灰水分散剂作用机理

前言

水煤浆加压气化技术中采用的煤气洗涤水实现循环回用，对于节水减污和提高能量有效利用率等有较大的意义，是煤气化工艺中的一项先进技术。由于洗涤水循环回用系统中水温和压力的范围较宽(温度50～240℃，压力1～60bar)，系统存在气、液、固三相的物质和能量传递，工况条件复杂，水中的钙硬度、碱度和悬浮物含量都比较高并随水的不断回用而浓缩，结垢倾向较为严重，对整个系统的正常运行造成较大的影响。

其中，进沉降槽的煤灰等固悬物的含量达3.33％以上的洗涤回用水称为黑水(系统中黑水最高温度230℃左右)，经沉降槽中混凝处理后的固悬物浓度小于0.1g/L的出水称为灰水(系统中灰水最高温度150℃左右)。

国内外曾在处理过程中采用一些分离技术，但由于操作繁琐、运行费用较高等缺点未得到广泛使用，在有些类似的浊循环水系统中，投加阻垢分散剂则是一种操作简单的处理手段，但由于投加药剂单一，不能同时满足系统中不同温度范围、不同固悬物含量等复杂水质条件的阻垢分散要求，因此对该系统的水处理的效果还未能保证工艺装备的长周期运行。

采用激冷式气化炉的气化技术，若要保持系统的稳定运行,最重要的条件之一就是保持水系统的通畅。

由于气化炉中水系统温度、压力、酸碱性变化，系统水工况的巨大差异都对水处理带来很大的困惑。

气化炉中的灰水，在炉内是高温高压酸性，而在灰水罐出口是低压中温碱性。为了减少脱盐水的用量，通常采用尽可能少排废水，灰水经循环利用后中钙、镁离子浓度时常能够高达上千毫克当量，造成系统结垢。

一旦高压灰水泵、洗涤塔循环泵、激冷环结垢后，水系统循环不畅，不能保证气化系统长周期运行！而由于煤炭中杂质含量异常复杂，导致灰水系统运行工况苛刻加剧，一般市售循环水所有的水处理药剂-阻垢分散剂就不能达到有效的阻垢作用。

对于在气化炉这种复杂工况下有效防止垢的形成，我们公司经与华东理工大学和上海焦化有限公司三方友好合作，转让华东理工大学和上海焦化有限公司共同拥有的一种用于高温煤气洗涤水系统的阻垢分散剂及其制造方法的专利，该专利号为（ZL03115647.9），该产品已长期成功应用于国内多套煤化工装置，取得了良好的使用效果。采用激冷流程的粉煤气化技术，它的灰水系统与水煤浆气化类似。

为保证我们公司产品品质，所有产品出厂前均由华东理工大学环境工程学院进行高压试验室模拟测试，达到工业使用标准，并由研发单位长期对生产产品及不同水质进行技术跟综监测，确保作用效果保持稳定或更超越，该产品我公司命名为XGM-9煤气化灰水阻垢剂。

该产品可以有效地阻止富有钙、镁离子的灰水在管壁和叶轮上结垢。

本阻垢分散剂可在高压和300℃以下的条件下放心使用，灰水中掺量为十万分之五左右。

该产品已成功地长期应用于以水煤浆和粉煤为原料的气化炉灰水系统，作为灰水系统阻垢分散稳定剂，可以防止汽化炉激冷环、高压水泵和管道等的结垢和腐蚀，使生产设备能正常运转，保证装置“长、满、优”的生产需求。

结垢原理分析

高温煤气洗涤水循环回用过程主要涉及混凝重力沉降、灰水系统、黑水输送、黑水闪蒸、合成气洗涤和激冷气化炉冷却等部分。

从理论上推断，灰水槽--洗涤器尽管温度85-150℃，但结垢主要由于碳酸钙造成；气化炉黑水进水至激冷环主要是碳酸钙与悬浮固体颗粒形成垢层；激冷环及黑水出管中，主要是悬浮颗粒沉积，碳酸钙沉积可能性较小；黑水中压闪蒸过程中碳酸钙与颗粒沉积物共沉淀造

成垢层。

上海焦化公司德士古装置高温煤气洗涤工艺循环水系统中，通过水质与高压灰水泵的垢层取样分析证明了上述理论推断。从水质分析结果可以看出：灰水为高硬度、高碱度、高pH值的严重结垢型水质。黑水的碱度比灰水更高，而且固悬物的含量非常高。在工艺过程中，因灰水与含有大量微小颗粒物质的高温煤气有直接接触，从而使灰水组成更为复杂多变。

而且，灰水进入文氏洗涤器和气化炉之前被加压至4.0Mpa高压，温度高达220℃，更大大增加了阻垢分散处理的难度。

从垢样分析结果可以看出：垢样中硅酸盐含量最高，碳酸盐、CaO含量次之，同时还含有一定量的MgO，Fe2O3与有机物。因此，可以认为垢样的主要组分为CaCO3、CaSiO3、MgSiO3、Fe2O3、SiO2和有机物。成垢组分主要由两部分带入，一部分是补充水中的碱度和硬度，另一部分是煤中含有的CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等成分。

煤中含有一定量的CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等，在水煤浆加压气化燃烧后，随煤气洗涤水进入黑水中，经黑水絮凝沉降虽已除掉大部分，但仍有少量以CaSiO3、FeOOH、Ca （Al02）2等形式进入灰水中，这些少量物质的溶度积均远远低于CaCO3，它们在灰水被加压、加热时首先形成晶核，从而诱发碳酸钙垢结晶产生而形成共沉积。

因此，要求阻垢分散剂必须对SiO2、FeOOH、Al2O3等具有良好的分散作用，才能全面有效地抑制灰水系统的结垢。

一般采用FeOOH（氧化铁水中的存在形式）为典型分散体进行试验评定。

由于洗涤水中含有大量微小颗粒的固悬物，这些固悬物的存在不仅能诱发碳酸钙垢的形成，还能吸附阻垢分散剂，从而降低阻垢分散的活性。因此要求阻垢分散剂必须具有极好的分散性能，不仅分散洗涤水中的碳酸钙、硅酸钙、氧化铁等结晶颗粒，抑制结垢，而且要分散黑水中的各种固悬物，控制其沉积。

高温煤气洗涤水结垢障碍的主要原因是硬度、碱度较高，加上固悬物含量高且种类较多。本研究在总结前人研究成果的基础上，选择代表性悬浮物氧化铁（其水中的主要存在形式α-羟基氧化铁），采用接种生长法和扫描显微镜（SEM）直接观察碳酸钙晶体生长过程，比较磺酸共聚物与有机磷酸类阻垢剂作用的差异，以探讨洗涤水循环回用过程中阻垢分散剂的作用机理。

由于阻垢分散剂中同时含有强酸基团（-SO3H）、弱酸基团（-COOH）、非离子基团（-C-O-R-C=O，-OH），这些官能团在阻垢分散方面起着各不相同的作用。弱酸基团对难溶盐微晶的活性部份有着强的吸附作用，从而起到低剂量效应抑制结晶产生。强酸基团则保持有轻微的离子特性，从而有助于难溶盐解离。而非离子基团对固悬物有着较强的吸附作用，并将其分散在水中。这些基团经有效结合产生协同效应，使药剂具有良好的阻垢分散性能。

当灰水中加入阻垢分散剂后，阻垢分散剂通过物理或化学作用被吸附到碳酸钙微晶及其他悬浮物离子表面。吸附了阻垢分散剂的小晶体合悬浮物表面形成了双电层，改变了颗粒表面原来的电荷状况，在静电作用下，颗粒相互排斥，这样避免了颗粒碰撞后长大沉积，并将碳酸钙微晶及悬浮物微粒分散在灰水中。

阻垢分散剂不仅对小晶体有分散作用，而且对灰水中悬浮物亦有分散作用。同时它也能吸附与设备和管线的接触面，形成一个吸附层。吸附层阻止了微晶和悬浮物在接触面上的沉积，下图示意了阻垢分散剂的这种作用：

①小晶体及悬浮颗粒②阻垢分散剂③设备表面