第32卷化肥工業(yè)第3期水煤漿氣化裝置水系統(tǒng)的研究顧勁飚(上海焦化有限公司200241)摘要通過對水系統(tǒng)結垢機理的研究明確了結垢旳原因。通過使用新型耐髙溫阻垢劑冋時添加純堿降低水系統(tǒng)中永久硬度的方法及冷凝液的合理利用使水系統(tǒng)結垢問題得到有效緩解關鍵詞水系統(tǒng)結垢機理德士古Study of Water System in Coal-Water Slurry GasifierGu jingbiaoAbstract Through the study of the scaling mechanism of the water system the causes for scaleformation are made clear. By employing a new type of high temperature resistant scale inhibitor, alsoadding soda ash to reduce permanent hardness in the water system, as well as utilizing rationally theKeywords water system scaling mechanism Texaco上海焦化有限公司德士古水煤漿加壓氣化裝2水系統(tǒng)結垢原因及機理置的運行已日趨穩(wěn)定。但隨著氣化爐3開1備及2.1分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析負荷的提高尤其是環(huán)保要求的日益嚴格,該裝置經(jīng)過1個多月的水質分析數(shù)據(jù)的收集、分析水系統(tǒng)結垢的問題日漸突出,已逐漸影響到氣化認為除原煤本身因素對水質影響外還與水和合爐的穩(wěn)定運行主要表現(xiàn)在高壓灰水泵進口管線成氣及爐渣的接觸時間有較大的關系。同時發(fā)現(xiàn)堵塞、激冷環(huán)結垢、黑水管線結垢等。在要求2年運行2臺氣化爐時水中鈣、鎂離子含量明顯小于大修的情況下,公司與華東理工大學合作共同開3臺氣化爐時的監(jiān)測值分析數(shù)據(jù)見表1)因研究開發(fā)了新型阻垢劑并通過添加純堿以降低表1水系統(tǒng)水質分析數(shù)據(jù)水的硬度等方法較好地解決了系統(tǒng)結垢問題滿Cl/總硬度/懸浮物足了生產需要。時間(mg mg水系統(tǒng)工藝流程2003-09-04T15:008.65156.23932.1496開2水系統(tǒng)工藝流程見圖1。甲醇系統(tǒng)返回的變200307T8:008.76176.241013.5493臺氣換冷凝液和脫鹽水經(jīng)除氧器除氧后作為洗滌水北為2003-09-1016:309.01184.65953.47和補充水進入洗滌塔。洗滌塔內工藝水經(jīng)洗滌塔(5d)2003-09-1315:308.84203.458563295循環(huán)泵打至氣化爐激冷環(huán),以保持激冷室液位2003-09-16T08:008.92152.24904.05972003-11-16T08:008.76203.121432.08102氣化爐洗滌塔產生的黑水經(jīng)二級閃蒸后進入沉開32003-11-19T8:009.23185.041389.1294降槽內絮凝沉降后上部清液溢流至灰水槽部分2003-11-22108:008.76167灰水經(jīng)高壓灰水泵返回洗滌塔其余經(jīng)低壓灰水(15d)003-11-25108:008.91194.211500.7496泵送至界區(qū)外進行廢水處理2003-11-28T08:008.95164.371354.1798第32卷化肥工業(yè)第3期冷凝液脫鹽水低壓蒸汽合成氣去甲醇冷卻水洗滌塔蒸水g真空閃燕分洗滌塔循環(huán)泵水累凝劑加阻垢劑處去界外去壓濾機低壓灰水泵高壓灰水泵圖1水系統(tǒng)工藝流程圖此認定水中硬度的變化取決于水的循環(huán)量與系統(tǒng)定結果見圖2、圖3。保留容積即接觸時間、停留時間)之比。2.2合成氣中CO2的高溫水溶液熱力學平衡數(shù)NaC]2.7%據(jù)的測試NaCl=0%000284062壓力/Pa圖3不同壓力下CO,在含鹽和度/°C甲烷氣體的水中溶解度圖2常壓下CO2氣體在水中的溶解度相平衡數(shù)據(jù)表明在氣相中CO2的體積分數(shù)在高壓相平衡裝置中對合成氣中CO2與水大于4%時碳酸鈣一般不會形成鈣離子呈溶解第32卷化肥工業(yè)第3期亦有沉淀抑制作用;當液相中的CO,濃度與氣相子在高濃度時煤灰對碳酸鈣沉積的影響主要發(fā)體積分數(shù)相當時在密閉系統(tǒng)中,氣相分壓隨溫度生在初期1min內此時pH值急劇降低。在80上升呈較好的線性關系即CO2始終以飽和狀態(tài)℃時煤灰對碳酸鈣結晶的影響較大其影響同樣存在溶解度隨壓力增加而增大,與氣相中CO2主要發(fā)生在沉淀的開始階段。由此可見煤灰與的分壓呈正比鈣離子的共沉積過程主要在開始階段進行共沉由此可見激冷室前洗滌水過濾器和激冷環(huán)積時間小于10min。這同樣證明當氣相中CO體沉積物堵塞的原因主要在于系統(tǒng)氣相中CO濃度積分數(shù)降低時黑水系統(tǒng)中的沉積物極易形成。的顯著降低水中CO2隨之逸出在高硬度情況下由CO2水解平衡產生的CO32形成碳酸鈣與懸浮3解決水系統(tǒng)結垢的方法物共沉積所致研究開發(fā)出新型耐高溫阻垢劑CHQ-1。2.3碳酸鈣與懸浮物共沉積過程的研究根據(jù)阻垢劑晶格彎曲及分散的機理我們自在實驗室中進行了不同條件下的碳酸鈣與煤行研究、開發(fā)了含有羧基、硫酸基等的丙酸系共聚灰共沉積的實驗。實驗在密閉容器中進行值物即CHQ-1型耐高溫阻垢劑并對該型阻垢劑僅以 Nahco3調節(jié),鈣離子質量濃度分別為180、進行了性能測定。300、540mg/L,碳酸氫根質量濃度為628mg/L(1)試驗樣品cHQ-1A和CHQ-1B(40℃廂和329mg/(80℃)實驗結果見圖4、5(2)試驗方法①阻垢性能加碳酸鈣晶種將500mL1%藥劑注入高壓釜中在80℃、1MPa條件下加熱2h待冷卻后配制成1mg/mL溶液按使用劑量50、70mg/L投加試驗溶液分別模擬硬水+無鈣煤灰A(阻垢率91.1%~93.1%)和Ⅸ阻垢率91.2%~93.2%)②分散性能(30min透光率)A:6%~48%B#3%~47%。時間/in③高溫阻垢性能圖440℃下起始鈣離子濃度為300mg/L的在230~240℃、3MPa條件下按①步驟測碳酸鈣沉積曲線([HCO3]=628mg/L.)定結果阻垢性能A為65%~67%B為67%69%證實該阻垢劑有較強的阻垢性能。日694使用純堿降低水的永久硬度倒6.7由于德士古氣化裝置水系統(tǒng)是在較高水溫和帶壓工況下運行的且與合成氣、煤灰多相接觸62CO2的水解平衡和高濃度的硬度存在是碳酸鈣沉積的充分條件。無論是何種高效阻垢劑其應用的硬度適應范圍總是有限度的故必須控制系統(tǒng)中水的硬度和堿度。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看出在圖580℃下起始鈣離子濃度為500mgL的水體中加入碳酸氫鈉不僅沉淀效果不好且耗時碳酸鈣沉積曲線([HCO3]=329mgL)較長。而改為加入碳酸鈉時鈣離子基本可在5由實驗可知A0℃時鈣離子在低濃度時煤min內與碳酸根離子完全反應速度較快灰對碳酸鈣的結晶作用影響較小在高濃度時則針對德士古裝置水系統(tǒng)運行的特點我們決第32卷化肥工業(yè)第3期含量此沉淀反應不會導致系統(tǒng)中堿度的上升僅來看管道內的灰渣較少稍加清洗即可未出現(xiàn)增加無害鈉離子的濃度。同時根據(jù)本公司實際情過去滿管結垢的情況。沨沉降槽內筒直徑1m外筒直徑6m沉降槽額(2)灰水換熱器定沉降能力為87th總容積120m3現(xiàn)場最大流灰水換熱器大修后管程一直未清洗,直至量90t/h)經(jīng)計算額定能力下灰水的平均停留時2004年3月閃蒸系統(tǒng)檢修時才清洗。從拆下的間為1.4h最短停留時間短路)36min噸水的換熱器來看換熱器管程內殘存一些淤渣無硬塊碳酸鈉添加量為0.5kg。在實際使用過程中由垢。從表2可以看出灰水換熱器保持較好的運分析數(shù)據(jù)可以得出沉降槽內水的總硬度平均降低行狀態(tài)基本滿足開3臺氣化爐的灰水供應要求。約200mg/L,堿度增加50~100mg/L濃度基本表2灰水流量表(m3h1)無影響和H值提高0.2,從沉降槽底部排放的濾灰水進洗滌塔流量日期1°爐2爐3°爐總計餅中CaCO3的含量有所增加。從以上情況可以看出通過添加純堿的方法2003-0956421395644213856降低水系統(tǒng)中永久硬度是解決水系統(tǒng)結垢的有效2003-125428952486143264途徑之2004-01487236412537452150300412235134854236146807456871636715合理調配水系統(tǒng)2004-086271443578152043在高溫、高壓下合成氣中產生少量NH3氣2004-115101252348913154273體經(jīng)變換后隨變換冷凝液重新返回除氧器因此除氧器中水呈堿性。此外中壓閃蒸冷凝液、真空(3)激冷環(huán)閃蒸冷凝液也呈堿性這些堿性的水與高濃度的從2003年9月到現(xiàn)在,氣化爐共開停車26Ca2、Mg2很容易形成CaCO3沉淀。因此合理次其中13次未清洗而直接投料。從激冷環(huán)的流使用冷凝液、避免與高黑水接觸、防止結垢是我們量來看從開車的第一天到停車其流量在20面臨的問題。對此,海焦化有限公司進行了以30h。為穩(wěn)妥起見,一般氣化爐運行時間超過下改造60d以上則進行激冷環(huán)清洗從而保證下次運行〔1)洗滌塔循環(huán)泵及鎖斗循環(huán)泵軸封水等由周期冷凝液改為脫鹽水。(4)高壓灰水泵進口管線(2)中壓、真空閃蒸冷凝液由直接進入灰水從高壓灰水泵的進口管線來看,以前每年8槽改為進入沉降槽中心管或渣池目的是在沉降月大修以前進囗管線堵塞嚴重只能勉強維持2槽或渣池內讓部分鈣、鎂離子沉降下來而不是在臺氣化爐運行現(xiàn)在開3臺爐且運行已將近1.5灰水槽內沉降、結垢以減少高壓灰水泵進口管堵年未發(fā)現(xiàn)有堵塞現(xiàn)象塞幾率。此外以前易結垢的管線(濾液泵進口管線)經(jīng)常因結垢而需更換改造后則一直正常運行至6改造效果從使用新型阻垢劑CHQ-1以及進行水系統(tǒng)整改以后上海焦化有限公司德士古氣化裝置水7結語系統(tǒng)結垢情況得到根本改善,以前容易結垢的地從實用結果及現(xiàn)場實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)看,目前方如文丘里洗滌器、灰水換熱器及激冷環(huán)、高壓上海焦化有限公司與華東理工大學合作研制的新灰水泵進口管線等處結垢大為減少。型耐高溫阻垢劑基本滿足生產需要。同時用純(1)文丘里洗滌器堿降低水系統(tǒng)中永久硬度的方法及冷凝液的合理文丘里洗滌器給水量自使用新型阻垢劑后情利用在實際生產過程中也起到了一定的作用。況有所好轉從開車到停車文丘里洗滌器的給水上海焦化有限公司水煤漿氣化裝置目前基本第32卷化肥工業(yè)第3期3)耐高溫適應大溫差工況。波紋管由連氨不暢、壓力上升現(xiàn)象。為此根據(jù)實際情況增大、續(xù)的波紋組成管璧薄、韌性好是一種柔性元件優(yōu)化了波紋管氨冷凝器排氨管線以減小排氨阻具有一定的軸向伸縮能力和熱補償能力消除了力解決了排氨問題使其高效率得以充分發(fā)揮。換熱管與管板之間的應力因而換熱管與管板的據(jù)資料介紹和兄弟廠家的使用經(jīng)驗波紋管氨冷焊縫不易被拉裂能承受較大溫差。波紋管使用凝器應布置在液氨收集槽上方冷凝的液氨直接溫度為-20~450℃工作溫差可達150℃左右。排入收集槽此時阻力最小、運行效率最高。4)防垢、除垢能力強。由于流體湍動程度在年度大修期間拆開波紋管氨冷凝器封頭加大流體不斷沖刷換熱管表面加上不銹鋼材質檢査波紋管的使用情況結果發(fā)現(xiàn)波紋管內表面表面很光滑因而它的防結垢能力較強。另外波均清潔無垢、光亮如新無沖刷腐蝕現(xiàn)象。紋管在受到溫差的作用產生變形時污垢與金屬由于波紋管采用薄壁不銹鋼(0Cr8Ni0Ti)的熱膨脹系數(shù)相差極大加上不銹鋼波紋的光滑材質為了延長其使用壽命加強了循環(huán)水水質的曲線因而污垢與波紋管間產生較大的拉應力促管理即在冷卻水進口前加裝水過濾器并定期檢使污垢脫落實現(xiàn)自動清垢。查、清理同時控制冷卻水中的C1-<10×10-6。2改造、運行情況3使用效果評價經(jīng)過前期準備工作在拆除1臺舊氨冷凝器(1)冰機出口系統(tǒng)壓力穩(wěn)定并由原1的基礎上新上1臺波紋管氨冷凝器(500m2)于1.75MPa降至1.50~1.55MPa冰機電耗明顯降2001年8月投用。波紋管材質為OCrl8Ni10Ti低平均每臺冰機運行電流下降約4A(冰機電壓壁厚0.8mm單殼程、單管程立式安裝。6kV),節(jié)約電費成本相當可觀投用一段時間后對冰機氨冷凝系統(tǒng)進行調2)在夏季同樣運行5臺冰機的工況下循優(yōu)和測試在相同的5臺冰機滿負荷運行條件下環(huán)冷卻水用量由3500m3/h減為1800m3h每改造前需開13臺氨冷凝器而現(xiàn)在只需1臺波紋年可節(jié)水4900kt。同時可少開1臺水泵(功率管氨冷凝器和7臺原有氨冷凝器即可循環(huán)冷卻110kW),節(jié)電效益很明顯。水用量由3500m3h減為2000m3/h且冰機出3)波紋管氨冷凝器維護工作量小避免了口壓力1.60~1.65MPa)也有所下降江工藝操作原氨冷凝器經(jīng)常泄漏而頻繁檢修的現(xiàn)象檢修成條件大為改觀本大大下降。同時由于杜絕了氨的泄漏整個冰正因為這臺波紋管氨冷凝器的顯著運行效機循環(huán)水的水質得以保證水處理藥劑費用大幅果2004年決定再新增1臺波紋管氨冷凝器(718下降。m2)并于同年5月正式投用。至此只開2臺波(4)使用波紋管氨冷凝器后化工崗位的操紋管氨冷凝器就完全能滿足5臺冰機運行的工作強度明顯下降運行平穩(wěn)而且杜絕了氨的直接況。冰機出口壓力降至1.50~1.55MPa循環(huán)冷放空現(xiàn)場環(huán)境大為改善環(huán)保效益明顯。卻水溫升≥5℃用量也相應減小為1500~1800綜上所述波紋管氨冷凝器的使用是比較成m3/h整個冰機冰凍系統(tǒng)實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟、平穩(wěn)功的其效率高、易操作、穩(wěn)定可靠、節(jié)能降耗的特的長周期運行。點得以充分展現(xiàn)。據(jù)測算年多即可收回投資由于改造是利用原有的設備基礎和管路進行其投資效益可觀的受設備位差和排氨管徑限制剛投用時偶有排(收稿日期2004-12-24)上接第23頁)結垢是否與氣化爐合成氣出口噴射冷凝液和氣化達到了長周期、安全穩(wěn)定運行但隨著開3臺氣化爐操作溫度低有關、中壓閃蒸罐內及出口管線結爐的頻率不斷提高及2年一大修的進行對防止垢是否與操作壓力波動及堿性冷凝液有關這些水系統(tǒng)結垢的要求也越來越高。另外本裝置還新問題將有待繼續(xù)研究。