氣化裝置廢水換熱器運(yùn)行問(wèn)題分析與探討

龐忠榮，馬樂(lè)波

（1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750011；2.寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750011）

0 引 言

煤氣化作為一種高效的煤炭綜合利用手段，是現(xiàn)代煤化工裝置的龍頭及其能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在，也是近年來(lái)我國(guó)能源化工領(lǐng)域的重要研究方向［1］。在眾多的煤氣化技術(shù)中，當(dāng)前以激冷流程為代表的煤氣化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，各種爐型層出不窮，如GE水煤漿氣化爐、多噴嘴水煤漿氣化爐、多元料漿氣化爐、GSP氣化爐、航天爐、神寧爐、科林爐、東方爐等［2-3］。雖然不同煤氣化技術(shù)的激冷流程有所不同，但其水系統(tǒng)均主要包括黑水處理和灰水循環(huán)兩大部分，水系統(tǒng)結(jié)垢和堵塞是影響氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的重大問(wèn)題，而很多氣化裝置廢水換熱器的結(jié)垢和堵塞問(wèn)題尤為嚴(yán)重［4］。已發(fā)表的期刊論文中，如孔德升、徐超等［5-6］對(duì)多噴嘴水煤漿氣化渣水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的堵塞和結(jié)垢問(wèn)題進(jìn)行了分析與探討，并提出了一些處理措施。

寧夏寧東能源化工基地某大型干煤粉氣化裝置采用激冷流程，其廢水換熱器運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)結(jié)垢和堵塞問(wèn)題，廢水換熱器平均運(yùn)行周期約30d，嚴(yán)重影響氣化裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。為此，結(jié)合該氣化裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，以下從廢水換熱器自身的設(shè)計(jì)選型、運(yùn)行工藝控制、灰水水質(zhì)情況及換熱器垢樣成分等方面進(jìn)行分析與探討，以期有效改善廢水換熱器的運(yùn)行狀況。

1 廢水換熱器的設(shè)計(jì)選型

該大型干煤粉氣化裝置目前有3種不同規(guī)格／型號(hào)的廢水換熱器（簡(jiǎn)稱A型、B型、C型）。A型廢水換熱器為原始設(shè)計(jì)的廢水換熱器（8程，換熱面積482m2，運(yùn)行周期約10d），不能滿足正常生產(chǎn)所需；后技改增設(shè)B型廢水換熱器（8程，換熱面積995m2，運(yùn)行周期約30d）和C型廢水換熱器（2程，換熱面積1096m2，運(yùn)行周期在50～60d）。

據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般從兩個(gè)方面判斷廢水換熱器堵塞或結(jié)垢與否：一是廢水換熱器的過(guò)水量，即通過(guò)其入口閥的調(diào)節(jié)進(jìn)行判斷，入口閥開(kāi)度持續(xù)增大而過(guò)水量不變或增加不明顯時(shí)，基本上可判斷廢水換熱器已堵塞；二是廢水換熱器的出水溫度，目前根據(jù)下游系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)要求，廢水換熱器出口廢水溫度不高于40℃，否則基本上可判斷廢水換熱器結(jié)垢嚴(yán)重，需停運(yùn)交付清洗。

從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，B型、C型廢水換熱器較之于A型廢水換熱器增加換熱面積后，換熱器的換熱容量得到增加，換熱器短時(shí)間內(nèi)不存在堵塞限流和出口廢水超溫的情況，相較于A型廢水換熱器運(yùn)行周期明顯延長(zhǎng)；雖然B型、C型廢水換熱器換熱面積相近，但C型廢水換熱器運(yùn)行周期明顯較長(zhǎng)，初步分析認(rèn)為是C型廢水換熱器采用了2程式設(shè)計(jì)，降低了廢水在管束內(nèi)的壓降和來(lái)回往返過(guò)程，使得其管束內(nèi)水流速度相對(duì)更快，水中雜質(zhì)沉積堵塞的幾率減少，過(guò)水量得以較好地保持，因而其運(yùn)行周期相對(duì)較長(zhǎng)?？梢?jiàn)，廢水換熱器運(yùn)行周期的長(zhǎng)短在很大程度上取決于設(shè)備自身的選型與換熱能力，合理的選型設(shè)計(jì)是廢水換熱器長(zhǎng)周期運(yùn)行的基本保障。

此外，對(duì)于管程換熱器的設(shè)計(jì)而言，為增大對(duì)流傳熱系數(shù)、降低污垢熱阻，一般設(shè)計(jì)管束內(nèi)流體流速不小于0.5m／s。而據(jù)該氣化裝置廢水換熱器的設(shè)計(jì)，在不計(jì)任何壓力損失及管道阻力降的情況下，換熱器管束內(nèi)流體流速為0.33～0.51m／s。實(shí)際生產(chǎn)中，一方面在排水量低的情況下?lián)Q熱器管束內(nèi)流體流速會(huì)更低，另一方面氣化黑水中懸浮物及固體顆粒含量較多，此兩方面的原因?qū)е聫U水換熱器易結(jié)垢和堵塞。

總之，廢水換熱器的設(shè)計(jì)選型決定了其換熱能力及換熱面積、換熱管束內(nèi)流體的流速，設(shè)備選型偏小是造成廢水換熱器運(yùn)行周期短（易結(jié)垢和堵塞）的根本原因。

2 運(yùn)行工藝控制

現(xiàn)場(chǎng)拆開(kāi)廢水換熱器，對(duì)其內(nèi)部檢查后發(fā)現(xiàn)換熱管束及封頭處沉積有一些顆粒狀黑色粗渣。分析認(rèn)為，粗渣被帶入廢水換熱器的途徑有兩個(gè)：一是撈渣機(jī)里的粗渣通過(guò)渣水泵輸送進(jìn)入沉降槽，而后粗渣跟隨系統(tǒng)水進(jìn)入循環(huán)水罐和廢水換熱器；二是粗渣進(jìn)入激冷室與閃蒸系統(tǒng)連接的黑水管線，繼而進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)后也逐步進(jìn)入沉降槽及循環(huán)水罐和廢水換熱器。上述兩個(gè)途徑應(yīng)該都與系統(tǒng)工況波動(dòng)有關(guān)。因此，探究系統(tǒng)工況波動(dòng)的原因有利于防止氣化粗渣被帶入水系統(tǒng)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，分析認(rèn)為，造成粗渣進(jìn)入水系統(tǒng)的工況波動(dòng)有以下兩個(gè)方面：①撈渣機(jī)渣池容量小，在氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行或粗合成氣含灰量大時(shí)，大量粗渣在瞬間排入渣池的過(guò)程中，少量粗渣也被帶入渣水池，而后隨渣水進(jìn)入黑水系統(tǒng)；②激冷室液位過(guò)高，或液位計(jì)堵塞故障導(dǎo)致激冷室液位控制不穩(wěn)時(shí)，進(jìn)入激冷室內(nèi)的粗渣在氣流擾動(dòng)下進(jìn)入黑水管線，甚至跟隨氣流進(jìn)入洗滌塔，隨后全部進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)、沉降槽和循環(huán)水罐，最后跟隨循環(huán)灰水進(jìn)入廢水換熱器。由此，造成氣化灰水水質(zhì)變差，最終廢水換熱器因結(jié)垢和堵塞而運(yùn)行周期縮短。

3 灰水水質(zhì)情況

3.1 灰水水質(zhì)指標(biāo)的對(duì)比與分析

目前，該大型干煤粉氣化裝置共有6個(gè)氣化區(qū)域使用B型廢水換熱器，各區(qū)域廢水換熱器的在線運(yùn)行周期較接近，無(wú)明顯差異。除對(duì)設(shè)備自身設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行工藝控制方面進(jìn)行分析外，技術(shù)人員還收集了其他氣化裝置的灰水水質(zhì)情況，其對(duì)比情況見(jiàn)表1?？梢钥闯觯涸摎饣b置灰水的硬度、總?cè)芄毯蛻腋∥锖肯鄬?duì)較高，但pH、堿度相對(duì)較低；該氣化裝置在氣化爐原料煤灰分相對(duì)較高的情況下，單臺(tái)氣化爐外排廢水量較比對(duì)裝置低，表明系統(tǒng)內(nèi)水循環(huán)量高，灰量積累也會(huì)相對(duì)較多，灰水水質(zhì)較差。這在理論上也解釋了該氣化裝置灰水中總?cè)芄獭⒂捕群蛻腋∥锖肯鄬?duì)較高的原因，同時(shí)也是廢水換熱器容易積灰堵塞和結(jié)垢的起因或重要原因。

表1 不同氣化裝置氣化灰水水質(zhì)等的對(duì)比

3.2 系統(tǒng)補(bǔ)水水質(zhì)情況

目前該氣化裝置洗滌塔主要外來(lái)補(bǔ)水為汽提凝液、變換高溫凝液、脫鹽水和再生水，外來(lái)補(bǔ)水水質(zhì)復(fù)雜。汽提凝液和變換高溫凝液的pH最高可達(dá)9.0，而該氣化裝置灰水的硬度和堿度較高，這就為灰水系統(tǒng)結(jié)垢提供了條件［7］；此外，該氣化裝置原始設(shè)計(jì)系統(tǒng)補(bǔ)水有再生水和脫鹽水，后為節(jié)約脫鹽水，將部分脫鹽水用再生水代替，而再生水未經(jīng)除鹽處理，加入后會(huì)增加氣化水系統(tǒng)的陰、陽(yáng)離子，增大系統(tǒng)的結(jié)垢趨勢(shì)［8］。

技術(shù)人員對(duì)外補(bǔ)再生水、脫鹽水和系統(tǒng)灰水進(jìn)行取樣分析，分析結(jié)果表明：系統(tǒng)洗滌塔補(bǔ)水所用脫鹽水和再生水的pH偏高，大致上均在7.6～8.7之間（控制指標(biāo)為pH＜7.2）；再生水、脫鹽水、系統(tǒng)灰水的pH變化趨勢(shì)基本一致，間接表明系統(tǒng)外來(lái)水水質(zhì)對(duì)灰水水質(zhì)的影響，也就影響著廢水換熱器的結(jié)垢情況。

4 廢水換熱器垢樣成分分析

對(duì)廢水換熱器結(jié)垢物進(jìn)行取樣，垢樣研磨成粉后于105℃下烘干至恒重，干燥后的樣品置于900℃的高溫爐中灼燒1h，冷卻后的灼燒產(chǎn)物利用X射線熒光光譜儀（XRF）進(jìn)行成分分析（檢出元素含量以其氧化物的形式表示），垢樣成分分析結(jié)果為MgO 1.89%、Al2O31.39%、SiO213.91%、P2O51.08%、SO37.53%、CaO 25.58%、Fe2O37.41%；垢樣中高溫失重部分較多，高溫失重率達(dá)39.64% （主要為殘?zhí)?、碳酸鹽的分解失重及少量有機(jī)物的分解），其他主要是CaO、SiO2等物質(zhì)。由此分析認(rèn)為，廢水換熱器堵塞主要是由于循環(huán)灰水pH、總?cè)芄?、硬度偏高使灰沉積以及部分有機(jī)物存在所致（有明顯酸臭味），其中灰沉積主要以CaCO3和SiO2的沉積為主。

Ca（HCO3）2僅存在于溶液中，其固體極不穩(wěn)定，在0℃時(shí)即可分解為CaCO3，鈣垢的形成和結(jié)垢機(jī)理可能為，灰水中的Ca（HCO3）2在廢水換熱器處因溫度變化而分解為CaCO3，CaCO3析出并附著在換熱器管束上［9］。硅垢的形成和結(jié)垢機(jī)理，DubinL等［10］認(rèn)為有三種情況：一是硅酸縮合形成膠體無(wú)定型SiO2，產(chǎn)生沉淀；二是SiO2膠體破壞后發(fā)生凝聚并形成硅垢；三是硅酸或硅膠與Al3＋、Fe3＋、Mg2＋、Ca2＋反應(yīng)產(chǎn)生沉淀。據(jù)廢水換熱器垢樣成分分析結(jié)果，判斷硅垢的形成和結(jié)垢機(jī)理更傾向于第三種，即化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢，而且是多種鹽形成的復(fù)合垢。

據(jù)上述垢樣成分分析及其形成機(jī)理可以得出，從預(yù)防的角度出發(fā)，需要針對(duì)性地在氣化水系統(tǒng)中加入對(duì)碳酸鈣和硅酸鹽阻垢性強(qiáng)的阻垢劑，以減輕廢水換熱器的結(jié)垢傾向、減緩廢水換熱器的結(jié)垢速度，延長(zhǎng)廢水換熱器的運(yùn)行周期。

5 優(yōu)化改進(jìn)建議

綜上所述，廢水換熱器的穩(wěn)定運(yùn)行與其結(jié)構(gòu)形式（選型）、工藝運(yùn)行控制及灰水水質(zhì)條件等諸多因素有關(guān)，不同氣化裝置需根據(jù)自身的設(shè)備及工藝情況進(jìn)行具體的分析并采取相應(yīng)的措施，一般而言可從以下幾個(gè)方面予以優(yōu)化改進(jìn)。

（1）設(shè)計(jì)階段適當(dāng)放大廢水換熱器的換熱面積，同時(shí)考慮閃蒸系統(tǒng)及沉降槽水溫的波動(dòng)，適當(dāng)提高廢水換熱器入口溫度——不低于80℃，以提高廢水換熱器應(yīng)對(duì)工況波動(dòng)的能力。

（2）穩(wěn)定工藝操作，避免氣化爐激冷室液位大幅波動(dòng)引起的氣化粗渣外帶進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)、沉降槽、循環(huán)水罐及廢水換熱器。

（3）可定期采用沖擊式反沖洗的方式進(jìn)行廢水換熱器內(nèi)部堵塞物的疏松和清理，反洗過(guò)程采用大流量、大流速（＞1m／s）的方式，并觀察反洗的出水情況，以此減緩管束內(nèi)部的堵塞。

（4）選擇適宜的水處理絮凝劑，提高沉降槽的絮凝效果，降低灰水中懸浮物的含量，但也不能為追求低懸浮物含量而在黑水中添加過(guò)量的絮凝劑（會(huì)增加生產(chǎn)成本），一般絮凝劑添加濃度最高不超過(guò)3×10－6，以避免過(guò)量的絮凝劑在循環(huán)水罐或廢水換熱器中二次絮凝而造成設(shè)備和管道內(nèi)雜質(zhì)的沉積堵塞。

（5）針對(duì)不同氣化裝置廢水換熱器的結(jié)垢特性，可以在廢水換熱器入口管道中加入阻垢劑或分散劑，以緩解廢水換熱器的結(jié)垢和堵塞，阻垢劑或分散劑的加入濃度一般宜在（5～15） ×10－6，過(guò)量加入會(huì)增加生產(chǎn)成本且易導(dǎo)致后系統(tǒng)藥劑殘留過(guò)多而影響其運(yùn)行。

（6）可考慮采用化學(xué)軟化、離子交換、電滲析或膜分離等方法從根本上改善氣化灰水水質(zhì)，降低灰水中結(jié)垢性離子含量，從而緩解系統(tǒng)的結(jié)垢趨勢(shì)；同時(shí)從運(yùn)行成本角度考慮，建議只對(duì)全系統(tǒng)1／3～1／2的水量進(jìn)行處理，處理后的灰水硬度控制在500mg／L以下。