水煤漿氣化渣水管道堵塞及磨損的原因與對策

李俊凱 楊 卉

中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

水煤漿氣化技術(shù)至今已有半個多世紀(jì)，在這些年的運(yùn)行和發(fā)展過程中，水煤漿氣化因技術(shù)相對成熟、投資較少等特點(diǎn)發(fā)展較快。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是華東理工大學(xué)與兗礦集團(tuán)合作開發(fā)的一種新型水煤漿氣化技術(shù)，相對于傳統(tǒng)水煤漿氣化技術(shù)，在規(guī)?；?、系統(tǒng)運(yùn)行效率、可靠性和穩(wěn)定性等具有較大的優(yōu)勢[1]。而渣水管道易堵塞及易磨損是目前亟待解決的技術(shù)瓶頸，只有解決了這個問題，才能實現(xiàn)水煤漿氣化技術(shù)新的突破和整個裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行。本文結(jié)合某新型水煤漿氣化裝置的工程實例，對渣水管道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行探討。

1 渣水處理流程

多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝的渣水處理流程見圖1。

圖1 多噴嘴對置式水煤漿氣化渣水處理流程

氣化爐、旋風(fēng)分離器和水洗塔的出口黑水通過黑水角閥進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔中的蒸發(fā)室。蒸發(fā)熱水塔為渣水處理的關(guān)鍵設(shè)備，作用是將黑水中的固體和溶解在黑水中的氣體分離，并回收黑水所含的熱量。然后，黑水依次去低壓閃蒸罐和真空閃蒸罐閃蒸，真空閃蒸罐排出的黑水送往澄清槽。澄清槽底部黑水經(jīng)澄清槽底物泵送往壓濾系統(tǒng)。澄清槽上部的灰水溢流至灰水槽，一部分灰水送往蒸發(fā)熱水塔的熱水室，一部分送往鎖斗沖洗水罐，剩下部分去廢水處理。

2 堵塞及磨損原因

根據(jù)已投產(chǎn)的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置的運(yùn)行情況，渣水管道易堵塞及易磨損是暴露出來的典型問題。分析其原因，主要有幾點(diǎn)：① 水煤漿氣化渣水含有較高的固含量，渣水中的碳酸鈣易結(jié)晶，在管道內(nèi)沉積，系統(tǒng)長時間運(yùn)行后，黑水管道流通面積減小，造成黑水流量下降。黑水流量降低又加快了黑水管道的結(jié)垢速度，形成惡性循環(huán)，堵塞管道，影響系統(tǒng)長周期運(yùn)行[2]；② 渣水中氯離子含量高，會腐蝕管道，尤其是在高溫高壓環(huán)境中，管道腐蝕程度更甚[3]；③ 渣水管道經(jīng)過多個減壓過程，黑水減壓閥進(jìn)出口壓差較大，管道磨損、沖刷嚴(yán)重。

3 優(yōu)化措施

為了解決渣水管道堵塞及磨損問題，本裝置從工藝優(yōu)化、設(shè)備布置、管道布置、材料選用等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 工藝優(yōu)化

3.1.1 分級凈化

在傳統(tǒng)技術(shù)中，來自氣化爐的粗合成氣直接在水洗塔進(jìn)行除灰和洗滌。合成氣中的大部分細(xì)灰進(jìn)入水洗塔底部的黑水，進(jìn)入激冷水系統(tǒng)，長時間運(yùn)行后可能導(dǎo)致設(shè)備堵塞。本裝置采用混合器、旋風(fēng)分離器和水洗塔相結(jié)合的分級凈化系統(tǒng)，粗合成氣首先進(jìn)入混合器中，與灰水充分混合后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，合成氣中的大部分細(xì)灰從旋風(fēng)分離器底部排出，進(jìn)入渣水處理系統(tǒng)。只有含少量固體顆粒的氣體送入水洗塔，凈化效果更佳，除灰更徹底，并且避免了激冷水系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)垢和堵塞，其管道布置圖見圖2。

圖2 氣化爐出口粗合成氣管道布置圖

3.1.2 直接換熱

傳統(tǒng)工藝使用換熱器的間接熱交換方式來回收黑水的廢熱。換熱器面積較小，因此容易堵塞，并且回收效率低。本裝置采用直接換熱方式，氣化爐、旋風(fēng)分離器和水洗塔排出的渣水分別減壓后進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室。蒸發(fā)室內(nèi)的渣水大量汽化，同時溶解在水中的酸性氣體解吸。蒸發(fā)室產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入熱水室與來自灰水槽的灰水直接接觸換熱，灰水返回系統(tǒng)，可以循環(huán)利用，換熱后的灰水溫度高，傳熱效率高。而且，直接換熱方案避免了換熱器結(jié)垢和堵塞的問題。

3.2 設(shè)備布置

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)采用三級閃蒸形式。渣水處理采用“步步高”的布置方式，從下往上依次為蒸發(fā)熱水塔、澄清槽、低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐，蒸發(fā)熱水塔和澄清槽放置在地面上，真空閃蒸罐在框架的最高層，見圖3。

圖3 渣水處理設(shè)備布置

蒸發(fā)熱水塔出口黑水依靠壓差送往低壓閃蒸罐，然后低壓閃蒸罐出口黑水同樣依靠壓差流入真空閃蒸罐，而真空閃蒸罐的黑水則通過重力流流入澄清槽。采用這種布置方式，關(guān)鍵要確定蒸發(fā)熱水塔黑水出口與低壓閃蒸罐黑水進(jìn)口的高度差、低壓閃蒸罐黑水出口與真空閃蒸罐黑水進(jìn)口的高度差是否滿足工藝要求。蒸發(fā)熱水塔布置在地面上，低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐分別支撐在EL21.500、EL28.500。經(jīng)過計算，該高度差完全滿足工藝要求。

3.3 管道布置

(1)隨著閃蒸的進(jìn)行，含固量高的渣水不斷析出碳酸鈣，長時間運(yùn)行后吸附在管道壁，堵塞管道。針對這個問題，需合理布置渣水系統(tǒng)管道。在滿足應(yīng)力要求的情況下，盡量減少彎頭，同時管道應(yīng)“步步高”或“步步低”，避免形成袋形，以防止垢層脫落在管道內(nèi)，從而導(dǎo)致管道堵塞。蒸發(fā)熱水塔和低壓閃蒸罐出口黑水管道布置圖分別見圖4和圖5。

圖4 蒸發(fā)熱水塔出口黑水管道布置圖

圖5 低壓閃蒸罐出口黑水管道布置圖

(2)渣水管道彎頭處沖刷頻繁，磨蝕較嚴(yán)重，應(yīng)采用大半徑彎頭(R=5D)，增加壁厚并且耐磨處理。

(3)在管道中容易出現(xiàn)堵塞的位置增加可拆卸短節(jié)，以方便沖洗管道。

(4)黑水減壓閥下的緩沖筒體長度增加至1.5～2 m，磨蝕較小。同時在緩沖筒體的底部設(shè)置盲法蘭，方便檢修。

3.4 材料選用

(1)對容易磨損的管道、管件，選用耐磨材料已被廣泛認(rèn)可和接受，主要有內(nèi)襯陶瓷、堆焊硬質(zhì)合金、沙模整體鑄造等。針對黑水減壓閥進(jìn)出口壓差較大導(dǎo)致管道磨損嚴(yán)重的問題，可以在閃蒸緩沖筒體底部設(shè)置耐磨層、內(nèi)部設(shè)置耐沖刷部件，增加耐磨的能力，避免裝置運(yùn)行時磨穿，并且加大筒體的內(nèi)徑，以便降低黑水的流速，減少對管道的磨損。

(2)目前黑水管線常用的閥門一般為金屬硬密封球閥、軌道球閥等型式。由于黑水管線上的閥門啟閉頻率較低，平時常開，停車時常關(guān)，長時間的不動作導(dǎo)致球體表面結(jié)垢嚴(yán)重，開關(guān)不到位，檢修設(shè)備無法退出檢修，給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來安全隱患。

本裝置在部分關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)出口管道的閥門采用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，部分手動閥門選用偏心半球閥(也叫C型球閥)。球閥開關(guān)輕便，密封可靠，密封面與球面常在閉合狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖蝕，可降低操作勞動強(qiáng)度，縮短處理時間，從而降低生產(chǎn)成本。

(3)選用合適的分散劑，降低渣水管道中固體懸浮物的沉降速率，從而減緩管道的堵塞。

3.5 其他措施

將黑水通過過濾強(qiáng)度高的過濾器，以除去其中的固體懸浮物，過濾后的黑水中固含量低，可循環(huán)利用。該技術(shù)簡單高效，并且能降低運(yùn)行成本[4]。

黑水過濾器用于氣化爐激冷水顆粒的過濾，由于激冷水管線易結(jié)垢，系統(tǒng)在運(yùn)行半年左右就要停車清理一次，每次清理要提前停車、隔離出黑水過濾器，處理時間長，清理質(zhì)量難以保證。備用一臺黑水過濾器在線檢修，既確保了運(yùn)行時間，又有充分的清理時間，保證了清理質(zhì)量，實際應(yīng)用效果較好。

氣化爐激冷室、旋風(fēng)分離器和水洗塔黑水排向蒸發(fā)熱水塔處理，在進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔前通過減壓閥從6.48 MPa(G)減壓至0.8 MPa(G)。黑水含固量高，加上急劇減壓，管線極易磨損，尤其是減壓閥處。一旦減壓閥磨穿，黑水泄漏，只能停車檢修。黑水減壓閥一開一備設(shè)置，當(dāng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)減壓閥出現(xiàn)問題時，立即啟用備用減壓閥，避免因減壓閥磨穿而造成的系統(tǒng)事故停車。

4 結(jié)語

水煤漿氣化裝置渣水管道系統(tǒng)易堵塞及易磨損是目前亟待解決的技術(shù)瓶頸，其設(shè)計優(yōu)劣直接影響整個裝置長周期的穩(wěn)定運(yùn)行。以上討論分析了渣水管道堵塞及磨損的原因，從渣水管道的布置設(shè)計、工藝、設(shè)備布置、選用耐磨材料等不同方面進(jìn)行了優(yōu)化改造，從而延長氣化爐系統(tǒng)運(yùn)行周期，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少檢修工作量，實現(xiàn)節(jié)能減排和增加產(chǎn)量的目標(biāo)。