SHELL粉煤气化水系统运行问题及优化改进

Ｓｈｅｌｌ 粉煤气化水系统运行问题及优化改进

张晓永， 成　维（河南龙宇煤化工有限公司， 河南永城　４７６６００）

［摘　要］ 河南龙宇煤化工有限公司Ｓｈｅｌｌ 粉煤气化装置自２００８ 年投运以来， 随着运行时间的延长和环保要求的不断提高， 气化水系统管线泄漏、设备内部堵塞、现场环境卫生差等问题逐渐凸显。为此， 龙宇煤化对气化水系统采取了一系列有针对性的优化改进措施， 包括优化系统流程、升级酸火炬连通管线材质、将真空过滤机改为离心式卧螺机、循环水储罐补水由泵输改为重力作用溢流、各储罐液位控制改为通过机泵变频器调节、各收集罐顶部空冷器加装喷淋装置等。优化改进后， 现场环境卫生状况大为改善， 生产操作方便简洁， 现场设备检修作业频次明显降低， 为Ｓｈｅｌｌ 粉煤气化装置的长周期稳定运行奠定了基础。

［关键词］ Ｓｈｅｌｌ 粉煤气化装置； 气化水系统； 除渣单元； 湿洗单元； 运行问题； 优化改进

０　引　言

河南龙宇煤化工有限公司（简称龙宇煤化）气化装置采用Ｓｈｅｌｌ 粉煤加压气化工艺。其中，合成气除渣单元和湿洗单元产生的废水汇集至气化水系统进行预处理。气化水系统的良好运行是Ｓｈｅｌｌ 粉煤气化装置长周期稳定运行的保障。龙宇煤化Ｓｈｅｌｌ 粉煤气化装置自２００８ 年投运以来，随着运行时间的延长和环保要求的不断提高， 处理渣水和湿洗单元外排水的气化水系统之管线泄漏、设备内部堵塞、现场环境卫生差等问题逐渐凸显， 伴随着设备设施故障频发， 检修工作风险程度也逐渐增高， 严重影响着气化装置的长周期、安全、稳定运行。通过对气化水系统运行问题进行深入分析， 并采取一系列优化改进措施后， 气化水系统现场环境状况大为改善， 生产操作方便简洁， 设备运行周期明显延长。以下对有关情况作一介绍。

１　气化水系统工艺流程简介

Ｓｈｅｌｌ 粉煤气化水系统的主要任务是对除渣单元排出的渣水和湿洗单元排出的洗涤水进行简单处理， 处理后的废水大部分供除渣系统循环使用， 小部分送至污水处理厂进一步处理。气化水处理系统收集来的渣水和洗涤水， 首先进入汽提塔内进行酸性气汽提———０. ６ ＭＰａ 低压饱和蒸汽自下而上与自上而下的渣水和洗涤水在汽提塔内的填料层充分接触， 溶解在渣水和洗涤水中的酸

性气如ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣＮ、ＨＣｌ 及ＮＨ３ 等被解吸出来， 为保持汽提效果， 维持汽提塔操作温度在１２５ ～１３０ ℃、操作压力在０. １８ ～ ０. ２５ ＭＰａ； 从汽提塔中解吸出来的酸性气随蒸汽一起进入空冷器换热降温至９０ ℃而实现气液分离， 分离下来的液体部分送回汽提塔内循环利用， 分离出的酸性气送入酸火炬系统焚烧处理后排放。从渣水单元来的渣水灰分含量高， 从湿洗单元来的洗涤水酸性气含量高， 为防止渣水和洗涤水中的Ｃａ２ ＋ 、Ｍｇ２ ＋ 与ＣＯ２ －３ 在汽提塔填料层形成碳酸钙、碳酸镁沉淀， 汽提塔设置有２ 个填料层， 从除渣单元来的渣水进入下部填料层， 从湿洗单元来的洗涤水以及其他单元收集的废水进入上部填料层， 为避免在汽提塔填料层形成碳酸钙、碳酸镁沉淀，本装置采取了进一步措施———将除渣单元来的渣水先送至沉降槽中沉降， 经絮凝剂絮凝沉降后的上部清液依靠重力进入澄清槽中， 再由澄清液泵送至各使用点； 沉降槽下部的泥浆则通过泥浆泵送至卧螺机中进行分离， 滤液与汽提后的洗涤水最终在沉降槽中汇合。在灰浆浓缩系统中， 界区内收集的污水及捞渣机洗渣后的灰水从沉降槽一侧加入， 为促进固体颗粒沉降， 在沉降槽灰水加入口同时加入一定比例的絮凝剂， 渣水中的悬浮物经絮凝剂作用加速浓缩、长大、沉降后， 较为干净的水从沉降槽另一侧溢流进入溢流槽， 再经分配系统进入各工艺控制点； 沉降槽中沉淀下来的灰浆落入澄清槽底部， 通过刮灰栅耙将灰浆收集到锥底， 再通过底部灰浆泵打到泥浆存储罐， 在泥浆存储罐中，灰浆得到进一步澄清、沉淀， 从泥浆存储罐底部排出的灰浆固含量一般已达２５％， 由泥浆泵送至卧螺机， 经卧螺机分离后固含量达７３％ 的煤泥收集后被大车运出， 卧螺机滤出的清液则被滤液泵送至澄清槽中循环使用。

２　气化水系统运行问题及其影响

２. １　管线因腐蚀／ 冲刷磨损而泄漏

２. １. １　加酸管线及后管段腐蚀泄漏气化水系统的主要任务处理除渣单元排出的渣水和湿洗单元排出的洗涤水， 而除渣单元排出的渣水中Ｃａ２ ＋ 、Ｍｇ２ ＋ 含量较高， 湿洗单元排出的洗涤水中ＣＯ２ －３ 含量较高， ２ 股污水在汽提塔内接触后会生成碳酸钙、碳酸镁等结垢物而造成管线、设备堵塞， 严重影响气化装置的正常运行。为减少垢物的形成， 需通过添加酸液调节系统的ｐＨ 以维持弱酸环境， 酸液在渣水给料泵和洗涤水给料泵出口加入。气化水系统设计压力为０. ２０ ＭＰａ， 为了能让酸液正常加入到气化水系统中并与物料充分混合， 控制酸液压力在０. ３５ＭＰａ。气化水系统运行过程中， 在酸液的强腐蚀性及压力作用下， 加酸管线及后管段出现腐蚀泄漏， 泄漏的酸液对操作平台及周围造成腐蚀， 由此给生产操作和现场人员带来严重的安全隐患。

２. １. ２　去酸火炬管线腐蚀泄漏气化水系统除渣单元和湿洗单元排污水收集罐及汽提塔顶部安全阀放空（气） 至酸火炬管线原始设计均为碳钢材质， 由于系统塔器安全阀在装置运行期间正常情况下均处于关闭状态， 使得安全阀放空至酸火炬管线内部气体流动性较差，另外管线内长期存有从酸火炬返回的酸性介质且被冷凝， 对碳钢材质管线有较大的腐蚀性， 在气化水系统已有２ 处管线存在严重腐蚀减薄泄漏现象的情况下， 若遇塔器安全阀超压启跳， 很有可能导致放空管线爆破撕裂， 大量酸性气泄漏会造成设备损坏及人员中毒窒息等， 安全风险较大。

２. １. ３　高含尘污水输送管线磨损泄漏澄清槽底部经沉降后的物料富含固体颗粒，经机泵加压后输送过程中会对管线造成磨损， 原设计澄清槽和沉降槽出口管线采用耐磨性能好的聚合ＰＶＣ 管， 但实际运行中由于设备振动及ＰＶＣ 管自身的脆性， 高含尘污水输送管线经常出现磨损泄漏， 且泄漏后检修程序繁琐、检修周期较长， 严重影响气化装置的长周期稳定运行。

２. ２　换热器内部等及汽提塔填料层结垢堵塞

２. ２. １　过滤器与管道及换热器内部结垢堵塞由于渣水单元来污水杂质含量高及汽提塔内部结垢， 在机泵入口过滤器及管道内， 尤其是换热器内部易出现结垢堵塞， 造成污水收集罐及汽提塔液位超标， 通过现场导淋排放时现场异味较大， 且造成现场环境卫生脏乱差； 另外， 换热器内部结垢堵塞后， 工艺污水得不到有效降温， 造成进一步处理过程中的工艺污水温度超标。换热器堵塞严重时， 气化水系统工况恶化而无法正常处理气化炉产生的废水。

２. ２. ２　汽提塔填料层结垢堵塞而压差增大

为增加气液两相接触面积、提升汽提效果，汽提塔内部设置有２ 个填料层， 运行过程中除渣单元和湿洗单元排污水在填料表面结垢堆积， 造成上、下填料层压差超标， 操作上减少汽提蒸汽用量后填料层压差得到缓解但汽提效果变差， 需定期清理汽提塔填料层， 清理时需隔离、降温、拆人孔， 检修作业危险程度较高， 稍有不慎就可能引发烫伤、中毒等事故。

２. ３　真空过滤机滤布使用周期短及现场卫生差

除渣单元及湿洗单元来的污水经过汽提、沉降后， 较为干净的水作为内部循环水使用， 含尘量高的悬浮液送至真空过滤机进行固液分离。近几年的运行过程中发现， 真空过滤机滤布使用周期太短，平均１５ ｄ 就要更换１ 次； 另外， 真空过滤机过滤后的煤泥需通过汽车运送至封闭渣场， 沿途撒落部分煤泥导致现场环境卫生差。再有， 真空过滤机运行中用于真空密封和滤布再生的除盐水用量较大， 增加了气化污水处理负荷，增大了污水处理成本。

２. ４　气化水系统负荷重及空冷器出口温度高

由于原料煤煤种变化等方面的原因， 为防止湿洗塔出口合成气中Ｃｌ－ 含量高引起管线腐蚀泄漏， 当前采取的最为直接有效的方法是增大湿洗塔外排及补水， 以避免系统中Ｃｌ－ 富集， 但湿洗

塔外排水增加直接导致气化水处理系统负荷加重； 另外， 湿洗塔排放水温度高、酸性气含量高， 处理过程中， 各收集罐顶部出口气在空冷器处持续维持较高温度， 尤其是进入夏季后， 由于气温高， 各收集罐顶部空冷器冷却效果差， 导致空冷器出口经常出现超温超压的现象。

２. ５　废水回收利用过程中泵／ 阀等故障率高

除渣单元及湿洗单元来的污水经气化水系统处理后， 一部分送至内部循环水储罐作为除渣单元渣锁斗的补水， 实现水资源的回收利用， 多余部分再送至污水处理厂处理。但由于循环水储罐补水与除渣单元渣锁斗补水时间一致， 具有周期性， 补水时流量较大———补水时流量最高达到２６０ ｍ３ ／ ｈ， 而不补水时其流量只有５０ ｍ３ ／ ｈ 左右， 多余的水由清水泵外送至污水处理厂， 这就造成补水输送用的清水泵流量波动较大， 清水泵振动大、噪音大， 严重时需要频繁地启停清水泵， 且对清水泵出口止回阀和压力表冲击严重，其故障率较高， 需频繁更换。

３　优化改进措施及效果

３. １　据气化废水特性优化系统流程

据除渣单元污水尘含量高而酸性气含量低、湿洗单元污水酸性气含量高而尘含量低的特性，对气化水系统工艺流程进行优化———除渣单元来污水不经汽提直接排入沉降槽， 汽提塔只对湿洗单元的洗涤水进行蒸汽汽提处理， 以除去其中的酸性气， 如此一来， 除渣单元排出渣水导致的汽提塔填料层结垢而压差增大以及换热器内部结垢堵塞致污水收集罐和汽提塔液位超标等问题以得到解决。气化水系统工艺流程优化后， 汽提塔上、下填料层压差正常， 利用检修机会拆检换热器及汽提塔， 发现换热器内部及汽提塔填料层表面较为干净， 本优化改进取得了明显的效果。

３. ２　升级酸火炬连通管线材质

将气化水处理系统塔器安全阀放空至酸火炬管线材质由碳钢升级为不锈钢， 同时确保保温伴热管线正常投用， 以降低去酸火炬管线腐蚀泄漏而造成人员中毒窒息等风险。此管线材质升级后， 每年对酸火炬管线壁厚进行测量， 其腐蚀余量在可接受范围之内。

３. ３　将真空过滤机改为离心式卧螺机

为降低运行成本、改善生产现场环境卫生，在煤泥场内增设２ 台离心式卧螺机替代原真空过滤机。相较于真空过滤机， 离心式卧螺机具有如下优点： 对污泥的适应性强， 能在悬浮液浓度波动很大的工况下有效地进行脱水， 可处理真空过滤机不能处理的污泥； 可２４ ｈ 连续运转， 并可实现全自动控制； 无滤布消耗， 安装简便、占有空间小， 可露天设置， 无需单设厂房。离心式卧螺机投用后， 运行稳定。成本方面， 按每年减少使用滤布１８ 床、每床滤布１５ ０００ 元计， 每年可减少更换滤布费用２７ 万元； 另外， 因离心式卧螺机直接安装在封闭的煤泥场， 煤泥用管道输送， 避免了煤泥运输过程中的撒落现象， 保证了气化水处理系统现场环境卫生整洁。

３. ４　循环水储罐补水由泵输改为重力作用溢流

原除渣单元和湿洗单元来的污水经气化水系统处理后一部分由清水泵送至循环水储罐作为除渣单元的补水， 由于补水具有周期性且补水时流量较大， 造成泵／ 阀等故障频发。为此， 将气化水系统处理后的水在沉降槽顶部经溢流管线直接连接至循环水储罐， 即循环水储罐补水由泵输改为重力作用溢流， 并在溢流管线上安装调节阀，控制溢流槽的液位， 在保证循环水储罐补水正常的情况下， 多余的水进入溢流槽后经清水泵送出界区。优化改进后， 清水泵出口压力、流量稳定， 输送管线无振动、无噪音， 运行状况良好。

３. ５　各储罐液位控制改为通过机泵变频器调节

除渣单元和湿洗单元各来水储罐对应的机泵增设变频器， 各来水储罐液位与机泵转速设定自动调整逻辑， 设定各来水储罐液位在适宜范围，机泵通过转速高低实现泵出口流量的调整， 以实现各来水储罐液位的稳定控制。另外， 各来水储罐增设液位高／ 低报警， 可联锁机泵停运， 以减少机泵空转及物料溢流现象。

３. ６　各收集罐顶部空冷器加装喷淋装置

生产中， 气化水系统各收集罐顶部空冷器出口温度持续偏高， 究其原因， 一是受湿洗单元排污水量以及汽提塔蒸汽加入量的影响， 二是空冷器自身２ 台风机通过变频调整其

４　结　语

以某４ ｔ／ ｈ 硫酸铵废水处理装置为例， 采用Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 软件对硫酸铵废水双效顺流蒸发系统进行建模与模拟， 将模型计算参数与文献值进行对比分析， 并研究了氨水加入量对混合溶液ｐＨ和反应产物生成量的影响， 据分析结果可得出如下结论： ① 对硫酸铵溶液这类高含盐电解质体系， 基于Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 软件模拟平台， 选用热力学模型ＥＬＥＣＮＲＴＬ 对硫酸铵溶液的物性数据进行模拟， 硫酸铵溶解度与硫酸铵溶液沸点的模拟结果与文献值基本吻合， 相对误差均小于０. ６％，验证了模型设计方法的可靠性和准确性， 其计算结果可应用于硫酸铵废水双效蒸发过程的模拟与分析； ② 对于硫酸铵废水中残余的游离酸（Ｈ２ＳＯ４）， 采用氨水中和时， 反应后溶液ｐＨ≥７为宜， 可保证Ｈ２ＳＯ４ 全部转化为（ＮＨ４ ）２ＳＯ４，并抑制ＮＨ４ＨＳＯ４ 的生成； ③ 经除杂、中和反应后的硫酸铵溶液， 通过蒸发、浓缩、离心分离等过程得到的硫酸铵产品纯度可达９７％ 以上， 可通过进一步干燥脱水得到固体硫酸铵， 制得肥料级硫酸铵产品或工业级硫酸铵（化工原料）， 具有一定的经济效益。

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