急剧变化冲击引起闪蒸缓冲装置的剧烈振动甚至产生共振，会引起黑水角阀本体的振动，继而导致整条管线振动。

(3)激冷罐底锥的一股黑水，其体积流量不能低于100 m3/h,否则很容易堵塞管道，但是由于流量大也加剧了振动。

(4)闪蒸缓冲装置距离楼板层的距离有1.8 m,距离中压闪蒸罐的距离有2 m，在闪蒸缓冲装置下方用钢结构作支撑，用内衬陶瓷的短节与中压闪蒸罐连接。从激冷罐底锥到中压闪蒸罐的距离横跨了两个框架，中间距离约90 m，管道上的固定支架和滑动支架均为刚性连接，闪蒸出来的气流引起的振动、支架和支撑设计的不合理导致了黑水角阀、闪蒸缓冲装置，以及整条管线在体积流量约为70 m3/h时振动较大。

2.1.3 解决方法

(1)在管道上增加固定支撑和滑动支撑，并在固定支撑与管道之间增加垫木。

(2)闪蒸缓冲装置安装阻尼器。阻尼器的零部件采用不锈钢材料，防腐性能好；结构紧凑，且呈对称结构，安装空间小，受力更加合理；阻尼力大，且动态响应时间短；摩擦阻力小，一般低于额定荷载的1%～2%，采用特殊的液压油和密封介质，性能稳定，密封寿命长；可在93 ℃温度下连续工作。整个闪蒸系统6台闪蒸缓冲罐对应加装阻尼器前后的振动情况见表1。增加阻尼器后的DN900闪蒸缓冲罐和DN500闪蒸缓冲罐的情况见图1和图2。

图1 增加阻尼器后的DN900闪蒸缓冲罐

图2 增加阻尼器后的DN500闪蒸缓冲罐

表1 缓冲罐增加阻尼器前后的振动情况

通过以上改造，洗涤塔底部黑水管线和激冷罐底锥的黑水管线体积流量均能够达到150 m3/h，现场振动较小，激冷罐液位进水和出水达到平衡，满足气化炉100%的负荷运行的需要。

2.2 黑水冷却的堵塞问题

2.2.1 真空闪蒸黑水冷却器运行中出现的问题

闪蒸系统中有2台真空闪蒸黑水冷却器，2台冷却器串联运行，在闪蒸系统运行一段时间后会出现管束堵塞,导致换热效果差。冷却器累计运行3个月后管束被腐蚀引起泄漏，黑水进入循环水系统。

2.2.2 原因分析

真空闪蒸黑水冷却器管程的介质是经过中压、低压和真空三级闪蒸浓缩后的黑水，含固质量分数约为1.65%，并夹带片状的灰块。冷却器的管束为U形管，管束直径为25 mm，壁厚为3 mm，长度约为6 315 mm，换热面积为195 m2,片状灰块很容易堵塞管束管口，小灰块容易堵塞管束内部，造成真空闪蒸黑水泵不打量，往初步水处理系统的排放水减少，使得上游的来水受限制，直接影响了系统的负荷提升。该冷却器管束为碳钢材质，闪蒸系统中的黑水含有酸性气体，容易腐蚀管束造成泄漏。

2.2.3 解决方法

(1)将真空闪蒸黑水冷却器的U形管式换热器改为直管换热器。

(2)管束管板材质改为双相钢。

改造后减少了黑水在冷却器内部的流动阻力，增加耐磨损能力，降低了堵塞的概率，同时在停车后清理时，更方便清理冷却器的管束。

3 初步水处理系统中的黑水分离问题

五环炉煤气化采用干煤粉气化技术，气化炉飞灰量大，灰分颗粒直径小。湿法除灰形成的黑水中灰分含量是其他类型气化装置的数倍甚至数十倍。由于灰浆中所含灰的粒度较细，为了取得较好的絮凝效果，应加入适量的絮凝剂。随着絮凝剂的加入，灰浆的黏性增大，为了更好地分离灰浆，选用合适的分离设备十分重要。

经过分离设备的试验对比后[4]，初步水处理系统的分离设备采用卧式螺旋卸料离心机(简称卧螺离心机)。

3.1 卧螺离心机的工作原理

卧螺离心机的主要组成部件有高速旋转的转鼓、与转鼓同向但转速稍低的螺旋、差速器、主电机、辅助电机等。卧螺离心机的工作流程见图3。高速旋转的转鼓产生强大的离心力,将进入的物料进行固液分离，物料中的固体颗粒由于离心力的作用集聚在转鼓内壁上形成固环层，物料中的水分受到的离心力小,在固环层内侧形成液环层。因螺旋和转鼓的转速存在差异，使两者产生转速差，最终将物料中的固体与水分进行分离，固体物料在转鼓小端出料口处排出，水从转鼓的溢流口排出。

图3 卧螺离心机工作流程示意图

3.2 卧螺离心机的黑水分离效果

单套黑水处理系统配置4台卧螺离心机，2开2备。单台卧螺离心机处理体积流量为15～20 m3/h，黑水含固质量分数为4%～5%，分离后滤饼含水质量分数小于40%，已使用4 a，分离效果比较理想。

4 结语

通过对黑水处理系统遇到的问题进行分析研究，并采用了可行的解决办法。五环炉煤气化装置黑水系统的黑水管线和缓冲罐振动问题的解决，保证了黑水处理系统的安全稳定运行。解决了真空闪蒸黑水冷却器的堵塞和腐蚀问题，为黑水系统长周期运行奠定了基础。卧螺离心机在五环炉煤气化装置黑水处理系统的应用效果比较理想，对其他煤化工装置黑水和民用污水的处理都有较大的参考意义。