赵伯平
（陕西陕化煤化工集团有限公司，陕西 渭南714100）
［摘 要］陕西陕化煤化工集团有限公司2×300 kt/a合成氨装置配套3台（在用）多元料浆气化炉（两开一备），其采用灰水药剂法的灰水处理系统是在原设计基础上经适当的技术改造而形成的。实际生产中，灰水处理系统易结垢，困扰着系统长周期、稳定运行；有时检修清理灰水处理系统后，气化装置投运初期就会出现入炉激冷水过滤器压差高、气化炉和碳洗塔排黑（水）管线易结垢而排水不畅的现象。在分析灰水药剂法、化学药剂法、离子交换法、电化学处理法这4种常用气化灰水处理工艺之工艺流程及其优缺点的基础上，对陕西陕化（在用）多元料浆气化灰水处理系统提出优化改进设想——采用“化学药剂法+电化学处理法”联合工艺处理气化灰水，可望实现灰水处理系统的良好运行，只是本优化设想的合理性、可行性还有待进一步商榷。
［关键词］多元料浆气化装置；灰水处理系统；结垢；灰水药剂法；化学药剂法；离子交换法；电化学处理法；优化设想
［中图分类号］TQ546.5 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）03-0012-05
0 引 言
陕西陕化煤化工集团有限公司（简称陕西陕化）2×300 kt/a合成氨装置配套3套（在用）多元料浆气化装置（采用西北化工研究院自主研发的单喷嘴三流道预混式多元料浆气化工艺），3台（在用）气化炉两开一备，单台气化炉设计投煤量1 500 t/d。实际生产中，多元料浆气化装置灰水处理系统易结垢是困扰系统长周期、稳定运行的难题；有时检修清理灰水处理系统后，气化装置投运初期就会出现入炉激冷水过滤器压差高、排黑（水）管线排水不畅的现象。
近期陕西陕化低压灰水泵出口灰水水质分析结果为pH 7.8、总硬度2 400 mg/L、Ca2+含量1 920 mg/L、Mg2+含量480 mg/L、CO32-含量171 mg/L、Cl-含量289 mg/L、氨氮含量340 mg/L、悬浮物4 mg/L。可以看出，灰水处理系统出水水质不理想，结垢性离子含量较高，存在较高的结垢风险。这种状况已成为制约气化装置安、稳、长、满、优运行的瓶颈问题，有必要寻找先进可靠的气化灰水处理技术及配套工艺对现有系统进行优化。以下对有关情况作一简介。
1 多元料浆气化灰水处理系统概况
陕西陕化（在用）多元料浆气化灰水处理系统包括高压闪蒸单元、低压闪蒸单元、真空闪蒸单元、浓缩黑灰水澄清沉降单元、清洁低压灰水储存输送单元、灰水脱氧输送单元、浓缩黑渣水真空过滤单元。
来自气化炉排黑管线的黑水经减压后与来自气液分离器底部的黑水混合，经压力调节阀减压后进入高压闪蒸系统气化高温热水器，在0.9 MPa的条件下闪蒸；来自碳洗塔底部的黑水经流量调节阀、压力调节阀减压后进入洗涤高温热水器，在0.9 MPa的条件下闪蒸，黑水被浓缩，溶解在黑水中的酸性气析出，与部分汽化的水蒸气形成高压闪蒸气（简称高闪气）。高压闪蒸系统产生的高闪气与来自脱氧水泵的高压灰水换热后，再经高压闪蒸气气液分离器后产生的高闪气送变换汽提塔作为汽提气；高压闪蒸气气液分离器内产生的液体则送至脱氧水槽循环使用。高压闪蒸系统排出的黑灰水经汽化、洗涤，再经高温热水器液位调节阀减压后进入低压闪蒸器，在0.15 MPa的条件下闪蒸，黑水被浓缩，溶解在黑水中的酸性气析出，析出的酸性气与部分汽化的水蒸气形成低压闪蒸气。由低压闪蒸器顶部排出的低压闪蒸气，送脱氧水槽作为脱氧热源；低压闪蒸器底部排出的黑水，经减压后进入真空闪蒸器，在-0.08 MPa的条件下闪蒸，产生的真空闪蒸气由真空闪蒸器顶部排出，经冷却后进入真空闪蒸气气液分离器进行气液分离，分离出的液相经泵送至脱氧水槽循环使用，气相则经真空泵、真空泵后气液分离器调节压力后放空。真空泵后气液分离器底部排出的液体溢流至灰水槽循环使用；真空闪蒸器底部排出的黑灰水，由泵送至混合器，与絮凝剂泵来的絮凝剂混合后进入澄清沉降槽处理。澄清沉降槽上部的澄清水溢流至灰水槽，大部分由低压灰水泵送至脱氧水槽脱氧后循环使用，少量的经降温处理后送至污水处理系统；澄清沉降槽底部排出的渣浆，由真空带式过滤机给料泵加压后送至真空带式过滤机进行固液分离，滤饼装车外运，滤液则进入滤液槽后再由滤液泵送至灰水槽及制浆系统循环使用。
陕西陕化（在用）气化灰水处理工艺是以西北化工研究院开发的多元料浆气化灰水处理工艺为基础，经过适当的技术改造而形成的（灰水药剂法）。其优点有：工艺流程简洁、规范，操作弹性大，加药设备占地面积小，运行成本低，设备投资低。缺点有：所使用的分散剂多为高分子有机聚合物，而系统对聚合物药剂的耐高温性能要求高，分散剂存在药效低、难持久的问题；经处理后的灰水中仍含有酸不溶物，未从根本上将水中的结垢性离子去除，结垢风险高。
2 常见灰水水质问题及其影响
水煤浆气化装置排出的黑灰水具有高压、高温、高固体悬浮物含量的特点。陕西陕化多元料浆气化装置所用的原料煤中含有一定量的SiO2、Fe2O3、Al2O3等，这些物质在气化过程中随煤气洗涤水进入系统排出的黑水中。由于SiO2及气化过程中未反应的残炭形成炭黑不被酸溶解，因此黑灰水经气化灰水处理系统处理后，仍含有一定量的Fe2O3、Al2O3、SiO2及炭黑等酸不溶物。在灰水回用的过程中，上述酸不溶物就会被带回气化装置，酸不溶物的累积使得黑灰水中结垢性离子含量猛增。多元料浆气化反应压力为6.5 MPa、温度为1 250～1 400 ℃，系统排出的黑灰水压力高达6.5 MPa、温度高达240 ℃，据分子结晶动力学原理，高温高压下Ca2+、Mg2+由于吉布斯自由能的升高而快速结晶，并促使黑水中的碳酸钙由不饱和态变为过饱和态，而过饱和态的碳酸钙不稳定，会向稳定的状态转变，此转变过程就是碳酸钙结晶结垢的过程，故气化炉和碳洗塔排黑水管线较容易结垢，而Mg、Al等金属元素的存在使得垢片更加坚硬，外形类似于石块，硬度比石块更高。简言之，随着系统运行时间的延长，灰水周而复始回用，存在于黑水、灰水中的酸不溶物不断富集，循环灰水水质不断恶化，循环灰水中的固体悬浮物含量持续上涨。这些硬度极高的固体悬浮物在系统内流动的过程中，会对灰水处理系统管道及设备产生冲刷腐蚀，降低其使用寿命；同时，作为洗涤塔液位调节水源的高压脱氧灰水（由洗涤塔中部偏上引入洗涤塔）中酸不溶物及炭黑的含量也会不断上涨，来自洗涤塔中部的激冷水中也含有大量高硬度的固体悬浮物，会使黑水过滤器压差增大，入炉激冷水流量下降，若此工况长时间得不到改善，就会对气化装置的运行产生严重影响。
3 常用气化灰水处理工艺的比较
常用气化灰水处理工艺主要有灰水药剂法（絮凝剂、分散剂）、化学药剂法、离子交换法、电化学处理法。了解各种气化灰水处理工艺的特点，是多元料浆气化灰水处理工艺优化的基础。为便于理清改造思路，以下对常用的4种灰水处理工艺进行介绍。
更多内容详见《中氮肥》2021年第3期