水煤浆气化装置水系统的研究

第32卷化肥工业第3期水煤浆气化装置水系统的研究顾劲飚(上海焦化有限公司200241)摘要通过对水系统结垢机理的研究明确了结垢旳原因。通过使用新型耐髙温阻垢剂冋时添加纯碱降低水系统中永久硬度的方法及冷凝液的合理利用使水系统结垢问题得到有效缓解关键词水系统结垢机理德士古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浆加压气化装2水系统结垢原因及机理置的运行已日趋稳定。但随着气化炉3开1备及2.1分析数据的统计分析负荷的提高尤其是环保要求的日益严格,该装置经过1个多月的水质分析数据的收集、分析水系统结垢的问题日渐突出,已逐渐影响到气化认为除原煤本身因素对水质影响外还与水和合炉的稳定运行主要表现在高压灰水泵进口管线成气及炉渣的接触时间有较大的关系。同时发现堵塞、激冷环结垢、黑水管线结垢等。在要求2年运行2台气化炉时水中钙、镁离子含量明显小于大修的情况下,公司与华东理工大学合作共同开3台气化炉时的监测值分析数据见表1)因研究开发了新型阻垢剂并通过添加纯碱以降低表1水系统水质分析数据水的硬度等方法较好地解决了系统结垢问题满Cl/总硬度/悬浮物足了生产需要。时间(mg mg水系统工艺流程2003-09-04T15:008.65156.23932.1496开2水系统工艺流程见图1。甲醇系统返回的变200307T8:008.76176.241013.5493台气换冷凝液和脱盐水经除氧器除氧后作为洗涤水北为2003-09-1016:309.01184.65953.47和补充水进入洗涤塔。洗涤塔內工艺水经洗涤塔(5d)2003-09-1315:308.84203.458563295循环泵打至气化炉激冷环,以保持激冷室液位2003-09-16T08:008.92152.24904.05972003-11-16T08:008.76203.121432.08102气化炉洗涤塔产生的黑水经二级闪蒸后进入沉开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灰水经高压灰水泵返回洗涤塔其余经低压灰水(15d)003-11-25108:008.91194.211500.7496泵送至界区外进行废水处理2003-11-28T08:008.95164.371354.1798第32卷化肥工业第3期冷凝液脱盐水低压蒸汽合成气去甲醇冷却水洗涤塔蒸水g真空闪燕分洗涤塔循环泵水累凝剂加阻垢剂处去界外去压滤机低压灰水泵高压灰水泵图1水系统工艺流程图此认定水中硬度的变化取决于水的循环量与系统定结果见图2、图3。保留容积即接触时间、停留时间)之比。2.2合成气中CO2的高温水溶液热力学平衡数NaC]2.7%据的测试NaCl=0%000284062压力/Pa图3不同压力下CO,在含盐和度/°C甲烷气体的水中溶解度图2常压下CO2气体在水中的溶解度相平衡数据表明在气相中CO2的体积分数在高压相平衡装置中对合成气中CO2与水大于4%时碳酸钙一般不会形成钙离子呈溶解第32卷化肥工业第3期亦有沉淀抑制作用;当液相中的CO,浓度与气相子在高浓度时煤灰对碳酸钙沉积的影响主要发体积分数相当时在密闭系统中,气相分压随温度生在初期1min内此时pH值急剧降低。在80上升呈较好的线性关系即CO2始终以饱和状态℃时煤灰对碳酸钙结晶的影响较大其影响同样存在溶解度随压力增加而增大,与气相中CO2主要发生在沉淀的开始阶段。由此可见煤灰与的分压呈正比钙离子的共沉积过程主要在开始阶段进行共沉由此可见激冷室前洗涤水过滤器和激冷环积时间小于10min。这同样证明当气相中CO体沉积物堵塞的原因主要在于系统气相中CO浓度积分数降低时黑水系统中的沉积物极易形成。的显著降低水中CO2随之逸出在高硬度情况下由CO2水解平衡产生的CO32形成碳酸钙与悬浮3解决水系统结垢的方法物共沉积所致研究开发出新型耐高温阻垢剂CHQ-1。2.3碳酸钙与悬浮物共沉积过程的研究根据阻垢剂晶格弯曲及分散的机理我们自在实验室中进行了不同条件下的碳酸钙与煤行研究、开发了含有羧基、硫酸基等的丙酸系共聚灰共沉积的实验。实验在密闭容器中进行值物即CHQ-1型耐高温阻垢剂并对该型阻垢剂仅以 Nahco3调节,钙离子质量浓度分别为180、进行了性能测定。300、540mg/L,碳酸氢根质量浓度为628mg/L(1)试验样品cHQ-1A和CHQ-1B(40℃厢和329mg/(80℃)实验结果见图4、5(2)试验方法①阻垢性能加碳酸钙晶种将500mL1%药剂注入高压釜中在80℃、1MPa条件下加热2h待冷却后配制成1mg/mL溶液按使用剂量50、70mg/L投加试验溶液分别模拟硬水+无钙煤灰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%。时间/in③高温阻垢性能图440℃下起始钙离子浓度为300mg/L的在230~240℃、3MPa条件下按①步骤测碳酸钙沉积曲线([HCO3]=628mg/L.)定结果阻垢性能A为65%~67%B为67%69%证实该阻垢剂有较强的阻垢性能。日694使用纯碱降低水的永久硬度倒6.7由于德士古气化装置水系统是在较高水温和带压工况下运行的且与合成气、煤灰多相接触62CO2的水解平衡和高浓度的硬度存在是碳酸钙沉积的充分条件。无论是何种高效阻垢剂其应用的硬度适应范围总是有限度的故必须控制系统中水的硬度和碱度。根据试验数据可以看出在图580℃下起始钙离子浓度为500mgL的水体中加入碳酸氢钠不仅沉淀效果不好且耗时碳酸钙沉积曲线([HCO3]=329mgL)较长。而改为加入碳酸钠时钙离子基本可在5由实验可知A0℃时钙离子在低浓度时煤min内与碳酸根离子完全反应速度较快灰对碳酸钙的结晶作用影响较小在高浓度时则针对德士古裝置水系统运行的特点我们决第32卷化肥工业第3期含量此沉淀反应不会导致系统中碱度的上升仅来看管道内的灰渣较少稍加清洗即可未出现增加无害钠离子的浓度。同时根据本公司实际情过去满管结垢的情况。沨沉降槽內筒直径1m外筒直径6m沉降槽额(2)灰水换热器定沉降能力为87th总容积120m3现场最大流灰水换热器大修后管程一直未清洗,直至量90t/h)经计算额定能力下灰水的平均停留时2004年3月闪蒸系统检修时才清洗。从拆下的间为1.4h最短停留时间短路)36min吨水的换热器来看换热器管程内残存一些淤渣无硬块碳酸钠添加量为0.5kg。在实际使用过程中由垢。从表2可以看出灰水换热器保持较好的运分析数据可以得出沉降槽内水的总硬度平均降低行状态基本满足开3台气化炉的灰水供应要求。约200mg/L,碱度增加50~100mg/L浓度基本表2灰水流量表(m3h1)无影响和H值提高0.2,从沉降槽底部排放的滤灰水进洗涤塔流量日期1°炉2炉3°炉总计饼中CaCO3的含量有所增加。从以上情况可以看出通过添加纯碱的方法2003-0956421395644213856降低水系统中永久硬度是解决水系统结垢的有效2003-125428952486143264途径之2004-01487236412537452150300412235134854236146807456871636715合理调配水系统2004-086271443578152043在高温、高压下合成气中产生少量NH3气2004-115101252348913154273体经变换后随变换冷凝液重新返回除氧器因此除氧器中水呈碱性。此外中压闪蒸冷凝液、真空(3)激冷环闪蒸冷凝液也呈碱性这些碱性的水与高浓度的从2003年9月到现在,气化炉共开停车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。从激冷环的流使用冷凝液、避免与高黑水接触、防止结垢是我们量来看从开车的第一天到停车其流量在20面临的问题。对此,海焦化有限公司进行了以30h。为稳妥起见,一般气化炉运行时间超过下改造60d以上则进行激冷环清洗从而保证下次运行〔1)洗涤塔循环泵及锁斗循环泵轴封水等由周期冷凝液改为脱盐水。(4)高压灰水泵进口管线(2)中压、真空闪蒸冷凝液由直接进入灰水从高压灰水泵的进口管线来看,以前每年8槽改为进入沉降槽中心管或渣池目的是在沉降月大修以前进囗管线堵塞严重只能勉强维持2槽或渣池内让部分钙、镁离子沉降下来而不是在台气化炉运行现在开3台炉且运行已将近1.5灰水槽内沉降、结垢以减少高压灰水泵进口管堵年未发现有堵塞现象塞几率。此外以前易结垢的管线(滤液泵进口管线)经常因结垢而需更换改造后则一直正常运行至6改造效果从使用新型阻垢剂CHQ-1以及进行水系统整改以后上海焦化有限公司德士古气化装置水7结语系统结垢情况得到根本改善,以前容易结垢的地从实用结果及现场实际的监测数据看,目前方如文丘里洗涤器、灰水换热器及激冷环、高压上海焦化有限公司与华东理工大学合作研制的新灰水泵进口管线等处结垢大为减少。型耐高温阻垢剂基本满足生产需要。同时用纯(1)文丘里洗涤器碱降低水系统中永久硬度的方法及冷凝液的合理文丘里洗涤器给水量自使用新型阻垢剂后情利用在实际生产过程中也起到了一定的作用。况有所好转从开车到停车文丘里洗涤器的给水上海焦化有限公司水煤浆气化装置目前基本第32卷化肥工业第3期3)耐高温适应大温差工况。波纹管由连氨不畅、压力上升现象。为此根据实际情况增大、续的波纹组成管璧薄、韧性好是一种柔性元件优化了波纹管氨冷凝器排氨管线以减小排氨阻具有一定的轴向伸缩能力和热补偿能力消除了力解决了排氨问题使其高效率得以充分发挥。换热管与管板之间的应力因而换热管与管板的据资料介绍和兄弟厂家的使用经验波纹管氨冷焊缝不易被拉裂能承受较大温差。波纹管使用凝器应布置在液氨收集槽上方冷凝的液氨直接温度为-20~450℃工作温差可达150℃左右。排入收集槽此时阻力最小、运行效率最高。4)防垢、除垢能力强。由于流体湍动程度在年度大修期间拆开波纹管氨冷凝器封头加大流体不断冲刷换热管表面加上不锈钢材质检査波纹管的使用情况结果发现波纹管内表面表面很光滑因而它的防结垢能力较强。另外波均清洁无垢、光亮如新无冲刷腐蚀现象。纹管在受到温差的作用产生变形时污垢与金属由于波纹管采用薄壁不锈钢(0Cr8Ni0Ti)的热膨胀系数相差极大加上不锈钢波纹的光滑材质为了延长其使用寿命加强了循环水水质的曲线因而污垢与波纹管间产生较大的拉应力促管理即在冷却水进口前加装水过滤器并定期检使污垢脱落实现自动清垢。查、清理同时控制冷却水中的C1-<10×10-6。2改造、运行情况3使用效果评价经过前期准备工作在拆除1台旧氨冷凝器(1)冰机出口系统压力稳定并由原1的基础上新上1台波纹管氨冷凝器(500m2)于1.75MPa降至1.50~1.55MPa冰机电耗明显降2001年8月投用。波纹管材质为OCrl8Ni10Ti低平均每台冰机运行电流下降约4A(冰机电压壁厚0.8mm单壳程、单管程立式安装。6kV),节约电费成本相当可观投用一段时间后对冰机氨冷凝系统进行调2)在夏季同样运行5台冰机的工况下循优和测试在相同的5台冰机满负荷运行条件下环冷却水用量由3500m3/h减为1800m3h每改造前需开13台氨冷凝器而现在只需1台波纹年可节水4900kt。同时可少开1台水泵(功率管氨冷凝器和7台原有氨冷凝器即可循环冷却110kW),节电效益很明显。水用量由3500m3h减为2000m3/h且冰机出3)波纹管氨冷凝器维护工作量小避免了口压力1.60~1.65MPa)也有所下降江工艺操作原氨冷凝器经常泄漏而频繁检修的现象检修成条件大为改观本大大下降。同时由于杜绝了氨的泄漏整个冰正因为这台波纹管氨冷凝器的显著运行效机循环水的水质得以保证水处理药剂费用大幅果2004年决定再新增1台波纹管氨冷凝器(718下降。m2)并于同年5月正式投用。至此只开2台波(4)使用波纹管氨冷凝器后化工岗位的操纹管氨冷凝器就完全能满足5台冰机运行的工作强度明显下降运行平稳而且杜绝了氨的直接况。冰机出口压力降至1.50~1.55MPa循环冷放空现场环境大为改善环保效益明显。却水温升≥5℃用量也相应减小为1500~1800综上所述波纹管氨冷凝器的使用是比较成m3/h整个冰机冰冻系统实现了安全、经济、平稳功的其效率高、易操作、稳定可靠、节能降耗的特的长周期运行。点得以充分展现。据测算年多即可收回投资由于改造是利用原有的设备基础和管路进行其投资效益可观的受设备位差和排氨管径限制刚投用时偶有排(收稿日期2004-12-24)上接第23页)结垢是否与气化炉合成气出口喷射冷凝液和气化达到了长周期、安全稳定运行但随着开3台气化炉操作温度低有关、中压闪蒸罐內及出口管线结炉的频率不断提高及2年一大修的进行对防止垢是否与操作压力波动及碱性冷凝液有关这些水系统结垢的要求也越来越高。另外本装置还新问题将有待继续研究。