无磷灰水分散剂在煤气化灰水装置上的应用研究

孙金忠，曾祥军

（常州中南化工有限公司，江苏 常州 213111）

1 概 述

某公司碳一气化装置采用6.5 MPa德士古高压水煤浆气化炉，3开1备，年消耗原煤190万t，灰水循环量780 m3/h，气化灰水处理工艺包括黑水冷却、热量回收、溶解气体脱除、渣水分离和灰水循环使用等流程[1]。气化灰水具有高温、高压、高浊度、高硬度、高碱度等特点，因此在其循环运行过程中容易产生沉积、结垢、腐蚀等不利现象，影响煤气化设备的正常稳定运行。随着该公司生产运行负荷逐步提高，气化系统对气化灰水系统运行的品质要求日益提高；加之当前环保形势日益严峻，废水外排标准愈加严苛，为减轻水处理工序除磷负担，保证污水处理水质达标，气化装置要求使用无磷配方药剂。经考察对比，该公司决定选用常州中南化工有限公司无磷灰水分散剂HS-09，并于2018年3月在碳一气化装置上进行了现场应用，以下对其在现场9个月的应用情况进行总结。

2 无磷灰水分散剂现场应用情况

2.1 分散剂应用流程

2018年3月，该公司在碳一气化灰水系统上投用无磷灰水分散剂HS-09，投用期间，碳一气化装置运行C、D 2台气化炉，气化灰水量520 m3/h。

按照无磷灰水分散剂现场处理方案，将HS-09用泵输送到大槽内，通过分散剂计量泵按照投加质量浓度100 mg/L将分散剂输送到低压灰水槽（原流程是添加到灰水澄清槽溢流圈内）和高压灰水泵的入口（两者质量比3∶1）。分散剂在灰水中通过溶解、螯合、分散等作用，抑制Ca2+、Mg2+等结垢性离子与CO32-、SO42-等阴离子形成结垢，从而减缓灰水系统相关设备、管道结垢趋势[2]，延长气化装置运行周期。

2.2 气化装置运行情况

气化炉C炉自2018年3月10日开始投加HS-09。4月9日，气化炉C炉因炉内托渣板温度高被迫停车，检查发现炉内挂渣积灰比较严重，导致锥底超温；对工艺气管道检修时发现管道有2 cm左右厚的灰垢，进行拆弯头清洗，但因清洗枪长度和压力不够，清洗效果不理想，在管壁上还残留了较多灰垢的情况下，于4月19日投料开车。运行45 d后，因气化炉渣口压差（PDT0706）达到0.102 MPa被迫在6月4日停车，检查发现工艺气管道积灰垢厚度3 cm～4 cm，通过对灰垢取样分析（结果见表1），判断垢样主要成分为硫酸钙垢；对工艺气管道进行人工振打等物理机械方法处理干净后，于6月13日投料运行。运行至10月12日，C炉按计划停车检修，全面检查气化灰水系统相关设备，发现结垢情况并不严重，在少量灰垢清理后于10月26日投料运行。运行至12月10日，气化炉内液位波动大，判断为导气管内结灰，进行停车检查，发现导气管内壁结灰严重（厚度达3 cm～4 cm），已影响了气化炉内流体的运行状况，再次取样分析（结果见表1），垢样主要成分为硫酸钙垢。

表1 垢样成分分析

气化炉D炉自2018年3月10日开始投加HS-09，6月4日夜班出现激冷水泵故障，激冷水量下降，导致PDT0706压差上涨，在6月5日被迫停车；停炉检查发现导气管内和工艺气管线结灰严重，通过切割工艺气管线、人工敲击振打等方法进行清理，并于6月15日晚投料运行。运行至9月27日，气化炉计划停车检修，在对外围管线拆口检查时发现气化炉外排水管线、低压和高压灰水管线以及洗涤塔内等气化灰水系统设备都比较干净，结垢较轻，垢厚度只有2 mm左右，但气化炉炉内积灰垢比较严重，灰垢厚度达到3 cm左右，从清理情况看，气化炉炉内清理比较容易，说明以积灰为主。

HS-09应用期间，从每个周期内气化炉C、D的检修情况看，气化炉炉内、沉积槽以及导气管积灰结垢比较严重，气化炉灰水系统的外排水管线、黑水管线、低压和高压灰水管线以及洗涤塔内设备比较干净，垢厚度1 mm～2 mm，经过简单清洗便可见金属光泽。

2.3 气化灰水系统运行情况

对气化炉D炉投用HS-09前后的灰水水质进行了分析，结果见表2、表3。

表2 低压灰水泵出口水质分析数据（平均值）

表3 高压灰水泵出口水质分析数据（平均值）

从表2、表3可以看出，无论是低压灰水泵出口的低压灰水，还是高压灰水泵出口的高压灰水，2018年6月—8月气化灰水中Cl-、溶解性总固体、总硬度均有所上升。

HS-09于2018年3月开始投加，从表2、表3看，6月—8月灰水溶解性总固体含量达到历史最高值，结合当时气化炉系统结垢情况，分析灰水溶解性总固体含量高是导致气化装置部分设备、管道结垢最直接的原因。表1对气化炉炉内垢样的分析确认了其主要成分为硫酸钙垢，因此对HS-09药剂成分进行了针对性调整。从气化炉在运行周期内的检修情况看，HS-09成分调整后阻硫酸钙垢的效果很明显。

灰水的置换量（即气化系统向生化系统外送的废水排放量）是影响灰水溶解性总固体含量至关重要的因素。在负荷一定、入炉煤质不变的情况下，即单位时间内溶解在系统内可溶盐量不变时，灰水溶解性总固体含量将随外排废水量的增加而减少。2017年、2018年灰水系统外排废水情况见图1。由图1可知，2018年系统的外送废水量减少20%左右，随着气化炉外排水量的逐步减少，气化灰水系统中的溶解性总固体和硬度含量是逐步增加的，说明气化灰水系统外排量对灰水水质影响非常大。

图1 灰水系统外排废水情况

此外，对比了气化炉C、D炉在2017年—2018年的原煤日消耗量（2017年、2018年同期D炉的原煤日消耗量见图2），2018年气化炉C、D炉整体运行负荷比2017年提高。

图2 2017年—2018年D炉原煤日消耗量

在气化炉负荷增加、灰水系统外排量减少、灰水水质恶化的情况下，气化炉的外排水管线、低压和高压灰水管线结垢情况都有了明显改善，说明HS-09起到了良好的阻垢分散效果作用。

2.4 无磷灰水分散剂与高磷灰水分散剂阻垢对比实验

在Ca2+质量浓度为250 mg/L，HCO3-质量浓度为250 mg/L，悬浮物(SS)质量浓度为80 mg/L，pH为8.8的配制水中，分别投加质量浓度为60 mg/L的高磷、无磷（HS-09）灰水分散剂，升温升压到250℃、4.0 MPa，静置2 h后取水样分析水中剩余钙含量，计算其药剂阻垢率。高磷灰水分散剂与无磷灰水分散剂阻垢率对比见表4。

由表4可以看出，在相同的实验条件下，无磷灰水分散剂的阻垢率高于高磷灰水分散剂。

表4 高磷灰水分散剂与无磷灰水分散剂阻垢率对比

2.5 气化灰水系统相关设备结垢情况对比

在气化炉运行周期基本相同的情况下，对2017年使用高磷灰水分散剂与2018年使用无磷灰水分散剂HS-09期间气化灰水系统相关检修设备结垢情况进行了对比，结果见图3。由图3可以看出，2018年气化灰水系统中的低压灰水管线、高压灰水管线以及外排水管线的结垢情况较2017年明显改善，说明2018年使用的无磷灰水分散剂HS-09效果要好于高磷灰水分散剂。

图3 使用高磷、无磷分散剂气化灰水系统相关设备结垢情况对比

3 结论与建议

3.1 无磷灰水分散剂HS-09在某公司碳一气化灰水处理系统中的应用期自2018年3月至12月，历时9个月，期间由于多种因素的影响，对其使用效果造成了很大影响，但从这段时间HS-09在气化灰水装置上的使用情况看，在气化系统较高负荷、高pH、高硬度、高溶解性总固体的灰水水质条件下，HS-09可以满足气化灰水装置在一定周期内的正常运行要求。

3.2 在气化系统高负荷运行、且灰水外排量下降20%左右的情况下，HS-09能够满足现场气化炉在一定周期内的稳定运行，这不仅节约水资源，保护了环境，还有效缓解了后期污水处理的压力。

3.3 无磷灰水分散剂HS-09应用期间，气化炉外排水管线、低压和高压灰水管线结垢情况较使用高磷药剂时改善。

综上所述，无磷灰水分散剂HS-09在该公司气化装置上的应用是成功的，其节水效果明显，阻垢分散效果良好，未来可进一步优化提高其在气化灰水水质高硬度、高溶解性总固体运行条件下的药剂性能。