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固定層造氣裝置污水漲水的主要問題及解決方案

景玉國

(河北凱躍化工集團有限公司河北廊坊065801)

近年來，我國合成氨產(chǎn)業(yè)大型粉煤氣化所占比例逐年增加，但因固定層造氣裝置具有投資少、技術成熟等優(yōu)勢，目前仍有眾多的合成氨企業(yè)繼續(xù)沿用固定層造氣工藝。隨著不斷進行技術改造和強化管理，很多采用固定層造氣工藝的合成氨企業(yè)實現(xiàn)了低成本運行，其能耗指標遠遠低于大型粉煤氣化裝置，凸顯其生命力，因此，短期內(nèi)我國合成氨產(chǎn)業(yè)很難將固定層造氣裝置全部淘汰。

幾十年來，我國固定層造氣裝置的技術改造一直沒有間斷，DCS系統(tǒng)指標優(yōu)化控制、氫氮比自控、余熱回收、吹風氣回收、污水循環(huán)、自動加炭等多項技術改造為固定層造氣裝置的生存與發(fā)展起到了重要的支撐作用。

影響固定層造氣裝置運行的因素很多，如爐型選擇、設備狀況、入爐煤質(zhì)、各項操作指標的控制等。但目前固定層造氣裝置存在的主要問題是污水漲水，管理較好的企業(yè)一般在春、秋、夏季虧水，而在冬季和雨季漲水，而管理較差的企業(yè)長期存在污水漲水的問題。

有些企業(yè)通過建設大型的污水儲存設施，系統(tǒng)漲水時將污水儲存，虧水時回用，進而實現(xiàn)污水零排放的目標。存在的問題：大型的污水儲存設施占地面積大，污水漲水量較大時，受污水儲存空間的限制，難于滿足需要；有些企業(yè)被迫建設污水處理裝置，但因造氣污水中的污染物含量很高、成分復雜，污水處理難度很大，裝置運行成本很高，同時很難實現(xiàn)正常運行，處理后的污水水質(zhì)超標，污染環(huán)境問題突出；有些企業(yè)采取偷排污水的辦法，造成了較為嚴重的環(huán)境污染，給固定層造氣技術的生存與發(fā)展造成了較為嚴重的負面影響。

固定層造氣工藝要徹底實現(xiàn)污水零排放，必須實現(xiàn)污水循環(huán)系統(tǒng)常年虧水，尤其是冬季和雨季同樣也要實現(xiàn)虧水；污水漲水問題直接制約著采用固定層造氣工藝的合成氨企業(yè)的轉型及產(chǎn)業(yè)升級，也制約著固定層造氣技術能否走得更遠。

1 固定層造氣裝置污水漲水原因分析

導致固定層造氣裝置污水漲水的根本原因是蒸汽利用率低，沒有參加反應的水蒸氣絕大部分通過煤氣洗滌塔冷凝為液態(tài)水進入污水循環(huán)系統(tǒng)，此部分冷凝水的量超過了污水循環(huán)系統(tǒng)自身的蒸發(fā)及損耗量，必然造成污水循環(huán)系統(tǒng)漲水；水夾套嚴重泄漏及外來其他大量水源進入等管理問題也會造成污水循環(huán)系統(tǒng)漲水。

1.1固定層造氣工藝理論蒸汽消耗

蒸汽與碳的反應主要在還原層進行，主要有以下消耗蒸汽生產(chǎn)H2的反應：

H2O+C→CO+H2；

2H2O+C→CO2+2H2。

根據(jù)半水煤氣中H2的含量可以估算出實際參加反應的蒸汽量。以河北凱躍化工集團有限公司聯(lián)醇生產(chǎn)裝置為例，醇氨比55%～60%，吹風氣回收比例較少，半水煤氣成分：φ(CO)32.5%，φ(CO2)6.0%，φ(H2)47.0%，φ(N2)13.5%。生產(chǎn)1 t醇氨的總氨原料煤氣單耗約為2 600 m3(標態(tài))，由此估算出噸醇氨固定層造氣工藝參加反應的蒸汽量為982 kg。

1.2蒸汽利用率

蒸汽利用率指參加反應的蒸汽量與進入固定層造氣系統(tǒng)的全部蒸汽量的比值，蒸汽分解率低、系統(tǒng)控制的閥門密封存在內(nèi)漏、控制閥門起落慢、上下空程空間大、設備外漏嚴重等都會造成蒸汽利用率下降，但蒸汽分解率低是造成蒸汽利用率低的最關鍵因素，管理較好的裝置其蒸汽利用率與蒸汽分解率指標應接近。

目前，實際運行的固定層造氣裝置蒸汽分解率在40%～70%，相當于實際噸氨造氣蒸汽入爐量1 430～2 500 kg，高低相差近1倍。不同企業(yè)的裝置相差很大，同一企業(yè)的裝置不同的階段相差也很大，管理較好的裝置蒸汽分解率可以長期穩(wěn)定在55%～65%，相當于噸氨造氣蒸汽消耗1 500～1 800 kg；管理較差的企業(yè)蒸汽分解率只有40%～50%，相當于噸氨造氣蒸汽消耗約1 900～2 500 kg。一般情況下，固定層造氣裝置的蒸汽分解率低于40%是很難正常運行的；受化學反應平衡的影響，固定層造氣裝置的蒸汽分解率很難長期穩(wěn)定在70%以上。

1.3污水循環(huán)系統(tǒng)漲水與蒸汽利用率

目前,我國固定層造氣裝置污水循環(huán)系統(tǒng)全部為開放式的，熱水在冷卻塔內(nèi)與空氣直接接觸換熱降溫后循環(huán)使用，冷卻塔排出的熱空氣為接近飽和的濕空氣，所以污水循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)量及損耗量的高低受環(huán)境溫度與空氣濕度的影響很大。較為干燥、氣溫較高的春、秋、夏季蒸發(fā)量及損耗量較大；氣溫較低的冬季以及空氣潮濕的雨季，蒸發(fā)量及損耗量很??；高低相差高達幾倍以上，特別是溫差及干濕差較大的地區(qū)尤為突出。

氣溫在-10 ℃以下的冬季或雨季，蒸汽利用率必須達到60%以上才能實現(xiàn)污水平衡;如果是寒冷的冬季或潮濕的梅雨季節(jié)，蒸汽利用率達到60%也無法實現(xiàn)污水平衡；春、秋季節(jié)氣候干燥，蒸汽利用率一般達到45%～50%即可實現(xiàn)污水平衡。季節(jié)的變化、環(huán)境溫度及空氣干濕度的高低是無法控制的，要實現(xiàn)污水不漲水，蒸汽利用率的高低尤為重要。

2 蒸汽利用率低的危害

蒸汽利用率低除導致污水漲水，造成大量的蒸汽浪費外，還會帶來一系列的問題，如氣化層溫度下降、爐況波動、煤耗上升，日常操作中出現(xiàn)跑溫、掛壁、局部結塊、多個火層等諸多問題。實際上，這些問題大多是由于蒸汽用量大、氣化層溫度低、蒸汽分解率低所導致。蒸汽分解率低同時還會造成煤氣中有效氣體成分下降、臺時產(chǎn)量下降、噸氨電耗上升，造成煤氣溫度提高、煤氣降溫冷卻水消耗量增加等，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3 解決方案

3.1減少蒸汽用量、提高氣化層溫度

提高氣化層溫度是提高蒸汽分解率、降低煤耗、實現(xiàn)污水虧水的前提和保證。

3.1.1氣化層溫度

目前的技術還無法通過儀表直接顯示固定層造氣爐氣化層的真實溫度，只能通過灰渣形狀、顏色以及上、下行煤氣溫度的變化等來判斷有沒有氣化層和氣化層溫度的高低。

氣化劑(水蒸氣和空氣)在固定層氣化爐內(nèi)停留時間很短，根據(jù)化學反應平衡的原理，氣化層溫度越高，碳與氣化劑的反應速度越快，反應越充分，空氣消耗量越少,蒸汽分解率和碳的轉化率越高，煤耗越低。但氣化層溫度超過灰渣的流動溫度會使灰渣結疤，無法下渣，也就無法進行正常的制氣生產(chǎn)，所以氣化層溫度應選擇在原料煤的變形溫度與軟化溫度之間操作。

因固定層造氣工藝制氣流程為間歇制氣，氣化層溫度有較大的波動，要求最低溫度與最高溫度相差越小越好。最高溫度是指吹風結束轉制氣前氣化層的溫度，最低溫度是指制氣結束轉吹風前氣化層的溫度。

氣化層溫度在不超過原料煤灰熔點的前提下越高越好，制氣結束轉吹風前氣化層的溫度太低將直接影響吹風效率，造成煤耗上升。

3.1.2提高氣化層溫度的途徑

固定層造氣間歇操作工藝決定了吹風放熱和制氣吸熱交替進行，提高氣化層溫度唯一的途徑就是使氣化層內(nèi)蓄積的熱量大于帶走的熱量。

蒸汽與碳反應生成煤氣是吸熱反應，未反應的蒸汽帶走熱量等同于吸熱，蒸汽入爐量增加只能降低氣化層溫度，是無法提高氣化層溫度的，空氣中的氧氣是提高氣化層溫度唯一的原料。只有將空氣中的氧氣與碳反應放出的熱量集中在氣化層內(nèi)，才能提高氣化層溫度。

只有當氣化層溫度較高時送風，才能獲得更高及穩(wěn)定的氣化層溫度，才能實現(xiàn)強風短吹、空氣利用率高、提溫消耗的碳少。

3.1.3維持氣化層較高的溫度，避免其遭到破壞

維持氣化層較高溫度唯一的辦法是在氣化層溫度較高時控制入爐蒸汽量，確保制氣時碳與蒸汽反應的吸熱量不大于空氣中氧氣與碳反應的放熱量。在氣化層溫度較低時，減少入爐蒸汽的量，確保制氣階段碳與蒸汽反應的吸熱量小于吹風階段氧氣與碳反應的放熱量，確保有足夠的富裕熱量蓄積在氣化層內(nèi)，才能維持氣化層較高的溫度。

沒有較高的溫度，就沒有較高的反應速度，就沒有較高的反應轉化率，就無法實現(xiàn)降低原料煤耗的目標，無法實現(xiàn)污水循環(huán)系統(tǒng)虧水。

3.2強化操作及管理，實現(xiàn)污水回收利用

雖然目前的技術還無法直接顯示固定層造氣爐的氣化層溫度，但可準確計量入爐水蒸氣的量，根據(jù)蒸汽分解率的高低可以間接地、較為準確地判斷氣化層溫度的高低。采用晉城、陽泉煤為原料的固定層造氣裝置，將蒸汽分解率控制在60%～70%，有利于維持較高的氣化層溫度、穩(wěn)定爐況、降低煤耗，同時只有蒸汽利用率維持在60%以上，污水循環(huán)系統(tǒng)才有可能實現(xiàn)常年虧水。

基于固定層造氣裝置存在諸多的不確定因素，包括設備及管理等方面，蒸汽利用率很難長期穩(wěn)定在60%以上，實現(xiàn)長年虧水理論上是可以實現(xiàn)的，但實際運行中很多企業(yè)難以實現(xiàn)，設置污水回收循環(huán)利用裝置也是必要的。

固定層造氣裝置蒸汽利用率達到60%，噸氨蒸汽消耗量約為1 650 kg，未反應的噸氨蒸汽量約為650 kg，水夾套及廢熱鍋爐噸氨自產(chǎn)蒸汽量400～600 kg，噸氨外來蒸汽用量高達1 000～1 200 kg，污水回收循環(huán)利用具有很大的空間。

固定層造氣裝置對冷卻水質(zhì)的要求不高，水夾套運行壓力和溫度較低，對水質(zhì)的要求也不高，對氣化劑水蒸氣的品質(zhì)要求更不高。通過設置污水回收裝置，可以利用固定層造氣工藝的特點，將自身多余的污水實現(xiàn)資源化循環(huán)回收利用，還可以回收利用造氣裝置以外的污水，取消合成氨企業(yè)污水處理裝置或者將現(xiàn)有的污水處理裝置減量、停運，大幅度降低合成氨一次水消耗，同時提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3.2.1氣相法循環(huán)回收

將造氣洗氣塔分2段設置，高溫段水溫達到70～80 ℃，經(jīng)真空閃蒸和低壓、低溫蒸氣加壓、提溫，回收的含有害物質(zhì)的蒸汽代替外來蒸汽作為固定層造氣氣化劑使用，通過氣相法循環(huán)方式實現(xiàn)污水的資源化回收利用。在實現(xiàn)污水回收利用的同時，實現(xiàn)低溫余熱的回收，大幅度降低污水循環(huán)系統(tǒng)的動力消耗。噸氨污水回收量理論上可以達到1 000～1 200 kg，遠遠超過造氣裝置自身污水的漲水量。

低壓蒸汽壓縮可采用螺桿壓縮機，技術上目前不存在問題。

3.2.2液相法循環(huán)回收

造氣水夾套、廢熱鍋爐單獨設置供水系統(tǒng)，同樣將造氣洗氣塔分2段設置，高溫段水溫70～80 ℃，經(jīng)真空閃蒸，將低壓、低溫水蒸氣冷卻為含有害物質(zhì)的冷凝水代替軟水或脫鹽水供造氣水夾套、廢熱鍋爐以及為造氣系統(tǒng)提供水蒸氣的其他崗位的換熱設備使用，在換熱流程設置上考慮余熱綜合利用，所產(chǎn)水蒸氣僅供造氣系統(tǒng)自身使用，噸氨污水回收量可以達到400～1 000 kg，即使造氣系統(tǒng)蒸汽分解率維持在40%～50%的較低水平，也可以保證污水循環(huán)系統(tǒng)常年虧水。

4 結語

固定層造氣裝置每生產(chǎn)1 t合成氨實際參加氣化反應的水蒸氣量只有900～1 000 kg，大量沒有反應的水蒸氣在煤氣洗滌降溫的過程中被煤氣洗滌水冷凝下來，并放出大量的冷凝熱進入煤氣洗滌污水中，使煤氣洗滌的熱負荷大幅度增加、循環(huán)水量增加、制氣能耗及運行成本大幅度提高,同時，又造成熱量的大量浪費，還造成了原料煤耗的升高。因此，減少和控制入爐蒸汽量、提高蒸汽利用率是固定層造氣工藝操作和管理最關鍵的指標，只有提高蒸汽利用率才有可能實現(xiàn)污水循環(huán)系統(tǒng)常年虧水。利用固定層造氣裝置的工藝特點，通過設置污水資源化回收利用裝置，污水循環(huán)系統(tǒng)可以實現(xiàn)常年虧水的目標，大幅度降低合成氨一次水消耗。固定層造氣裝置只有實現(xiàn)了常年虧水，才能真正實現(xiàn)污水零排放，才能從根本上解決固定層造氣工藝目前存在的主要問題，采用固定層造氣工藝的合成氨企業(yè)才能真正實現(xiàn)轉型和升級，才能使固定層造氣技術走得更遠。

收稿日期(2015- 06- 03)