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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(guó)

(河北凱躍化工集團(tuán)有限公司河北廊坊065801)

近年來，我國(guó)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(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，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(jìn)行技術(shù)改造和強(qiáng)化管理，很多采用固定層造氣工藝的合成氨企業(yè)實(shí)現(xiàn)了低成本運(yùn)行，其能耗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型粉煤氣化裝置，凸顯其生命力，因此，短期內(nèi)我國(guó)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(guó)固定層造氣裝置的技術(shù)改造一直沒有間斷，DCS系統(tǒng)指標(biāo)優(yōu)化控制、氫氮比自控、余熱回收、吹風(fēng)氣回收、污水循環(huán)、自動(dòng)加炭等多項(xiàng)技術(shù)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(yùn)行的因素很多，如爐型選擇、設(shè)備狀況、入爐煤質(zhì)、各項(xiàng)操作指標(biāo)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(zhǎng)期存在污水漲水的問題。

有些企業(yè)通過建設(shè)大型的污水儲(chǔ)存設(shè)施，系統(tǒng)漲水時(shí)將污水儲(chǔ)存，虧水時(shí)回用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污水零排放的目標(biāo)。存在的問題：大型的污水儲(chǔ)存設(shè)施占地面積大，污水漲水量較大時(shí)，受污水儲(chǔ)存空間的限制，難于滿足需要；有些企業(yè)被迫建設(shè)污水處理裝置，但因造氣污水中的污染物含量很高、成分復(fù)雜，污水處理難度很大，裝置運(yùn)行成本很高，同時(shí)很難實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，處理后的污水水質(zhì)超標(biāo)，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(yán)重的環(huán)境污染，給固定層造氣技術(shù)的生存與發(fā)展造成了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響。

固定層造氣工藝要徹底實(shí)現(xiàn)污水零排放，必須實(shí)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(shí)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(zhuǎn)型及產(chǎn)業(yè)升級(jí)，也制約著固定層造氣技術(shù)能否走得更遠(yuǎn)。

1 固定層造氣裝置污水漲水原因分析

導(dǎo)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(yīng)的水蒸氣絕大部分通過煤氣洗滌塔冷凝為液態(tài)水進(jìn)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(yán)重泄漏及外來其他大量水源進(jìn)入等管理問題也會(huì)造成污水循環(huán)系統(tǒng)漲水。

1.1固定層造氣工藝?yán)碚撜羝?/p>

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

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(shí)際參加反應(yīng)的蒸汽量。以河北凱躍化工集團(tuán)有限公司聯(lián)醇生產(chǎn)裝置為例，醇氨比55%～60%，吹風(fēng)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(biāo)態(tài))，由此估算出噸醇氨固定層造氣工藝參加反應(yīng)的蒸汽量為982 kg。

1.2蒸汽利用率

蒸汽利用率指參加反應(yīng)的蒸汽量與進(jìn)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(shè)備外漏嚴(yán)重等都會(huì)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(guān)鍵因素，管理較好的裝置其蒸汽利用率與蒸汽分解率指標(biāo)應(yīng)接近。

目前，實(shí)際運(yùn)行的固定層造氣裝置蒸汽分解率在40%～70%，相當(dāng)于實(shí)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(zhǎng)期穩(wěn)定在55%～65%，相當(dāng)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(dāng)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(yùn)行的；受化學(xué)反應(yīng)平衡的影響，固定層造氣裝置的蒸汽分解率很難長(zhǎng)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(guó)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)量及損耗量很小；高低相差高達(dá)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(dá)到60%以上才能實(shí)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(dá)到60%也無法實(shí)現(xiàn)污水平衡；春、秋季節(jié)氣候干燥，蒸汽利用率一般達(dá)到45%～50%即可實(shí)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(shí)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(dǎo)致污水漲水，造成大量的蒸汽浪費(fèi)外，還會(huì)帶來一系列的問題，如氣化層溫度下降、爐況波動(dòng)、煤耗上升，日常操作中出現(xiàn)跑溫、掛壁、局部結(jié)塊、多個(gè)火層等諸多問題。實(shí)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(dǎo)致。蒸汽分解率低同時(shí)還會(huì)造成煤氣中有效氣體成分下降、臺(tái)時(shí)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(jì)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(shí)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(shù)還無法通過儀表直接顯示固定層造氣爐氣化層的真實(shí)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(shí)間很短，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡的原理，氣化層溫度越高，碳與氣化劑的反應(yīng)速度越快，反應(yīng)越充分，空氣消耗量越少,蒸汽分解率和碳的轉(zhuǎn)化率越高，煤耗越低。但氣化層溫度超過灰渣的流動(dòng)溫度會(huì)使灰渣結(jié)疤，無法下渣，也就無法進(jìn)行正常的制氣生產(chǎn)，所以氣化層溫度應(yīng)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(dòng)，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(fēng)結(jié)束轉(zhuǎn)制氣前氣化層的溫度，最低溫度是指制氣結(jié)束轉(zhuǎn)吹風(fēng)前氣化層的溫度。

氣化層溫度在不超過原料煤灰熔點(diǎn)的前提下越高越好，制氣結(jié)束轉(zhuǎn)吹風(fēng)前氣化層的溫度太低將直接影響吹風(fēng)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(fēng)放熱和制氣吸熱交替進(jìn)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(yīng)生成煤氣是吸熱反應(yīng)，未反應(yīng)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(yīng)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(dāng)氣化層溫度較高時(shí)送風(fēng)，才能獲得更高及穩(wěn)定的氣化層溫度，才能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)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(shí)控制入爐蒸汽量，確保制氣時(shí)碳與蒸汽反應(yīng)的吸熱量不大于空氣中氧氣與碳反應(yīng)的放熱量。在氣化層溫度較低時(shí)，減少入爐蒸汽的量，確保制氣階段碳與蒸汽反應(yīng)的吸熱量小于吹風(fēng)階段氧氣與碳反應(yīng)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(yīng)速度，就沒有較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，就無法實(shí)現(xiàn)降低原料煤耗的目標(biāo)，無法實(shí)現(xiàn)污水循環(huán)系統(tǒng)虧水。

3.2強(qiáng)化操作及管理，實(shí)現(xiàn)污水回收利用

雖然目前的技術(shù)還無法直接顯示固定層造氣爐的氣化層溫度，但可準(zhǔn)確計(jì)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(zhǔn)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(shí)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(shí)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(shè)備及管理等方面，蒸汽利用率很難長(zhǎng)期穩(wěn)定在60%以上，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)年虧水理論上是可以實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際運(yùn)行中很多企業(yè)難以實(shí)現(xiàn)，設(shè)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(dá)到60%，噸氨蒸汽消耗量約為1 650 kg，未反應(yīng)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(dá)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(duì)冷卻水質(zhì)的要求不高，水夾套運(yùn)行壓力和溫度較低，對(duì)水質(zhì)的要求也不高，對(duì)氣化劑水蒸氣的品質(zhì)要求更不高。通過設(shè)置污水回收裝置，可以利用固定層造氣工藝的特點(diǎn)，將自身多余的污水實(shí)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(yùn)，大幅度降低合成氨一次水消耗，同時(shí)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.1氣相法循環(huán)回收

將造氣洗氣塔分2段設(shè)置，高溫段水溫達(dá)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(shí)現(xiàn)污水的資源化回收利用。在實(shí)現(xiàn)污水回收利用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低溫余熱的回收，大幅度降低污水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力消耗。噸氨污水回收量理論上可以達(dá)到1 000～1 200 kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)，技術(shù)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(dú)設(shè)置供水系統(tǒng)，同樣將造氣洗氣塔分2段設(shè)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(shè)備使用，在換熱流程設(shè)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(dá)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(jié)語

固定層造氣裝置每生產(chǎn)1 t合成氨實(shí)際參加氣化反應(yīng)的水蒸氣量只有900～1 000 kg，大量沒有反應(yīng)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(jìn)入煤氣洗滌污水中，使煤氣洗滌的熱負(fù)荷大幅度增加、循環(huán)水量增加、制氣能耗及運(yùn)行成本大幅度提高,同時(shí)，又造成熱量的大量浪費(fèi)，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(guān)鍵的指標(biāo)，只有提高蒸汽利用率才有可能實(shí)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(diǎn)，通過設(shè)置污水資源化回收利用裝置，污水循環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常年虧水的目標(biāo)，大幅度降低合成氨一次水消耗。固定層造氣裝置只有實(shí)現(xiàn)了常年虧水，才能真正實(shí)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和升級(jí)，才能使固定層造氣技術(shù)走得更遠(yuǎn)。

收稿日期(2015- 06- 03)