肖建华，丁志伟，张超，张富国
（河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南 新乡453000）
［摘 要］ 近年来，水煤浆气化工艺以其能源利用率高、节能环保而备受关注，但其气化灰水系统结垢严重的问题也困扰着应用企业。结合河南心连心化学工业集团股份有限公司四分公司多喷嘴对置式水煤浆气化装置（3台气化炉，两开一备）灰水槽中灰水Ca2+含量与总硬度分析数据，以及其黑水“蒸发热水塔→低压闪蒸分离器→真空闪蒸分离器”三级闪蒸系统的运行情况，就3种气化灰水除硬技术——电絮凝除硬、膜吸收除硬、酸性气除硬进行对比分析，最终选择了酸性气除硬技术处理气化灰水。预计酸性气除硬技改实施后，不仅可为系统的长周期、稳定运行提供可靠保障，而且可获得良好的经济效益。
［关键词］ 水煤浆气化装置；灰水系统；结垢；电絮凝除硬；膜吸收除硬；酸性气除硬；经济效益
［中图分类号］ TQ546.5［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2019）04-0010-03
0 引 言
“缺油、少气、富煤”是我国化石能源资源禀赋的基本状况［1］，基于我国能源资源分布不均的特点，充分发挥我国煤炭资源丰富的优势是符合国情、实现能源多元化的首选，即现阶段及今后较长一段时期内，实现煤炭资源的清洁利用才能确保国民经济的可持续发展。煤气化［2］是煤炭清洁利用的有效方式之一，是煤基化学品（氨、甲醇、二甲醚等）、煤基液体燃料、多联产系统、IGCC发电、燃料电池和制氢等工业的基础［3］，其中的气流床煤气化技术以单炉产能大、变负荷能力强、煤种适应性好和碳转化率高等优点而成为煤气化的首选技术［4］。
河南心连心化学工业集团股份有限公司（简称河南心连心）四分公司的煤气化装置采用华东理工大学与兖矿集团自主研发的多喷嘴对置式水煤浆气化工艺，设有3台气化炉（两开一备），单台炉投煤量1 200 t/d。实际生产中，水煤浆气化装置灰水系统易结垢，一直是困扰系统长周期、稳定运行的难题。
1 水煤浆气化装置灰水系统结垢的原因
水煤浆加压气化装置中，由于原料煤中含有CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、MgO等氧化物，在高温高压下，金属氧化物与无机酸、碱反应而溶解在水中形成金属离子，尤其是原料煤中的CaO、MgO，会与CO2、H2O反应形成可溶性的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2，可溶性钙盐、镁盐随气化反应产生的高温高压黑水经过“蒸发热水塔→低压闪蒸分离器→真空闪蒸分离器”三级闪蒸（以多喷嘴对置式水煤浆加压气化装置为例）发生Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2+H2O和Mg(HCO3)2→MgCO3↓+CO2+H2O的反应，无机酸性气大量挥发，生成不溶性的CaCO3、MgCO3，进而在整个灰水系统内沉积，且随着系统运行周期的延长，CaCO3、MgCO3在管道、设备中沉积附着粘连形成致密而坚硬的灰垢。
2 水煤浆气化装置灰水系统结垢的不良影响
河南心连心多喷嘴对置式水煤浆气化装置正常生产过程中，由于灰水系统管线结垢严重，2个月左右就需用高压水枪冲洗1次，而且气化灰水外排至污水终端处理系统的管线已经由原设计的1根增加至3根，气化灰水换热器也由原设计的1台增至了2台；同时，受气化灰水硬度的影响，为防止结垢堵塞曝气孔，污水终端处理系统的曝气形式只能采用射流曝气，相较于微孔曝气，射流曝气电耗高、效率低，且水泵流道、流量计通道等依然受到结垢的困扰。简言之，气化灰水系统结垢问题已经严重影响装置的正常生产，而造成灰水系统结垢的主要原因（或关键性因素）是灰水的硬度较高。
河南心连心2018年各月气化灰水槽中灰水Ca2+含量与总硬度分析数据见表1。可以看出，气化灰水中Ca2+含量及总硬度偏高，降低气化灰水总硬度成为迫在眉睫的问题。
3 气化灰水除垢现状
河南心连心气化黑水采用三级闪蒸技术，即从气化炉出来的黑水依次通过蒸发热水塔、低压闪蒸分离器、真空闪蒸分离器，将溶解在黑水中的酸性气（CO2、H2S）解吸出来，同时黑水被浓缩并降温；气化黑水经三级闪蒸后排入澄清槽，澄清槽中的水称之为灰水，为加快黑水中颗粒物在澄清槽内的沉降，在澄清槽顶部取样口处加入聚丙烯酰胺进行絮凝沉降；沉降之后的澄清槽上清液进入灰水槽，向灰水槽中添加分散剂（起阻垢分散的作用），灰水供系统循环使用。实际生产情况表明，通过向气化灰水系统中添加阻垢分散剂，虽能缓解系统内的结垢速率，但不能从根本上降低灰水总硬度以及彻底解决灰水系统结垢的问题。
4 业内气化灰水除硬技术
水的总硬度指水中Ca2+、Mg2+的总浓度，分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度：碳酸盐硬度，即通过加热能以碳酸盐形式沉淀下来的Ca2+、Mg2+，又称作暂时硬度；非碳酸盐硬度，即加热后不能沉淀下来的那部分Ca2+、Mg2+，又称作永久硬度。如何才能将气化灰水系统中的总硬度（物质）移出，是气化灰水除硬的关键。目前业内气化灰水除硬主要有电絮凝除硬技术、膜吸收除硬技术以及酸性气除硬技术。
4.1 电絮凝除硬技术