Ｓｈｅｌｌ 粉煤氣化水系統運行問題及優化改進

張曉永， 成　維（河南龍宇煤化工有限公司， 河南永城　４７６６００）

［摘　要］ 河南龍宇煤化工有限公司Ｓｈｅｌｌ 粉煤氣化裝置自２００８ 年投運以來， 隨著運行時間的延長和環保要求的不斷提高， 氣化水系統管線泄漏、設備內部堵塞、現場環境衛生差等問題逐漸凸顯。為此， 龍宇煤化對氣化水系統采取了一系列有針對性的優化改進措施， 包括優化系統流程、升級酸火炬連通管線材質、將真空過濾機改為離心式臥螺機、循環水儲罐補水由泵輸改為重力作用溢流、各儲罐液位控制改為通過機泵變頻器調節、各收集罐頂部空冷器加裝噴淋裝置等。優化改進后， 現場環境衛生狀況大為改善， 生產操作方便簡潔， 現場設備檢修作業頻次明顯降低， 為Ｓｈｅｌｌ 粉煤氣化裝置的長周期穩定運行奠定了基礎。

［關鍵詞］ Ｓｈｅｌｌ 粉煤氣化裝置； 氣化水系統； 除渣單元； 濕洗單元； 運行問題； 優化改進

０　引　言

河南龍宇煤化工有限公司（簡稱龍宇煤化）氣化裝置采用Ｓｈｅｌｌ 粉煤加壓氣化工藝。其中，合成氣除渣單元和濕洗單元產生的廢水匯集至氣化水系統進行預處理。氣化水系統的良好運行是Ｓｈｅｌｌ 粉煤氣化裝置長周期穩定運行的保障。龍宇煤化Ｓｈｅｌｌ 粉煤氣化裝置自２００８ 年投運以來，隨著運行時間的延長和環保要求的不斷提高， 處理渣水和濕洗單元外排水的氣化水系統之管線泄漏、設備內部堵塞、現場環境衛生差等問題逐漸凸顯， 伴隨著設備設施故障頻發， 檢修工作風險程度也逐漸增高， 嚴重影響著氣化裝置的長周期、安全、穩定運行。通過對氣化水系統運行問題進行深入分析， 并采取一系列優化改進措施后， 氣化水系統現場環境狀況大為改善， 生產操作方便簡潔， 設備運行周期明顯延長。以下對有關情況作一介紹。

１　氣化水系統工藝流程簡介

Ｓｈｅｌｌ 粉煤氣化水系統的主要任務是對除渣單元排出的渣水和濕洗單元排出的洗滌水進行簡單處理， 處理后的廢水大部分供除渣系統循環使用， 小部分送至污水處理廠進一步處理。氣化水處理系統收集來的渣水和洗滌水， 首先進入汽提塔內進行酸性氣汽提———０. ６ ＭＰａ 低壓飽和蒸汽自下而上與自上而下的渣水和洗滌水在汽提塔內的填料層充分接觸， 溶解在渣水和洗滌水中的酸

性氣如ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣＮ、ＨＣｌ 及ＮＨ３ 等被解吸出來， 為保持汽提效果， 維持汽提塔操作溫度在１２５ ～１３０ ℃、操作壓力在０. １８ ～ ０. ２５ ＭＰａ； 從汽提塔中解吸出來的酸性氣隨蒸汽一起進入空冷器換熱降溫至９０ ℃而實現氣液分離， 分離下來的液體部分送回汽提塔內循環利用， 分離出的酸性氣送入酸火炬系統焚燒處理后排放。從渣水單元來的渣水灰分含量高， 從濕洗單元來的洗滌水酸性氣含量高， 為防止渣水和洗滌水中的Ｃａ２ ＋ 、Ｍｇ２ ＋ 與ＣＯ２ －３ 在汽提塔填料層形成碳酸鈣、碳酸鎂沉淀， 汽提塔設置有２ 個填料層， 從除渣單元來的渣水進入下部填料層， 從濕洗單元來的洗滌水以及其他單元收集的廢水進入上部填料層， 為避免在汽提塔填料層形成碳酸鈣、碳酸鎂沉淀，本裝置采取了進一步措施———將除渣單元來的渣水先送至沉降槽中沉降， 經絮凝劑絮凝沉降后的上部清液依靠重力進入澄清槽中， 再由澄清液泵送至各使用點； 沉降槽下部的泥漿則通過泥漿泵送至臥螺機中進行分離， 濾液與汽提后的洗滌水最終在沉降槽中匯合。在灰漿濃縮系統中， 界區內收集的污水及撈渣機洗渣后的灰水從沉降槽一側加入， 為促進固體顆粒沉降， 在沉降槽灰水加入口同時加入一定比例的絮凝劑， 渣水中的懸浮物經絮凝劑作用加速濃縮、長大、沉降后， 較為干凈的水從沉降槽另一側溢流進入溢流槽， 再經分配系統進入各工藝控制點； 沉降槽中沉淀下來的灰漿落入澄清槽底部， 通過刮灰柵耙將灰漿收集到錐底， 再通過底部灰漿泵打到泥漿存儲罐， 在泥漿存儲罐中，灰漿得到進一步澄清、沉淀， 從泥漿存儲罐底部排出的灰漿固含量一般已達２５％， 由泥漿泵送至臥螺機， 經臥螺機分離后固含量達７３％ 的煤泥收集后被大車運出， 臥螺機濾出的清液則被濾液泵送至澄清槽中循環使用。

２　氣化水系統運行問題及其影響

２. １　管線因腐蝕／ 沖刷磨損而泄漏

２. １. １　加酸管線及后管段腐蝕泄漏氣化水系統的主要任務處理除渣單元排出的渣水和濕洗單元排出的洗滌水， 而除渣單元排出的渣水中Ｃａ２ ＋ 、Ｍｇ２ ＋ 含量較高， 濕洗單元排出的洗滌水中ＣＯ２ －３ 含量較高， ２ 股污水在汽提塔內接觸后會生成碳酸鈣、碳酸鎂等結垢物而造成管線、設備堵塞， 嚴重影響氣化裝置的正常運行。為減少垢物的形成， 需通過添加酸液調節系統的ｐＨ 以維持弱酸環境， 酸液在渣水給料泵和洗滌水給料泵出口加入。氣化水系統設計壓力為０. ２０ ＭＰａ， 為了能讓酸液正常加入到氣化水系統中并與物料充分混合， 控制酸液壓力在０. ３５ＭＰａ。氣化水系統運行過程中， 在酸液的強腐蝕性及壓力作用下， 加酸管線及后管段出現腐蝕泄漏， 泄漏的酸液對操作平臺及周圍造成腐蝕， 由此給生產操作和現場人員帶來嚴重的安全隱患。

２. １. ２　去酸火炬管線腐蝕泄漏氣化水系統除渣單元和濕洗單元排污水收集罐及汽提塔頂部安全閥放空（氣） 至酸火炬管線原始設計均為碳鋼材質， 由于系統塔器安全閥在裝置運行期間正常情況下均處于關閉狀態， 使得安全閥放空至酸火炬管線內部氣體流動性較差，另外管線內長期存有從酸火炬返回的酸性介質且被冷凝， 對碳鋼材質管線有較大的腐蝕性， 在氣化水系統已有２ 處管線存在嚴重腐蝕減薄泄漏現象的情況下， 若遇塔器安全閥超壓啟跳， 很有可能導致放空管線爆破撕裂， 大量酸性氣泄漏會造成設備損壞及人員中毒窒息等， 安全風險較大。

２. １. ３　高含塵污水輸送管線磨損泄漏澄清槽底部經沉降后的物料富含固體顆粒，經機泵加壓后輸送過程中會對管線造成磨損， 原設計澄清槽和沉降槽出口管線采用耐磨性能好的聚合ＰＶＣ 管， 但實際運行中由于設備振動及ＰＶＣ 管自身的脆性， 高含塵污水輸送管線經常出現磨損泄漏， 且泄漏后檢修程序繁瑣、檢修周期較長， 嚴重影響氣化裝置的長周期穩定運行。

２. ２　換熱器內部等及汽提塔填料層結垢堵塞

２. ２. １　過濾器與管道及換熱器內部結垢堵塞由于渣水單元來污水雜質含量高及汽提塔內部結垢， 在機泵入口過濾器及管道內， 尤其是換熱器內部易出現結垢堵塞， 造成污水收集罐及汽提塔液位超標， 通過現場導淋排放時現場異味較大， 且造成現場環境衛生臟亂差； 另外， 換熱器內部結垢堵塞后， 工藝污水得不到有效降溫， 造成進一步處理過程中的工藝污水溫度超標。換熱器堵塞嚴重時， 氣化水系統工況惡化而無法正常處理氣化爐產生的廢水。

２. ２. ２　汽提塔填料層結垢堵塞而壓差增大

為增加氣液兩相接觸面積、提升汽提效果，汽提塔內部設置有２ 個填料層， 運行過程中除渣單元和濕洗單元排污水在填料表面結垢堆積， 造成上、下填料層壓差超標， 操作上減少汽提蒸汽用量后填料層壓差得到緩解但汽提效果變差， 需定期清理汽提塔填料層， 清理時需隔離、降溫、拆人孔， 檢修作業危險程度較高， 稍有不慎就可能引發燙傷、中毒等事故。

２. ３　真空過濾機濾布使用周期短及現場衛生差

除渣單元及濕洗單元來的污水經過汽提、沉降后， 較為干凈的水作為內部循環水使用， 含塵量高的懸浮液送至真空過濾機進行固液分離。近幾年的運行過程中發現， 真空過濾機濾布使用周期太短，平均１５ ｄ 就要更換１ 次； 另外， 真空過濾機過濾后的煤泥需通過汽車運送至封閉渣場， 沿途撒落部分煤泥導致現場環境衛生差。再有， 真空過濾機運行中用于真空密封和濾布再生的除鹽水用量較大， 增加了氣化污水處理負荷，增大了污水處理成本。

２. ４　氣化水系統負荷重及空冷器出口溫度高

由于原料煤煤種變化等方面的原因， 為防止濕洗塔出口合成氣中Ｃｌ－ 含量高引起管線腐蝕泄漏， 當前采取的最為直接有效的方法是增大濕洗塔外排及補水， 以避免系統中Ｃｌ－ 富集， 但濕洗

塔外排水增加直接導致氣化水處理系統負荷加重； 另外， 濕洗塔排放水溫度高、酸性氣含量高， 處理過程中， 各收集罐頂部出口氣在空冷器處持續維持較高溫度， 尤其是進入夏季后， 由于氣溫高， 各收集罐頂部空冷器冷卻效果差， 導致空冷器出口經常出現超溫超壓的現象。

２. ５　廢水回收利用過程中泵／ 閥等故障率高

除渣單元及濕洗單元來的污水經氣化水系統處理后， 一部分送至內部循環水儲罐作為除渣單元渣鎖斗的補水， 實現水資源的回收利用， 多余部分再送至污水處理廠處理。但由于循環水儲罐補水與除渣單元渣鎖斗補水時間一致， 具有周期性， 補水時流量較大———補水時流量最高達到２６０ ｍ３ ／ ｈ， 而不補水時其流量只有５０ ｍ３ ／ ｈ 左右， 多余的水由清水泵外送至污水處理廠， 這就造成補水輸送用的清水泵流量波動較大， 清水泵振動大、噪音大， 嚴重時需要頻繁地啟停清水泵， 且對清水泵出口止回閥和壓力表沖擊嚴重，其故障率較高， 需頻繁更換。

３　優化改進措施及效果

３. １　據氣化廢水特性優化系統流程

據除渣單元污水塵含量高而酸性氣含量低、濕洗單元污水酸性氣含量高而塵含量低的特性，對氣化水系統工藝流程進行優化———除渣單元來污水不經汽提直接排入沉降槽， 汽提塔只對濕洗單元的洗滌水進行蒸汽汽提處理， 以除去其中的酸性氣， 如此一來， 除渣單元排出渣水導致的汽提塔填料層結垢而壓差增大以及換熱器內部結垢堵塞致污水收集罐和汽提塔液位超標等問題以得到解決。氣化水系統工藝流程優化后， 汽提塔上、下填料層壓差正常， 利用檢修機會拆檢換熱器及汽提塔， 發現換熱器內部及汽提塔填料層表面較為干凈， 本優化改進取得了明顯的效果。

３. ２　升級酸火炬連通管線材質

將氣化水處理系統塔器安全閥放空至酸火炬管線材質由碳鋼升級為不銹鋼， 同時確保保溫伴熱管線正常投用， 以降低去酸火炬管線腐蝕泄漏而造成人員中毒窒息等風險。此管線材質升級后， 每年對酸火炬管線壁厚進行測量， 其腐蝕余量在可接受范圍之內。

３. ３　將真空過濾機改為離心式臥螺機

為降低運行成本、改善生產現場環境衛生，在煤泥場內增設２ 臺離心式臥螺機替代原真空過濾機。相較于真空過濾機， 離心式臥螺機具有如下優點： 對污泥的適應性強， 能在懸浮液濃度波動很大的工況下有效地進行脫水， 可處理真空過濾機不能處理的污泥； 可２４ ｈ 連續運轉， 并可實現全自動控制； 無濾布消耗， 安裝簡便、占有空間小， 可露天設置， 無需單設廠房。離心式臥螺機投用后， 運行穩定。成本方面， 按每年減少使用濾布１８ 床、每床濾布１５ ０００ 元計， 每年可減少更換濾布費用２７ 萬元； 另外， 因離心式臥螺機直接安裝在封閉的煤泥場， 煤泥用管道輸送， 避免了煤泥運輸過程中的撒落現象， 保證了氣化水處理系統現場環境衛生整潔。

３. ４　循環水儲罐補水由泵輸改為重力作用溢流

原除渣單元和濕洗單元來的污水經氣化水系統處理后一部分由清水泵送至循環水儲罐作為除渣單元的補水， 由于補水具有周期性且補水時流量較大， 造成泵／ 閥等故障頻發。為此， 將氣化水系統處理后的水在沉降槽頂部經溢流管線直接連接至循環水儲罐， 即循環水儲罐補水由泵輸改為重力作用溢流， 并在溢流管線上安裝調節閥，控制溢流槽的液位， 在保證循環水儲罐補水正常的情況下， 多余的水進入溢流槽后經清水泵送出界區。優化改進后， 清水泵出口壓力、流量穩定， 輸送管線無振動、無噪音， 運行狀況良好。

３. ５　各儲罐液位控制改為通過機泵變頻器調節

除渣單元和濕洗單元各來水儲罐對應的機泵增設變頻器， 各來水儲罐液位與機泵轉速設定自動調整邏輯， 設定各來水儲罐液位在適宜范圍，機泵通過轉速高低實現泵出口流量的調整， 以實現各來水儲罐液位的穩定控制。另外， 各來水儲罐增設液位高／ 低報警， 可聯鎖機泵停運， 以減少機泵空轉及物料溢流現象。

３. ６　各收集罐頂部空冷器加裝噴淋裝置

生產中， 氣化水系統各收集罐頂部空冷器出口溫度持續偏高， 究其原因， 一是受濕洗單元排污水量以及汽提塔蒸汽加入量的影響， 二是空冷器自身２ 臺風機通過變頻調整其

４　結　語

以某４ ｔ／ ｈ 硫酸銨廢水處理裝置為例， 采用Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 軟件對硫酸銨廢水雙效順流蒸發系統進行建模與模擬， 將模型計算參數與文獻值進行對比分析， 并研究了氨水加入量對混合溶液ｐＨ和反應產物生成量的影響， 據分析結果可得出如下結論： ① 對硫酸銨溶液這類高含鹽電解質體系， 基于Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 軟件模擬平臺， 選用熱力學模型ＥＬＥＣＮＲＴＬ 對硫酸銨溶液的物性數據進行模擬， 硫酸銨溶解度與硫酸銨溶液沸點的模擬結果與文獻值基本吻合， 相對誤差均小于０. ６％，驗證了模型設計方法的可靠性和準確性， 其計算結果可應用于硫酸銨廢水雙效蒸發過程的模擬與分析； ② 對于硫酸銨廢水中殘余的游離酸（Ｈ２ＳＯ４）， 采用氨水中和時， 反應后溶液ｐＨ≥７為宜， 可保證Ｈ２ＳＯ４ 全部轉化為（ＮＨ４ ）２ＳＯ４，并抑制ＮＨ４ＨＳＯ４ 的生成； ③ 經除雜、中和反應后的硫酸銨溶液， 通過蒸發、濃縮、離心分離等過程得到的硫酸銨產品純度可達９７％ 以上， 可通過進一步干燥脫水得到固體硫酸銨， 制得肥料級硫酸銨產品或工業級硫酸銨（化工原料）， 具有一定的經濟效益。

［參考文獻］

［１］ 萬雅曼． 硫銨蒸發結晶的工藝研究與優化［Ｄ］． 上海： 華東理工大學， ２０１４．

［２］ 陳敏恒， 叢德滋， 方圖南， 等． 化工原理： 第二版［Ｍ］．北京： 化學工業出版社， １９９９．

［３］ 張沛存． 丙烯腈副產硫銨裝置雙效蒸發技術改造［Ｊ］． 山東化工， ２０１１， ４０ （７）： ５３ －５６．

［４］ 楊光輝． 化工流程模擬技術及應用［Ｊ］． 山東化工， ２００８，３７ （８）： ３５ －３８．

［５］ 湯一華． 多效蒸發的實驗基礎及流程模擬［Ｄ］． 上海： 華東理工大學， ２０１１．

［６］ 郝冬青， 沙作良， 王彥飛， 等． 低溫多效海水淡化系統的Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 模擬［Ｊ］． 天津科技大學學報， ２０１１， ２６ （１）：４７ －５０．

［７］ 沈　鑫， 俞　輝， 趙英凱， 等． 常減壓蒸餾裝置流程模擬及優化研究［Ｊ］． 自動化儀表， ２０１１， ３２ （１１）： ３９ －４２．

［８］ 劉啟光， 馬連湘， 劉　杰． 化學化工物性數據手冊（無機卷）［Ｍ］． 北京： 化學工業出版社， ２００６