摘要：灰水是德士古水煤浆气化装置的“血液”，其水质的优劣直接影响着气化装置的运行状况。为了解决灰水系统结垢问题并确保气化装置的长周期稳定运行，本文基于对中煤陕西榆林能源化工有限公司煤制乙烯工程项目的研究，分析了气化灰水系统结垢和堵塞的原因，通过对高低压灰水点实时监测，优化灰水药剂配方，有效地减缓了结垢现象，从而实现了系统的稳定运行。

　　关键词：德士古水煤浆气化；灰水系统；在线监测

　　0引言

　　德士古水煤浆气化是一种安全、成熟且具备良好工艺特性的气化技术，在我国的各个领域得到广泛应用。中煤陕西榆林能源化工有限公司采用德士古水水煤浆半废锅加压气化、净化、甲醇合成和甲醇制烯烃等工艺，以煤为原料生产烯烃产品。然而，灰水系统的高效运行对于确保气化过程的稳定性和可持续性至关重要。灰水具有高硬度和高悬浮物含量，容易发生严重的结垢问题，会导致系统机泵内部及其进出口管路结垢，降低泵的工作能力；同时，激冷水管线和激冷环也会受到严重的结垢影响，导致激冷水流量下降，进而影响激冷环和下降管的使用寿命，从而影响气化炉系统的长周期稳定运行。传统上，灰水系统的监测主要依靠人工巡检和离线取样分析，这种方法存在效率低下、反应迟缓等问题。因此，有必要分析气化灰水系统结垢的原因，开发一种在线监测优化设计方案是非常必要和迫切的，以确保水煤浆气化装置的灰水系统能够长期稳定运行。

　　1灰水结垢部位及对灰水系统影响

　　水煤浆气化炉系统结垢部位主要集中在激冷环、下降管与上升管环隙、大黑水管线以及第二真空闪蒸分离罐。当气化炉系统出现严重的结垢问题时，会导致以下严重后果：

　　1）激冷环堵塞：结垢会导致激冷水不均匀分布，导致激冷室内下降管上的激冷水幕减少甚至中断。这将使得激冷环和下降管暴露在高温合成气中，很快会发生变形，进一步加剧激冷水分布不均匀的问题。

　　2）下降管与上升管环隙堵塞：环隙主要用于引导合成气从气化炉流向洗涤塔，一旦环隙堵塞，合成气的通道截面积减少，合成气流速增加，扰动激冷水的程度加大。细小的灰尘无法沉降，会被合成气带入环隙中，加速环隙的堵塞。堵塞可能不均匀，导致流速不均，引起两侧收缩不平衡，导致下降管和上升管变形。

　　3）大黑水管线堵塞：大黑水管线是气化炉激冷室与高压闪蒸分离罐之间的管线。一旦堵塞，会导致大黑水流量急剧减少，无法及时排出气化炉内的黑水。这会导致激冷室内细小灰尘的积累增加，随着合成气带入环隙和洗涤塔内，甚至可能引起气化炉带水现象，迫使气化炉降低负荷。

　　4）水泵性能下降，灰水中的悬浮物和沉积物会进入循环水泵，导致泵的叶轮、叶片等部件受损或磨损，降低泵的工作效率和性能，从而影响整个灰水系统的水流循环和水质控制，必要时得全厂停车进行检修。

　　2钙镁离子的结垢机理

　　在德士古水系统中，钙垢和镁垢是水中最为常见的水垢，结垢主要是水中溶解度极小的CaCO3和MgCO3，25℃两种物质的溶解积分别为1×10-5和4.8×10-5，溶解度分别为3.162×10-5 mol/L和6.928×10-5 mol/L，二者混合后的饱和水溶液硬度（以CaCO3计）为323.128 mg/L（25℃),且水中超过这一浓度的CO32-时，就会产生结垢。煤浆在燃烧室发生燃烧及裂解等反应，生成的工艺气含有大量的CO2，CO2溶于水相形成HCO3-，由于HCO3-不稳定，在水温变化后，HCO3-又生成CO32-，与灰水中的Ca2+、Mg2+等离子形成CaCO3、MgCO3而析出，从而附着在管壁上形成垢。碱性条件下，pH越高，形成碳酸盐的几率就越大。因此很容易析出碳酸盐晶体，这些晶体相互碰撞，不断增大，吸附在金属表面形成水垢。而且CaCO3的溶解度随着温度的升高而降低，温度升高临界硬度会更低。因此重点对灰水系统中的Ca2+、Mg2+进行监测，当发生变化时，及时增大外送或者调整药剂配方。

　　3技改措施：工艺改进和在线监测

　　3.1气化灰水工艺改进

　　煤浆气化装置水系统工艺流程：来自净化装置变换单元的低温变换凝液、少量脱盐水补水和大部分来自灰水槽（10）的低压灰水进入除氧器（12）除氧后，由高压灰水泵（13）送入洗涤塔（4）洗涤粗煤气，洗涤塔内上层含固量较低的灰水通过激冷水泵（3）输送至激冷水过滤器（2）过滤后，再送入气化炉（1）激冷环，激冷、洗涤粗煤气及灰渣。气化炉、洗涤塔洗涤粗煤气产生的两股黑水进入高压闪蒸罐（5）、低压闪蒸罐（6）、二级真空闪蒸罐（7、8）进行闪蒸分离，回收黑水中的热力及蒸汽，同时黑水不断浓缩，冷却至室温后进入沉降槽沉降（9），沉降槽上层清液溢流至灰水槽（10），再通过低压灰水泵（11）将大部分灰水送至除氧器（12）循环，部分多余的灰水外送废水厂进行处理，如图1所示。

　　黑水进入沉降槽时，需要同时加入絮凝剂进行快速絮凝沉降，沉降槽内上清液需要通过加入阻垢分散剂混合后进入灰水槽，防止在气化装置水系统循环过程中结垢，堵塞管道和设备。目前主要通过每天一次对系统内低压灰水进行手动分析，分析频率过低，同时目前没有对高温高压下的入炉水质进行分析，系统的水质难以得到保证，从而导致目前大多数气化系统出现大面积快速结垢，严重制约着气化炉的长周期稳定运行。

　　低温低压灰水和高温高压灰水取样点的选择，需要结合具体的情况来选择。从装置安全性和管路便捷性的角度出发，低温低压灰水取样点选择在各个低压灰水槽出口，以便及时检测灰水槽内的水质状况。高温高压灰水取样点需要将低压灰水加热至260℃,升压至6.5MPa，以模拟气化炉内结垢环境。为了更好地模拟气化炉激冷室的温度环境，在取样点处设置了预处理箱，通过电加热4.1MPa蒸汽进行加热，将水温升至260℃,然后通过循环水冷却至室温，并经过减压阀降至常压。随后，经过滤系统处理后，将样品引入在线分析仪进行二次分析检测。

　　3.2在线监测

　　基于结垢位置和结垢机理，本改造方案通过对高低压灰水处进行在线监测，以判断絮凝剂的选型和添加量是否合理。在高温高压情况下，水质中Ca2+、Mg2+必然会析出，但是由于气化装置内低压灰水中加入了阻垢性分散剂，在高温高压环境下能够阻止Ca2+、Mg2+的析出。通过对比两次在线分析结果能够对水质系统进行判断；如果高温高压侧的在线测量结果显著下降，表明所选用的阻垢性分散剂存在问题或添加量不适当。这样的监测和调整措施将确保水质的稳定性，促进气化炉系统的正常运行。通过在线监测和反馈，能够实时了解灰水系统的水质状况，及时发现并解决潜在的问题，优化絮凝剂的选用和添加量，保证系统在高温高压条件下的稳定运行。

　　在线监测设备的选择至关重要，由于气化装置内水质恶劣，水质中含有Cl-、Fe3+、SO42-、NH4+、Na+，总可溶性固体在4 500 mg/L，包含各类盐，成分比较复杂，同时水质中的浊度为50 mg/L，较为浑浊。目前Ca2+、Mg2+在线监测仪表众多，选择的仪表应该能够测量出Ca2+、Mg2+同时不被其他离子干扰；选用的是在线电位滴定仪。该仪表选择的滴定试剂只针对Ca2+、Mg2+而不受其他离子所干扰，准确性高。

　　具体实施如图1所示，低压灰水取样点为A处（灰水槽进入低压灰水泵前），高温高压灰水取样点为B处（高压灰水泵出口处）。在图2所示实例中，低压灰水取样点A处自流入过滤器（14）中，经过滤后直接进入在线分析中进行分析；高温高压灰水取样点B处，先经过电加热进行加热，加热至260℃,再次取样，经循环水冷却器（17）降至常温后，再通过减压阀（16）降至常压后，经过滤器（15）过滤后，进入在线分析中进行分析。

　　当絮凝剂、阻垢分散剂的药剂配方发生变化或添加量发生变化，以及气化原料煤的性质发生变化时，水系统中的Ca2+、Mg2+会发生变化。通过采用本方法能够及时进行监测水质的变化。这样做的好处有：

　　1）通过该方法能够实现对高温高压条件下水质的监测；

　　2）当气化炉的原料煤质发生变化时，能够及时监测到气化装置水系统中水质的变化情况，并及时向操作人员提供反馈以进行相应调整；

　　3）当絮凝剂泵、阻垢分散剂泵损坏或管线堵塞以及沉降槽底排污故障损坏等情况发生时，能够及时发现并进行相应的调整；

　　4）当絮凝剂和阻垢分散剂的药剂配方发生改变时，能够通过检验该药剂是否能够满足气化装置的需求；

　　5）当气化系统的水质恶化时，能够及时找到水质恶化的根源，加强对水质的监控力度。同时，水质改善后，能够有效防止气化炉系统内的结垢，延长气化炉的运行周期，从而解决了制约气化炉运行周期的关键问题。

　　4结语

　　中煤榆林能源化工有限公司针对气化装置灰水系统运行中存在的问题，以灰水水质中Ca2+、Mg2+的分析数据为出发点，通过逐一分析灰水系统结垢的位置和因素，确定灰水取样位置及在线监测设备，对比低温低压灰水处与高温高压灰水处的在线分析结果。通过实时监测水质中的Ca2+、Mg2+含量，能够及时发现水质变化，及时调整了絮凝剂和阻垢分散剂的使用量，以改变药剂的药效，延缓系统结垢的速度，以适应复杂的运行水质，从而延长气化炉的运行周期。

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