1种新型阻垢技术在水煤浆气化灰水装置的应用

郑积林，吴发洪，厉望

（1.浙江巨化股份有限公司；2.浙江晋巨化工有限公司：浙江 衢州 324000）

某50 kt/a 合成氨的水煤浆气化炉，操作压力2.5 MPa，耐火砖衬砌。生产所需要的原料水煤浆，使用烟煤加水通过棒磨机研磨制浆得到。随着循环化利用、环保处置要求的提高，水煤浆气化生产装置也成为环保处理装置，其制作水煤浆由原来的清水改为脱碳系统的聚乙二醇二甲醚（NHD）冷凝液、甲醇精馏废水、二氯甲烷废水，某制药厂乙酰甲喹废水和某造纸厂废水等，这些污废水随着水煤浆进入气化炉进行化学反应，气化反应后部分水进入灰水系统，灰水全循环使用，以实现变废为宝、清洁生产。

水煤浆气化装置的灰水循环体积流量为100 m3/h。随着灰水系统全循环时间的积累，水质恶化，浊度、悬浮物、盐分与硬度持续升高，细渣与清液分层效果差，造成灰水处理系统包括灰水冷却、热量回收、溶解气体脱除、渣水分离和灰水循环使用等的管道、泵体和机封结垢、堵塞，多次出现激冷水流量低而触发气化装置联锁跳车现象，灰水处理系统频繁停车检修[1]。按照现有的通常方法来调整提高灰水阻垢剂（主要成分为含磷小分子有机物）用量，效果甚微、收效不大，没有办法遏制灰水水质恶化，气化装置持续稳定运行时间只有60～70 d，严重影响了生产安全稳定长周期运营。

1 气化灰水循环工艺

1.1 工艺流程

气化灰水循环工艺流程如图1所示。

图1 气化灰水循环流程Fig 1 Gasification ash water circulation process

气化炉排渣水与各煤气分离器底部渣水，经1 km 左右距离的灰水外管，输送至制浆工序闪蒸槽，经0.5 MPa闪蒸，闪蒸气进入闪蒸槽与冷却水换热，闪蒸槽底部黑水进入炭黑水槽；炭黑水槽内灰水进入沉渣池，与高分子絮凝剂和石灰水作用，经絮凝、平流沉淀，灰渣通过捞渣机定期捞出转运，沉渣池上部清液通过污水泵输送到一级沉降槽、二级沉降槽沉降，清液通过灰水处理区域的污水循环泵，经外管输送至气化炉工段激冷室，使气化炉水煤气得到冷却，夹带的熔渣固化，灰水循环使用。

1.2 气化灰水特性

气化灰水系统的2021 年10－12 月平均水质情况见表1。

表1 气化灰水水质Tab 1 Quality of gasification ash water

由表1 可知，气化灰水硬度、盐分和浊度偏高，超过灰水装置的处理能力。调整阻垢剂用量，由175 kg/d提高至225 kg/d后，效果甚微。另外，煤 中 含 有CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等 氧 化物，在高温高压下，金属元素被无机酸、碱侵蚀而溶解在水中形成离子态，特别是钙镁氧化物与CO2、H2O 形 成 可 溶 性 的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2，高温高压灰水经过闪蒸后，无机酸气体大量挥发，可溶性Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2分解成不溶性的CaCO3、MgCO3，进而在整个气化灰水系统中沉积。随着系统运行周期的延长，CaCO3、MgCO3沉积附着并相互粘连，形成致密坚硬的灰垢[2-3]。

2 阻垢矩阵技术的应用

2022 年1 月26 日，在气化灰水循环系统管道、设备6处完成新型阻垢SOTO矩阵技术装置安装后投入使用。安装的6 个位置：1）制浆来循环污水去气化冲洗水槽进口管；2）气化新、老、第3 路炭黑水管；3）灰水处理二级沉降槽槽壁；4）灰水处理絮凝剂槽槽壁；5）灰水处理闪蒸槽排液黑水管正线；6）灰水处理污水泵出口去一级沉降槽管道。

3 使用效果

应用新型阻垢SOTO矩阵技术后，气化灰水处理系统运行152 d，而且没有出现灰水外排现象，比使用前的60～70 d 的运行周期，提高了1 倍多，达到了生产安全、稳定、长周期运营。

3.1 2－3月份情况

新型阻垢SOTO矩阵技术使用后的2022年2－3月份的气化灰水情况见表2。

表2 2－3月气化灰水水质Tab 2 Quality of gasification ash water from January to March

该阶段开始使用新型阻垢SOTO矩阵技术，灰水钙离子含量仍较高，电导率未下降。加压变换污水池、气化污水池污水泵运转较为正常，未发生抢修的情况。初步表明了在气化灰水高硬度（近800 mg/L，以CaCO3计）、高盐分、全循环无外排的情况下，新型阻垢SOTO矩阵技术能保证灰水正常循环。

使用新型阻垢SOTO矩阵技术装置的前后，比较同样的运行时间下拆检灰水外管，其情况如图2所示。

图2 气化灰水外输送管道拆检对比Fig 2 Comparison of dismantling and inspection of external conveying pipelines for gasification ash water

由图2 可知，使用前灰水外管垢样厚度4～5 cm。使用后垢样厚度2 cm 左右，且污垢炭黑均匀附着于管壁，通道均匀；激冷水泵机封处有结晶，泵体、进口管无明显结垢。表明了新型阻垢SOTO矩阵技术已经起作用，加速了水垢、炭黑与黑水清液的分层，改变了灰水的流动状态，使其能均匀附着于管壁，有效减缓了灰渣堵塞管道。

使用后仍保持内壁有一定的垢层，这主要是考虑保护管道，防止高温高压颗粒多的水直接冲刷管壁。

3.2 4－7月份使用情况

4－7 月份，在灰水系统全循环无外排，灰水阻垢剂用量为原来的1/3的情况下，继续验证新型阻垢SOTO矩阵技术的阻垢效果，水质分析结果见表3。

表3 4－7月气化灰水水质Tab 3 Quality of gasification ash water from April to July

由表3可知，灰水浊度明显下降，由使用前的平均90 NTU 降至使用后的平均40 NTU，表明新型阻垢SOTO矩阵技术装置改良了高分子絮凝剂的絮凝效果，加速了黑水中的炭黑、胶体微粒凝聚、沉降，因此保证了加压变换污水池、气化污水池水泵的正常工作。这与第1阶段的结果一致。

该阶段洗涤水体积流量维持60～70 m3/h。此次停车拆检了激冷水泵的进出口管，未发现明显结垢，与第1阶段的验证结果一致。因此可得出结论，在气化灰水高硬度（近800 mg/L，以CaCO3计）、高盐分、全循环无外排的情况下，新型阻垢SOTO矩阵技术能保证灰水正常循环。

4 应用效益

新型阻垢SOTO矩阵技术应用于气化灰水系统后，气化主装置的管道、泵体和机封结垢减轻、堵塞减少，稳定运行152 d 没有出现结垢堵塞现象，比之前的60～70 d运行周期提高了1倍多，全年减少气化装置非计划停车2次。按照50 kt/a水煤浆煤气化装置单次非计划开停车损失35 万元来计算，全年可减少开停车及检修等费用70万元。

灰水系统原来主要是通过添加阻垢剂防止管道结构堵塞，全年使用阻垢剂费用为88 万元；使用新型阻垢SOTO矩阵技术以后，只在少数局部位置使用少量阻垢剂，阻垢剂用量只有原来的1/3，全年减少阻垢剂费用约60万元。

综合以上2项，新型阻垢SOTO矩阵技术的应用，全年可节约成本、产生直接经济效益为130万元。

同时，气化灰水处理系统保障了没有出现灰水外排情况下的灰水处理系统仍然能够稳定长周期运行，解决了灰水的管道设备结垢、堵塞的难题，实现气化灰水处理系统的废水零排放，无限循环使用。

5 结 论

新型阻垢SOTO矩阵技术的应用，大幅度改良了水煤浆制气耐火砖气化炉灰水系统的污水中高分子絮凝效果，加速了污水中的炭黑、胶体微粒凝聚、沉降，污水浊度由使用前平均90 NTU降至使用后的平均40 NTU。灰水中的炭黑、胶体微粒等有效凝聚沉降，保证了污水系统的污水泵、管道、阀门等设备设施不堵塞的稳定正常运转，全年可减少非计划开停车2次，节约开停车及检修等费用70万元；减少阻垢剂费用约60万元；合计可节约成本、产生直接经济效益130万元。并实现了气化炉灰水系统全循环无外排污水，达到了污水纯物理处理零排放的目标，具有循环化利用、绿色化发展的重要意义，实现了经济价值和社会价值双重效益。