德士古水系统结垢原因分析及解决办法

第5期2006年9月中　氮　肥

M 2Sized Nitrogenous Fertilizer Progress No 15Sep 12006

德士古水系统结垢原因分析及解决办法

李耀东

(上海焦化有限公司,上海　200241)

[中图分类号]TQ 085+4　[文献标识码]B [文章编号]100429932(2006)0520030202

[收稿日期]2006204227

[作者简介]李耀东(1974-),男,上海人,工程师。

1　概　述

德士古水煤浆加压气化工艺自20世纪90年代初引入我国后,广泛应用于化肥和甲醇的生产,目前国内已有十几套生产装置。在德士古水煤浆加压气化装置的生产过程中,水系统的结垢问题一直是困扰装置长周期稳定运行的一大难题。我公司德士古装置在10a 来的运行过程中,曾发生过因管线严重结垢而被迫全线停车检修的经历。这些年来,也进行过不断的改进,如:采、阻垢剂等多种方法,消除或缓解了部分水系统管道中的结垢现象。但由于未能完全弄清水系统的结垢机理,在水系统的调配过程中,仍多次出现因调配不合理而导致管道严重结垢的现象,给系统的生产,特别是环保,带来了较大的影响。2　运行情况介绍

在今年年初的水系统调配过程中,曾尝试将甲醇地沟废水送往A215集水池(主要用以收集德士古装置外排的废水),以便在德士古煤浆系统无法吸纳而A215尚有富余能力时平衡掉这部分废水。一段时间后发现A215的出口流量不断下降,仅一个月就从45t/h 降至20t/h 。经多方查找,在先后排除了集水池淤积、流量计故障、输送泵叶轮磨损等原因后,最终将原因锁定在出口管道堵塞上,并确定导致管道结垢的根源为甲醇地沟废水的引入。在将甲醇地沟废水切除,并对A215出口其中一路管线进行重排后,A215的出口流量恢复至35t/h 。但两个月后,再次发

现出口流量下降,且下降速度非常迅速,两周后

即降至15t/h 。经过认真分析,发现这段时间内唯一的变化是将除氧器的放散气通过排污管线接至了地沟,而正是这股放散气,又一次造成了A215管线的结垢。之后通过对该管道分段拆检

和流量试验,也验证了管道再次结垢原因的判断。于是将除氧器的放散气从地沟切除,接至除氧器的顶部高点放散,重排部分A215出口管线,并对原先A215至动力分公司沉淀池的管道进行了酸洗,A215的出口流量又恢复至40t/h

以上,并一直维持至今。

2003年,为调整德士古装置的水平衡,曾

经将部分真空闪蒸冷凝液接至渣池,作为渣池的补充水,以取代原先作为补充水的工业水,达到少用新鲜水、回用废水、降低废水排放总量的目的。但几个月后就频繁出现渣池泵不打量的情况。停车检修发现渣池泵进出口管线严重结垢,原DN80管道垢层最厚部位的通径还不到10mm ,严重影响了渣池泵的打量。之后严格禁止

将真空闪蒸冷凝液作为渣池补充水后,渣池泵管线结垢的现象才得到了遏止。3　原因分析311　结垢机理

在德士古水系统中,引起结垢的主要是在水中溶解度极小的MgCO 3和CaCO 3,25℃时两种物质的溶度积分别为1×10-5和418×10-9,溶解度分别为31162×10-3和61928×10-5mol/L ,二者混合后的饱和水溶液的硬度(以CaCO 3计)为3231128mg/L ,此数据即为以MgCO 3和CaCO 3为结垢物质的水溶液的临界硬度。当Ca 2+、Mg 2+的浓度大于3231128mg/L

(25℃

时),且水中有超过这一浓度的CO 32-时,就会

产生沉淀。

312　水质分析

对上述案例中相关的水样进行p H、碱度、硬度分析,结果见表1。

表1　各水样的水质分析结果

取样点p H碱度

mg/L 硬度mg/L

150kt/a甲醇地沟81782338158166149

200kt/a甲醇地沟81471471169171153

甲醇火炬冷凝液8166610850

除氧器放散气水溶液8155918126534118

真空闪蒸冷凝液91081512101191171

A215集水池8161651117817130

渣池9111469173736158

从表1分析结果可以看出,虽然甲醇地沟水、除氧器放散气水溶液、真空闪蒸冷凝液这几股水的来源各不相同,但却具有一个共同的特点,即都具有较高的p H和碱度,而硬度相对较低。其中,甲醇地沟废水碱度和p H高是由于甲醇火炬中含氨蒸汽冷凝液的排放造成的;除氧器放散气水溶液碱度高则是由于除氧器内大部分是从甲醇返回的变换冷凝液,即合成气的分离水,碱度较高,经过除氧器的作用,水中溶解的大部分氨气从放散口释放出来,造成了放散气水溶液碱度和p H的上升;真空闪蒸冷凝液碱度高也是由于氨气溶于水造成的。

313　垢的产生

原先A215废水及渣池废水的硬度虽然较高,但由于其p H为813～914,在此条件下,水中CO32-、HCO-3共同存在,而其硬度高于碱度,所以水中的硬度(Ca2+、Mg2+)绝大部分以碳酸氢盐的形式存在,部分以非碳酸盐的形式存在。由于硬度中的很大一部分均为暂时硬度,所以正常情况下不会结垢。当上述高硬度废水与碱度很高而硬度未达到临界硬度的水混合时,就会发生如下反应:Ca2++CO32-CaCO3, Mg2++CO32-MgCO3,即高硬度水中的Ca2+、Mg2+与高碱度水中的CO32-结合在一起。由于原先水中的CaCO3和MgCO3均已达到饱和,于是就出现了MgCO3和CaCO3沉淀,最后附着在管壁上,形成垢。

当然,并不是高碱度的水和高硬度的水相遇必然会导致结垢。如高碱度的水遇到硬度超过3231128mg/L临界硬度的水时,由于没有多余的CO32-,也不会结垢。或者在p H<813的情况下,水中只有HCO-3存在,其与硬度高的水碰到一起,由于不存在CO32-,自然也不会结垢。而在p H>11的情况下,水中只存在OH-,此时如与高硬度的水相遇,则发生如下反应: OH-+HCO-3H2O+CO32-,产生的CO32-与Ca2+、Mg2+结合,就发生另一种结垢情况。因此,两种水碰到一起,到底结不结垢,不能简单地看是否是高硬度碰到高碱度,需根据具体情况仔细分析。

4　解决办法

通过前述分析可知,德士古水系统结垢的主要原因是由于高硬度的水与高碱度的水混合引起的。对此有两种解决办法:一是避免这两种性质的水混合;另一种办法是在水中加阻垢剂。对于后一种方法,由于阻垢剂可提高结垢物质微粒表面的电荷密度,使这些微粒的排斥力增加,降低微粒的结晶速度,并使晶体结构畸变而失去形成桥键的作用,从而使结垢物质保持分散状态,易被水流冲走,这样就避免了垢层在管道表面的沉积。如:灰水槽中高硬度的灰水与高碱度的中压闪蒸冷凝液碰在一起,完全符合上述高硬度与高碱度的水混在一起的结垢条件,但高低压灰水泵进出口管线却没有出现严重的结垢现象,其主要原因就是在灰水槽和高低压灰水泵的进口添加了高效阻垢剂。但由于阻垢剂价格昂贵,且需连续添加,此外还需添置相应的槽、泵,并配制管道,在运行时还要耗电,造成装置运行费用上升,如万不得已,尽量不采用使用阻垢剂的方法来防止管道结垢。

虽然高碱度水与高硬度水混合可能会产生管线结垢的负面影响,但如果能将这一现象合理利用,对水系统进行合理调配,也可以变坏事为好事。今年6月,我公司就曾尝试将真空闪蒸冷凝液引入1#沉降槽,利用真空闪蒸冷凝液的高碱度与沉降槽黑水的高硬度,将沉降槽出水的硬度降下来,并取得了良好的效果,具体数据见表2。

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