摘 要：通過對煤氣化低壓灰水系統(tǒng)水質特點、結垢機理以及結垢的影響因素進行研究，利用朗格利爾飽和指數(shù)法和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法判斷了不同煤氣化企業(yè)低壓灰水的結垢傾向，結果表明五家煤氣化企業(yè)的低壓灰水均存在結垢傾向，其中YK公司存在嚴重結垢傾向。提出了減緩低壓灰水結垢的措施，如選用選擇性能優(yōu)良的阻垢分散劑、選用灰分含量較低的煤種、低壓灰水系統(tǒng)合適的pH、增加外排廢水流量等。

關鍵詞：煤氣化;低壓灰水;結垢;碳酸鈣;解決措施

在氣流床氣化工藝中，灰、黑水系統(tǒng)中存在大量結垢性離子，導致灰、黑水系統(tǒng)的管線、換熱器等常常出現(xiàn)結垢現(xiàn)象，導致了管道堵塞、換熱器換熱效果下降，泵打量不足等問題，嚴重影響了氣化爐的長周期運行，如何緩解灰水系統(tǒng)結垢成為煤氣化行業(yè)的一大難題。

1 灰水水質特點

黑水經過閃蒸后，酸性氣去汽提塔和火炬，經閃蒸濃縮后的渣水則排至沉降槽，在絮凝劑的作用下，渣水中大部分的固體懸浮物被沉降到底部，經過壓濾機除去細渣后送至制漿單元。沉降槽上層的低壓灰水溢流到灰水槽，經泵加壓后送至裝置內循環(huán)利用，部分送至廢水處理單元[1]。

煤氣化灰水系統(tǒng)能否正常運行直接關系著煤氣化系統(tǒng)是否正常運行。煤氣化低壓灰水具有較高的懸浮物，一般為100mg/L主要是因為煤中含有一定量的氧化硅、氧化鐵、氧化鋁等?；宜到y(tǒng)結垢會嚴重影響煤氣化系統(tǒng)的正常運行。黑水經過閃蒸工藝后壓力迅速降低，固體顆粒及不溶性鹽類容易吸附在設備內壁上，慢慢累積形成較厚的垢層[2]。

2 低壓灰水結垢機理

煤中含有鈣，在煤氣化過程中產生大量二氧化碳，在水中產生反應（1）。

粗煤氣中含有大量二氧化碳，主要以反應式（2）為主。在氣化爐和洗滌塔的高溫、高壓的環(huán)境下，反應式（1）向右移動，有利于碳酸氫鈣的生成，而碳酸氫鈣易溶于水，導致灰水的硬度很高。但碳酸氫鈣很不穩(wěn)定，在壓力降低時，反應式（1）向左移動，二氧化碳析出，部分碳酸氫鈣轉化為碳酸鈣，由反應式（3）可以看出，在堿性條件下，HCO3-逐漸轉變?yōu)镃O32-，由反應式（4）、（5）可以看出，陰離子CO32-與鈣鎂離子結合形成大量的碳酸鹽。而碳酸鈣難溶于水，超過飽和狀態(tài)后，就會析出，附著在管壁上。因此pH越高形成碳酸鹽的幾率越高，需要控制低壓灰水的pH，不宜較高[3-5]?；宜到y(tǒng)的垢片中主要以鈣離子為主，其余離子的質量分數(shù)遠低于鈣的質量分數(shù)[1]。

3 低壓灰水結垢的影響因素

3.1 阻垢分散劑的性能

低壓灰水為高硬度、高堿性、高pH、易結垢型水質，要求阻垢分散劑必須具有非常優(yōu)良的阻垢性能。分散劑的阻垢效果也是影響結垢速率的最主要因素。

3.2 溫度

低壓灰水的溫度影響碳酸鈣的溶解度，較高的溫度導致碳酸鈣在水中的溶解度減小，而碳酸氫鈣溶解度隨溫度增加而增加。40℃，100g水中碳酸鈣可以溶解4.4mg，碳酸氫鈣可以溶解170g。

3.3 離子含量

結垢性離子濃度影響了系統(tǒng)結垢的傾向。一般而言，水中鈣硬度（以碳酸鈣計）與總堿度（以碳酸鈣計）之和大于1400mg/L時，阻垢分散劑的阻垢性能會急劇下降，系統(tǒng)結垢風險增大[4]。因此，要將鈣硬度和總堿度控制在合理范圍內。此外，鹽效應和同離子效應也會對碳酸鹽和硫酸鹽的溶解度產生很大影響。

3.4 pH

pH降低能增大離子溶解度，成垢傾向明顯減弱，對碳酸鈣垢的影響非常明顯。研究表明，提高溶液的pH，碳酸鹽容易結晶，污垢熱阻增大，污垢形成的誘導期縮短，有利于污垢的生長。若溶液的pH偏低，明顯減輕結垢傾向，但容易導致系統(tǒng)管道設備腐蝕;若溶液的pH偏高，則引起系統(tǒng)管道設備結垢[4]。低壓灰水的pH一般為7-9，偏堿性，這就存在結垢的可能性。

3.5 煤質

煤質是影響氣化水系統(tǒng)結垢的最主要的因素。煤灰中CaO、MgO對硬度的影響、以及鐵磷等結垢性離子均對結垢產生重要影響。

其他因素如外排水量、返回氣化變換冷凝液、檢修質量、分散劑等因素也會影響結垢。外排水量的大小決定水系統(tǒng)結垢性離子的濃度。變換冷凝液汽提系統(tǒng)的設計及運行效果決定返回氣化變換冷凝液的氨氮。檢修中設備、管線內壁沒有徹底清洗干凈，結垢物容易粘附、累積。

4 水質分析

近期不少企業(yè)如SM公司、SX公司、SB公司等水煤漿氣化裝置低壓灰水系統(tǒng)、高壓灰水系統(tǒng)及部分黑水系統(tǒng)設備、管線、閥門結垢嚴重堵塞，裝置運行面臨嚴重的困難和重大運行風險，設備頻繁切出檢修清理，部分設備因閥門結垢無法隔離切出。SX公司因閥門結垢內漏3#除氧器無法切出檢修，SM公司準備增加備用灰水槽。各家企業(yè)均采取在線帶壓開孔措施配大量的備用切換管線維持裝置運行，避免全系統(tǒng)停車。

現(xiàn)對SB、SX、SM、YK及ZM公司近期低壓灰水水質情況進行分析，判斷結垢傾向，以便為煤氣化企業(yè)提供解決措施。

4.1 灰水總硬度對比分析

4月份，不同企業(yè)低壓灰水的總硬度的變化情況見圖1。

從圖1可以看出，不同企業(yè)灰水的總硬度相差較大，波動范圍為578-2700mg/L，YK低壓灰水波動比較大1037-2699mg/L，平均值也最高2030.5mg/L。SB低壓灰水平均值1398.8mg/L。SX低壓灰水平均值1108.8mg/L。ZM低壓灰水總硬度平均值1239.6mg/L。SM低壓灰水的總硬度最低，平均值為774.7mg/L。硬度高的水質容易造成管路堵塞，從指標判斷，YK的水質最易導致管路結垢。

4.2 灰水總堿度對比分析

4月份，不同企業(yè)低壓灰水的總堿度的變化情況見圖2。

從圖2可以看出，不同企業(yè)低壓灰水的總堿度相差較大，控制范圍為470-2600mg/L，YK企業(yè)低壓灰水總堿度波動較大1321-2639mg/L，平均值也最高1915.50mg/L。SB企業(yè)低壓灰水總堿度的平均值1335mg/L。SX企業(yè)低壓灰水總堿度平均值955mg/L。SM企業(yè)低壓灰水總堿度平均值911.4mg/L。ZM企業(yè)低壓灰水總堿度比較穩(wěn)定，平均最低為569.7mg/L。

4.3 灰水溶解性固體對比分析

4月份，不同企業(yè)低壓灰水溶解性固體的變化情況見圖3。

從圖3可以看出，不同企業(yè)低壓灰水的溶解性固體相差較大1000-4200mg/L。其中SM公司低壓灰水的溶解性固體最低，平均值為1509mg/L，SX公司低壓灰水的溶解性固體最高，平均值為3665 mg/L。溶解性固體值越高，就表示水中含有的雜質越多，其中的雜質通常指的是水中Ca2+、Mg2+等離子的濃度，并無法直接表示水質的好壞。

4.4 灰水pH值對比分析

4月份，不同企業(yè)低壓灰水pH的變化情況見圖4。

從圖4可以看出，不同企業(yè)低壓灰水的pH總體控制比較平穩(wěn)，均在7.5-8.6，總體平均值約為8.0-8.3。其中SM企業(yè)低壓灰水pH值最高，平均值8.34，SX企業(yè)的pH值最低，平均值為7.95。一般pH高的灰水，總堿度也比較高。

5 結垢傾向判斷

5.1 灰水水質分析及結構傾向判斷

低壓灰水的pH值、堿度、硬度、溶解性固體、水溫等是判斷結垢傾向的關鍵性指標。

采用朗格利爾飽和指數(shù)LSI和穩(wěn)定指數(shù)（PSI）可以預測低壓灰水的結垢傾向。

LSI=pH-pHs（6）

PSI=2pHs-pH（7）

式中：

pH為水中的實測pH;

pHs為碳酸鈣飽和對應的pH。

采用朗格利爾飽和指數(shù)法LSI進行分析時，飽和指數(shù)LSI<0不會結垢，LSI>0結垢，LSI=0結垢的臨界點。Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法PSI可以判斷低壓灰水是否結垢及結垢嚴重程度，當穩(wěn)定指數(shù)（PSI）6-7時，水質基本穩(wěn)定，不結垢;當穩(wěn)定指數(shù)PSI為7.5-8.0時，穩(wěn)定指數(shù)（PSI）越大，表明水的腐蝕性越大，當穩(wěn)定指數(shù)PSI等于或小于5.8時，水就要結垢，穩(wěn)定指數(shù)（PSI）越小，表明結垢越大。采用朗格利爾飽和指數(shù)LSI和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法（PSI）預測五家化工企業(yè)灰水的結垢趨勢，見表1。

從表1可以看出，五家化工企業(yè)灰水的飽和度指數(shù)SI均大于0、朗格利爾飽和指數(shù)LSI均大于0，Ryznar穩(wěn)定指數(shù)PSI均小于5.8，均存在結垢傾向，其中YK企業(yè)的低壓灰水存在嚴重結垢的趨勢。兩種方法判斷結垢趨勢基本一致。五家企業(yè)中，低壓灰水結垢由輕到重排序為：ZM

5.2 運行情況分析

五家化工企業(yè)中，ZM公司和YK公司低壓灰水的結垢情況可控，能夠滿足檢修周期。YK公司低壓灰水PSI為1.84，結垢趨勢最嚴重，但實際結垢速率沒有SB公司、SX公司、SM公司結垢嚴重，說明YK公司的阻垢分散劑阻垢性能優(yōu)良。如果煤種一定，主要依靠阻垢分散劑的性能，可以延緩、控制結垢速率，使結垢速率滿足與檢修周期。

水煤漿氣化裝置一般根據(jù)合成氣需求量一般設置3臺及以上氣化爐，常規(guī)低壓灰水系統(tǒng)、高壓灰水系統(tǒng)都設計為母管制的公用供水系統(tǒng)。單臺氣化爐系統(tǒng)根據(jù)運行情況可以倒爐切換檢修，而低壓灰水系統(tǒng)、高壓灰水系統(tǒng)無法檢修，成為制約裝置長周期運行的關鍵因素。對于一般煤化工而言，每年會安排一次全系統(tǒng)停車檢修，對公用水系統(tǒng)進行檢修、除垢清理工作，所以矛盾也不是特別突出。而對于要求運行周期更長的工廠矛盾會特別突出。

SB公司、SX公司、SM公司的低壓灰水系統(tǒng)、高壓灰水系統(tǒng)正是采用母管制供水。隨著氣化爐系列數(shù)增多后，公用水系統(tǒng)非常龐大。氣化爐單爐倒爐檢修，公用水系統(tǒng)不可避免的存在部分流速過低或部分段長時間死區(qū)的現(xiàn)象，從而加速結垢。一旦母管堵塞，會導致全裝置停車。SB公司2011年對結垢特別嚴重的管線（如低壓灰水泵進口管線、高壓灰水泵進口管線、外排水管線等）增加了備用管線，并增加了4臺低壓灰水泵。2012年技改增加備用除氧器。在一定程度上緩解了裝置運行的被動局面。SX公司在設計階段考慮了備用除氧器，也進行了一些優(yōu)化。

5.3 用煤結垢傾向預測

從原料煤的灰分和灰分中的氧化鈣等可以影響灰分的結垢情況，SB、SX、SM、YK、ZM及SY公司用煤見表2。

從表2中可以看出，幾家化工企業(yè)用煤屬于低灰分，相對來說ZM、SM、YK公司用煤的灰分超過了10%。從灰分中氧化鈣含量看出，SM公司用煤灰分氧化鈣含量較低，其次為ZM公司，其余公司用煤灰分氧化鈣含量較高，甚至超過了20%。

SY公司氣化用煤為西灣煤和小保當煤，西灣煤與榆樹灣煤煤質分析非常接近，小保當煤比隆德煤結垢性物質含量更高。所以SY公司水質結垢傾向與YK公司相當或更嚴重。

6 需要采取的措施

SY公司高壓灰水系統(tǒng)采用單爐系列配管設計，低壓灰水系統(tǒng)部分管線連通公用，存在一定的堵塞停車風險。根據(jù)倒爐情況，定期切換檢修、清理連通公用管線有一定的難度。

①選擇性能優(yōu)良的阻垢分散劑，包括其對水質的適應性、耐高溫性能都非常關鍵。基于煤氣化裝置三劑的采購方式，能夠做到使用后及時進行評價，如不滿足要求要能夠及時更換，避免出現(xiàn)被動局面;

②選用灰分含量較低的煤種。煤中灰分含量相對較高，帶入系統(tǒng)不僅會對生產產生影響，還會引起總硬度增加，從而加劇管道的結垢程度;

③控制低壓灰水系統(tǒng)的pH。pH低則低壓灰水顯酸性，容易腐蝕管道，pH高則低壓灰水顯堿性，容易使管道結垢，灰水的pH一般控制在約8.0;

④增加外排廢水流量，外排廢水流量增加，在系統(tǒng)中累積停留的離子濃度就會下降，從而有利于減輕結垢。

7 結論

通過對煤氣化低壓灰水系統(tǒng)的特點、結垢機理以及結垢的影響因素進行研究，并對不同企業(yè)低壓灰水系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行對比，利用朗格利爾飽和指數(shù)法和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法判斷了不同煤氣化企業(yè)低壓灰水的結垢傾向，得出結論如下：

①利用朗格利爾飽和指數(shù)LSI和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法對不同煤氣化企業(yè)低壓灰水的結垢傾向進行判斷，五家煤氣化企業(yè)的低壓灰水均存在結垢傾向，其中YK公司存在嚴重結垢傾向;

②阻垢分散劑的性能對抑制結垢傾向非常關鍵，YK公司的低壓灰水雖為嚴重結垢傾向，但分散劑的阻垢分散性能較好，也可以達到較好的運行效果;

③提出了減緩低壓灰水結垢的措施，如選用選擇性能優(yōu)良的阻垢分散劑、選用灰分含量較低的煤種、低壓灰水系統(tǒng)合適的pH、增加外排廢水流量等。

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作者簡介：

馮長志（1980- ），男，陜西渭南人，工程師，從事煤化工生產技術管理工作。