水煤漿氣化渣水處理技術(shù)綜述

1、第1期·· 水煤漿加壓氣化工藝是美國(guó)德士古石油公司在重油氣化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的世界上第二代煤氣化工藝。1945年德士古公司在蒙特貝洛建成第一套中試裝置,并提出了水煤漿的概念,后經(jīng)各國(guó)生產(chǎn)廠家及研究單位逐步完善,于20世紀(jì)80年代投入工業(yè)化生產(chǎn)。中國(guó)于1993年由山東魯南化肥廠引進(jìn)德士古發(fā)展公司的專(zhuān)利技術(shù),建成并投產(chǎn)中國(guó)第一套德士古水煤漿氣化裝置,之后上海焦化、渭河化肥廠、淮南化肥廠、金陵石化公司等相繼建成不同規(guī)模的氣化裝置1-2 。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的運(yùn)行,水煤漿氣化技術(shù)的先進(jìn)性充分顯現(xiàn),并在煤種的選擇、煤漿的配制、氣化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、氣化工藝條件優(yōu)化等各個(gè)方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),

2、但也存在一些問(wèn)題,如渣水處理技術(shù)。本文全面綜述了水煤漿氣化渣水處理技術(shù)、存在的問(wèn)題以及解決途徑。1 德士古渣水處理流程渣水處理技術(shù)是水煤漿加壓氣化技術(shù)的重要組成部分,主要包括黑水處理和灰水循環(huán)兩部分。所謂黑水是從氣化爐、水洗塔、渣池排除的水,灰水是黑水經(jīng)多級(jí)閃蒸、絮凝、過(guò)濾、澄清后形成的水,大部分灰水再經(jīng)脫氧后送氣化單元循環(huán)使用3?？偟膩?lái)說(shuō),渣水處理系統(tǒng)由兩個(gè)方面的任務(wù):對(duì)來(lái)自氣化爐、洗滌塔和渣池的黑水進(jìn)行渣水分離。充分回收這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。典型德士古氣化渣水處理流程見(jiàn)下圖。來(lái)自氣化爐激冷室、洗滌塔以及渣池的黑水分別經(jīng)減壓后進(jìn)入閃蒸系統(tǒng),經(jīng)閃蒸后,一部分被閃蒸為蒸汽,溶解在黑水中的大部分合

3、成氣也被解析出來(lái),同時(shí)黑水被濃縮,溫度降低,閃蒸汽再與灰水進(jìn)行換熱達(dá)到回收熱量的目的。黑水經(jīng)閃蒸后送入沉降槽進(jìn)行沉降,沉降槽上層的澄清液流至灰水槽,經(jīng)脫氧罐脫氧后循環(huán)利用,沉降槽底部細(xì)灰送往真空過(guò)濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾。根據(jù)閃蒸系統(tǒng)的不同,分為二級(jí)閃蒸、三級(jí)閃蒸和四級(jí)閃蒸。其中二級(jí)閃蒸有高壓和真空閃蒸兩部分,其特點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單,設(shè)備投資少,但需嚴(yán)格控制酸性氣體閃蒸和真空閃蒸的溫度。為了更有效地閃蒸其中酸性氣體和降低黑水溫度,設(shè)計(jì)了三級(jí)閃蒸和四級(jí)閃蒸系統(tǒng)。氣化渣水處理系統(tǒng)圖2 存在的問(wèn)題及原因分析2.1存在的問(wèn)題氣化渣水處理系統(tǒng)主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題:在渣水處理系統(tǒng)中,隨著系統(tǒng)中黑水不斷流動(dòng),黑水管線易被堵塞

4、,且閃蒸罐、灰水換熱器等設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重,水煤漿氣化渣水處理技術(shù)綜述陳權(quán)仝勝錄王曉雷王曉光劉健王鳴霍衛(wèi)東(北京低碳清潔能源研究所,北京,102209摘要:分析了水煤漿氣化渣水處理技術(shù)過(guò)程中管道、閥門(mén)堵塞和腐蝕的原因,并綜述了現(xiàn)有渣水處理技術(shù),針對(duì)系統(tǒng)改進(jìn)提出了建議。關(guān)鍵詞:水煤漿氣化渣水處理技術(shù)技術(shù)改進(jìn)中圖分類(lèi)號(hào):T Q 54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-8492(201401-063-03第12卷第1期VOL .12 NO .12014年1月January.2014 作者簡(jiǎn)介:陳權(quán)(1982-,博士,現(xiàn)供職于北京低碳清潔能源研究所,主要研究工業(yè)水處理。T e l :010-*,E -m a

5、 i l :c h e n q u a n n i c e n e r g y .c o m第1期··影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)2,4-6。高壓閃蒸、真空閃蒸進(jìn)口工藝管道、閥門(mén)腐蝕嚴(yán)重,給正常生產(chǎn)帶來(lái)了極大的困難4-7。2.2原因分析分析以上堵塞和腐蝕現(xiàn)象,可以歸結(jié)為以下兩個(gè)原因: (1黑水的固含量大(約1%且硬度較高(一般在1000ppm以上,當(dāng)黑水中固體懸浮物的濃度太高時(shí),固體懸浮物會(huì)誘發(fā)灰水中的碳酸鈣等結(jié)晶,增加固體懸浮物在管道的沉積,從而堵塞管道2,4-6。(2循環(huán)灰水中氯離子含量高,一般在500ppm 以上,對(duì)管道腐蝕嚴(yán)重。另外,渣水處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多個(gè)減壓過(guò)程,當(dāng)減壓閥后的

6、壓力降低到流體的飽和蒸汽壓以下時(shí),將會(huì)形成嚴(yán)重的汽蝕作用,對(duì)閥門(mén)和管道產(chǎn)生破壞作用4-7。3 解決途徑為了解決渣水處理過(guò)程中管道堵塞、腐蝕和結(jié)垢等問(wèn)題,在增加新鮮水量、添加分散劑和絮凝劑等常規(guī)方法的基礎(chǔ)上,科技工作者提出了多種行之有效的方法,主要可以分為降低固含量、降低硬度以及優(yōu)化工藝3個(gè)方面。3.1降低黑水固含量3.1.1 采用分級(jí)凈化技術(shù)德士古技術(shù)將粗合成氣經(jīng)文丘里洗滌器潤(rùn)濕后直接進(jìn)入洗滌塔,合成氣洗滌基本都是在水洗塔內(nèi)完成,在大流量合成氣洗滌時(shí)效果會(huì)受到影響。另外,細(xì)灰大量存在于洗滌塔中的洗滌水內(nèi),這部分水作為氣化爐激冷水使用,必將增加進(jìn)入氣化爐激冷水系統(tǒng)的細(xì)灰含量,增加激冷水管線及激冷

7、環(huán)結(jié)垢堵塞的機(jī)會(huì)。根據(jù)粗煤氣含有較多的飛灰,而飛灰親水性較差很難被潤(rùn)濕的特點(diǎn),華東理工大學(xué)成功開(kāi)發(fā)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)CN1012985698,采用分級(jí)洗滌除塵方式。高溫煤氣經(jīng)先進(jìn)入混合器,在混合器內(nèi)和水充分接觸,然后經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出約80%的固體顆粒,再在水洗塔內(nèi)進(jìn)行二次洗滌。由于采用分級(jí)洗滌除塵,入水洗塔的合成氣含塵量較少,使水洗塔洗滌水中含固量大幅降低,從而保證氣化爐激冷水的質(zhì)量,可有效防止激冷環(huán)內(nèi)結(jié)垢堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。該技術(shù)成功應(yīng)用于魯南化肥廠、江蘇靈谷化工有限公司、滕州鳳凰化肥有限公司、寧煤集團(tuán)等公司9。3.1.2 固液旋流風(fēng)分離技術(shù)專(zhuān)利CN10120988210公開(kāi)了一種快

8、速分離炭黑水中炭黑的技術(shù),該技術(shù)將炭黑水首先利用固流分離器進(jìn)行炭黑和水的分離,經(jīng)固液分離后其懸浮物濃度可將至30ppm以下,該技術(shù)對(duì)于水煤漿氣化渣水處理有一定的借鑒意義。3.1.3 黑水過(guò)濾器專(zhuān)利CN102039068公開(kāi)了一種處理氣化黑水的方法11。該方法將氣化黑水首先通過(guò)脹鼓列管過(guò)濾器去除其中的固體懸浮物,經(jīng)過(guò)濾后的清液固體懸浮物濃度低于50ppm,可直接回用。該過(guò)程無(wú)需加入絮凝劑,極大地降低了設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)行成本。專(zhuān)利US20030015483公開(kāi)了一種過(guò)濾氣化黑水的方法12。其特征在于將激冷室的黑水從氣化反應(yīng)器底部排除,然后通過(guò)過(guò)濾器除去其中的固體懸浮物,清液進(jìn)入后續(xù)處理系統(tǒng)。3.1.4

9、 噴射法去除固體懸浮物專(zhuān)利CN1072695公開(kāi)了一種直接從氣化水洗炭黑水中分離生產(chǎn)炭黑的工藝方法13,其特征在于采用液面噴射泡沫法,在炭黑水中加入活性劑,經(jīng)連續(xù)四級(jí)噴射,固體懸浮物分離效率可達(dá)96%以上,分離后灰水凈化度可降至800ppm,固含量大幅降低。3.2 降低硬度石灰純堿軟化法是一種常用的軟化水的方法,因其處理成本低而得到廣泛應(yīng)用。專(zhuān)利CN102285722將石灰-純堿軟化法成功應(yīng)用于處理氣化外排高硬度灰水14。該技術(shù)首先將灰水與石灰水進(jìn)行混合,然后再加入純堿水進(jìn)行反應(yīng)沉淀。該方法操作簡(jiǎn)便,設(shè)備投資小,處理費(fèi)用低,可將硬度大于1000mg/L的灰水將至350mg/L以下,灰水的處理費(fèi)

10、用低于2元/t。但該方法會(huì)將鈉離子引入灰水中,另外對(duì)氯離子濃度也沒(méi)有任何影響。3.3 工藝優(yōu)化3.3.1 采用防腐蝕材料或抗磨損材料對(duì)于管道、閥門(mén)的腐蝕和磨損,主要有以下幾個(gè)對(duì)策:優(yōu)化設(shè)備、管線結(jié)構(gòu)。如加大調(diào)節(jié)閥后管道的管徑來(lái)降低閥后黑水的流速,減少了黑水對(duì)管道的沖蝕。選擇耐磨損管件。如在減壓閥后管道內(nèi)襯耐磨陶瓷,生產(chǎn)實(shí)踐證明,經(jīng)過(guò)3個(gè)月沒(méi)發(fā)生以往經(jīng)常出現(xiàn)的腐蝕,穿孔問(wèn)題4。3.3.2 直接換熱代替間接換熱德士古氣化技術(shù)的熱量回收多采用換熱器進(jìn)行,由于換熱器換熱面積相對(duì)較小,阻力大,易出現(xiàn)結(jié)垢堵塞,因此熱量回收率相對(duì)較低,設(shè)備清理也較困難,陳權(quán)等:水煤漿氣化渣水處理技術(shù)綜述64第1期·

11、;· 運(yùn)行約60天左右便需將運(yùn)行灰水加熱器退出清理,工作量大。華東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的四噴嘴對(duì)置式氣化技術(shù)采用直接換熱式廢熱回收工藝。從氣化爐、旋風(fēng)分離器、水洗塔出來(lái)的三股黑水減壓后進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室,黑水在蒸發(fā)室進(jìn)行閃蒸,閃蒸出的水蒸汽通過(guò)上升管進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔上部熱水室填料層,與低壓灰水直接換熱,低壓灰水被加熱返回系統(tǒng)循環(huán)使用。使用這種回收熱量技術(shù),閃蒸汽和灰水溫差小,熱回收效率高。另外蒸發(fā)熱水塔填料層運(yùn)行周期較長(zhǎng),填料清理比較簡(jiǎn)單,填料卸出后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械清理即可重新使用8-9。3.3.3 高溫高壓黑水后設(shè)置功量交換器德士古水煤漿氣化技術(shù)氣化工段產(chǎn)生的黑水具有很高的壓力(6.5MP

12、,該壓能沒(méi)有得到有效利用,經(jīng)過(guò)減壓閥后直接進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)。專(zhuān)利CN102557315公開(kāi)的技術(shù)15,通過(guò)在高壓黑水后設(shè)置功量交換設(shè)備,將壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對(duì)外做功來(lái)降低黑水壓力,一方面節(jié)約了能源,另一方面避免了高壓黑水對(duì)閥門(mén)、管道的汽蝕。經(jīng)計(jì)算,對(duì)于一個(gè)30萬(wàn)t/a 合成氨的煤化工企業(yè),可節(jié)約700萬(wàn)的設(shè)備費(fèi),節(jié)省電費(fèi)112萬(wàn)元16。3.3.4 閃蒸罐底部增加集渣罐由于黑水硬度較高,隨著閃蒸的進(jìn)行,碳酸鈣達(dá)到飽和,在設(shè)備內(nèi)壁上析出,形成較厚的垢層。當(dāng)遇到開(kāi)停車(chē)或操作不穩(wěn)定時(shí),溫度變化較大,由于設(shè)備和垢層膨脹系數(shù)差別較大,灰垢較易剝落,堵塞管道和罐體出口17。根據(jù)這些特點(diǎn),在閃蒸罐底部設(shè)計(jì)集渣罐。集

13、渣罐設(shè)置于罐體錐部出口管線與也為調(diào)節(jié)閥之間,其出口設(shè)置折流擋板以防止灰垢進(jìn)入自調(diào)閥4,18。4總結(jié)水煤漿氣化技術(shù)渣水處理技術(shù)能否穩(wěn)定、高效運(yùn)行,直接關(guān)系到整個(gè)氣化裝置的運(yùn)行效率,到目前為止,盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些行之有效的技術(shù),但要徹底解決管道、閥門(mén)堵塞、結(jié)垢、腐蝕等問(wèn)題還需進(jìn)一步深入研究。如開(kāi)發(fā)低廉的灰水脫鹽技術(shù)、優(yōu)化工藝進(jìn)一步降低灰水系統(tǒng)固含量、開(kāi)發(fā)更加高效的絮凝劑和分散劑等。參考文獻(xiàn)1付長(zhǎng)亮,張愛(ài)民.現(xiàn)代煤化工技術(shù)M .北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:37-43.2張清海,馮長(zhǎng)志,趙旭清.包頭煤制烯烴項(xiàng)目水煤漿氣化裝置運(yùn)行情況分析J .神華科技,2013,11(2:79-82.3Hilton

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15、分析與對(duì)策J .管道技術(shù)與設(shè)備,2006,11(2:22-24.8于遵宏,代正華,于廣鎖.一種激冷式漿態(tài)或粉態(tài)含碳物料的氣化方法:中國(guó),101298569P .2008-11-05.9俞駱,金向陽(yáng).IGCC 電站氣化系統(tǒng)及灰水系統(tǒng)優(yōu)化J .華電技術(shù),2008,30(8:40-43.10蔡智,劉宏菊,錢(qián)效南.一種炭黑水分離及脫氨方法:中國(guó),101209882P .2008-07-02.11周洪義,亢萬(wàn)忠,吳胡云.煤氣化灰水處理方法:中國(guó),102039068P .2011-05-04.12Hwan J R, Seufert B F.Black water tilter for high ash c

16、ontain-ing feedstock :US ,0015483P .2003-1-23.13龔永模.一種直接從氣化水洗炭黑水中分離生產(chǎn)干炭黑流程和裝置:中國(guó),102285722P .1996-10-23.14周亞明,王志光,汪文梅.一種煤氣化灰水回用的處理方法:中國(guó),102285722P .2011-12-21.15鄧建強(qiáng),張棟博.一種煤氣化灰水處理工藝及系統(tǒng):中國(guó),102557315P .2012-07-11.16張棟博,鄧建強(qiáng),方永利.Texco 煤氣化灰水處理功量交換應(yīng)用分析J .化學(xué)工程,2011,39(12:1-5.17聶成元,朱冬梅.德士古氣化裝置閃蒸系統(tǒng)改造總結(jié)J .中氮肥,

17、2002(2:42-43.18夏洪強(qiáng).淮化德士古氣化爐運(yùn)行中存在問(wèn)題及解決辦法J .安徽化工,2008(增:70-72.Treatment of Slag Water in Coal Water Slurry Gasification SystemChen Quan Tong Shenglu Wang Xiaolei Wang Xiaoguang Liu Jian Wang Ming Huo Weidong(NationalInstituteofCleanandLowCarbonEnergy ,Beijing102209Abstract:The reasons for blockage and

18、 erosion of pipelines and valves are analyzed in coal water slurry gasification system.Present technologies are summarized to deal with these problems and improving measures are proposed.Key words:Coal Water Slurry;Gasification ;Treatment of Slag Water ;Improving Measures(收稿日期:2013-09-10 責(zé)任編輯:楊靜65 水

19、煤漿氣化渣水處理技術(shù)綜述作者:陳權(quán), 仝勝錄, 王曉雷, 王曉光, 劉健, 王鳴, 霍衛(wèi)東, Chen Quan, Tong Shenglu, Wang Xiaolei , Wang Xiaoguang, Liu Jian, Wang Ming, Huo Weidong作者單位:北京低碳清潔能源研究所,北京,102209刊名:神華科技英文刊名:Northwest Coal年,卷(期:2014(1參考文獻(xiàn)(18條1.付長(zhǎng)亮;張愛(ài)民現(xiàn)代煤化工技術(shù) 20112.張清海;馮長(zhǎng)志;趙旭清包頭煤制烯烴項(xiàng)目水煤漿氣化裝置運(yùn)行情況分析 2013(023.Hilton L J;Seuffert B F;Reich A E Energy efficient filtration of syngas cooling and scrubbing water 19954.朱冬梅;呂傳磊;聶成元水煤漿加壓氣化裝置黑/灰水系統(tǒng)改造 20025.鄭亞蘭;林益安;賀根良濕法氣流床氣化