李俊凱 楊 卉

中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

水煤漿氣化技術至今已有半個多世紀，在這些年的運行和發(fā)展過程中，水煤漿氣化因技術相對成熟、投資較少等特點發(fā)展較快。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是華東理工大學與兗礦集團合作開發(fā)的一種新型水煤漿氣化技術，相對于傳統(tǒng)水煤漿氣化技術，在規(guī)?；?、系統(tǒng)運行效率、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瓶頸，只有解決了這個問題，才能實現(xiàn)水煤漿氣化技術新的突破和整個裝置長周期穩(wěn)定運行。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)化設計進行探討。

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、旋風分離器和水洗塔的出口黑水通過黑水角閥進入蒸發(fā)熱水塔中的蒸發(fā)室。蒸發(fā)熱水塔為渣水處理的關鍵設備，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：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，黑水減壓閥進出口壓差較大，管道磨損、沖刷嚴重。

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、設備布置、管道布置、材料選用等方面進行優(yōu)化設計。

3.1 工藝優(yōu)化

3.1.1 分級凈化

在傳統(tǒng)技術中，來自氣化爐的粗合成氣直接在水洗塔進行除灰和洗滌。合成氣中的大部分細灰進入水洗塔底部的黑水，進入激冷水系統(tǒng)，長時間運行后可能導致設備堵塞。本裝置采用混合器、旋風分離器和水洗塔相結(jié)合的分級凈化系統(tǒng)，粗合成氣首先進入混合器中，與灰水充分混合后進入旋風分離器，合成氣中的大部分細灰從旋風分離器底部排出，進入渣水處理系統(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、旋風分離器和水洗塔排出的渣水分別減壓后進入蒸發(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 設備布置

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術采用三級閃蒸形式。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，關鍵要確定蒸發(fā)熱水塔黑水出口與低壓閃蒸罐黑水進口的高度差、低壓閃蒸罐黑水出口與真空閃蒸罐黑水進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)隨著閃蒸的進行，含固量高的渣水不斷析出碳酸鈣，長時間運行后吸附在管道壁，堵塞管道。針對這個問題，需合理布置渣水系統(tǒng)管道。在滿足應力要求的情況下，盡量減少彎頭，同時管道應“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，磨蝕較嚴重，應采用大半徑彎頭(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。針對黑水減壓閥進出口壓差較大導致管道磨損嚴重的問題，可以在閃蒸緩沖筒體底部設置耐磨層、內(nèi)部設置耐沖刷部件，增加耐磨的能力，避免裝置運行時磨穿，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，長時間的不動作導致球體表面結(jié)垢嚴重，開關不到位，檢修設備無法退出檢修，給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來安全隱患。

本裝置在部分關鍵設備進出口管道的閥門采用電動執(zhí)行機構(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。該技術簡單高效，并且能降低運行成本[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，既確保了運行時間，又有充分的清理時間，保證了清理質(zhì)量，實際應用效果較好。

氣化爐激冷室、旋風分離器和水洗塔黑水排向蒸發(fā)熱水塔處理，在進入蒸發(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置，當運行中發(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瓶頸，其設計優(yōu)劣直接影響整個裝置長周期的穩(wěn)定運行。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計、工藝、設備布置、選用耐磨材料等不同方面進行了優(yōu)化改造，從而延長氣化爐系統(tǒng)運行周期，有效提高系統(tǒng)運行效率，減少檢修工作量，實現(xiàn)節(jié)能減排和增加產(chǎn)量的目標。