灰水分散劑作用機理

1、前言水煤漿加壓氣化技術(shù)中采用的煤氣洗滌水實現(xiàn)循環(huán)回用，對于節(jié)水減污和提高能量有效利用率等有較大的意義，是煤氣化工藝中的一項先進技術(shù)。由于洗滌水循環(huán)回用系統(tǒng)中水溫和壓力的范圍較 寬 (溫度 50 240，壓力 1 60bar) ，系統(tǒng)存在氣、液、 固三相的物質(zhì)和能量傳遞， 工況條件復(fù)雜， 水中的鈣硬度、 堿度和懸浮物含量都比較高并隨水的不斷回用而濃縮，結(jié)垢傾向較為嚴重，對整個系統(tǒng)的正常運行造成較大的影響。其中，進沉降槽的煤灰等固懸物的含量達3.33以上的洗滌回用水稱為黑水(系統(tǒng)中黑水最高溫度230左右 )，經(jīng)沉降槽中混凝處理后的固懸物濃度小于0.1g/L 的出水稱為灰水(系統(tǒng)中灰水最高溫度150

2、左右 )。國內(nèi)外曾在處理過程中采用一些分離技術(shù)，但由于操作繁瑣、 運行費用較高等缺點未得到廣泛使用， 在有些類似的濁循環(huán)水系統(tǒng)中，投加阻垢分散劑則是一種操作簡單的處理手段，但由于投加藥劑單一，不能同時滿足系統(tǒng)中不同溫度范圍、不同固懸物含量等復(fù)雜水質(zhì)條件的阻垢分散要求，因此對該系統(tǒng)的水處理的效果還未能保證工藝裝備的長周期運行。采用激冷式氣化爐的氣化技術(shù)，若要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,最重要的條件之一就是保持水系統(tǒng)的通暢。由于氣化爐中水系統(tǒng)溫度、壓力、酸堿性變化， 系統(tǒng)水工況的巨大差異都對水處理帶來很大的困惑。氣化爐中的灰水，在爐內(nèi)是高溫高壓酸性，而在灰水罐出口是低壓中溫堿性。為了減少脫鹽水的用量， 通

3、常采用盡可能少排廢水， 灰水經(jīng)循環(huán)利用后中鈣、 鎂離子濃度時常能夠高達上千毫克當(dāng)量，造成系統(tǒng)結(jié)垢。一旦高壓灰水泵、洗滌塔循環(huán)泵、激冷環(huán)結(jié)垢后，水系統(tǒng)循環(huán)不暢，不能保證氣化系統(tǒng)長周期運行！ 而由于煤炭中雜質(zhì)含量異常復(fù)雜，導(dǎo)致灰水系統(tǒng)運行工況苛刻加劇，一般市售循環(huán)水所有的水處理藥劑-阻垢分散劑就不能達到有效的阻垢作用。對于在氣化爐這種復(fù)雜工況下有效防止垢的形成，我們公司經(jīng)與華東理工大學(xué)和上海焦化有限公司三方友好合作，轉(zhuǎn)讓華東理工大學(xué)和上海焦化有限公司共同擁有的一種用于高溫煤氣洗滌水系統(tǒng)的阻垢分散劑及其制造方法的專利，該專利號為（ZL03115647.9），該產(chǎn)品已長期成功應(yīng)用于國內(nèi)多套煤化工裝置，

4、取得了良好的使用效果。采用激冷流程的粉煤氣化技術(shù)，它的灰水系統(tǒng)與水煤漿氣化類似。為保證我們公司產(chǎn)品品質(zhì)，所有產(chǎn)品出廠前均由華東理工大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院進行高壓試驗室模擬測試， 達到工業(yè)使用標準，并由研發(fā)單位長期對生產(chǎn)產(chǎn)品及不同水質(zhì)進行技術(shù)跟綜監(jiān)測，確保作用效果保持穩(wěn)定或更超越，該產(chǎn)品我公司命名為XGM-9 煤氣化灰水阻垢劑。該產(chǎn)品可以有效地阻止富有鈣、鎂離子的灰水在管壁和葉輪上結(jié)垢。本阻垢分散劑可在高壓和300以下的條件下放心使用，灰水中摻量為十萬分之五左右。該產(chǎn)品已成功地長期應(yīng)用于以水煤漿和粉煤為原料的氣化爐灰水系統(tǒng)，作為灰水系統(tǒng)阻垢分散穩(wěn)定劑， 可以防止汽化爐激冷環(huán)、 高壓水泵和管道等的結(jié)垢和

5、腐蝕， 使生產(chǎn)設(shè)備能正常運轉(zhuǎn)，保證裝置 “長、滿、優(yōu)”的生產(chǎn)需求。結(jié)垢原理分析高溫煤氣洗滌水循環(huán)回用過程主要涉及混凝重力沉降、灰水系統(tǒng)、 黑水輸送、 黑水閃蒸、合成氣洗滌和激冷氣化爐冷卻等部分。從理論上推斷，灰水槽-洗滌器盡管溫度85-150，但結(jié)垢主要由于碳酸鈣造成；氣化爐黑水進水至激冷環(huán)主要是碳酸鈣與懸浮固體顆粒形成垢層；激冷環(huán)及黑水出管中，主要是懸浮顆粒沉積， 碳酸鈣沉積可能性較?。缓谒袎洪W蒸過程中碳酸鈣與顆粒沉積物共沉淀造1 / 3成垢層。上海焦化公司德士古裝置高溫煤氣洗滌工藝循環(huán)水系統(tǒng)中， 通過水質(zhì)與高壓灰水泵的垢層取樣分析證明了上述理論推斷。從水質(zhì)分析結(jié)果可以看出：灰水為高硬度、

6、高堿度、高pH 值的嚴重結(jié)垢型水質(zhì)。黑水的堿度比灰水更高，而且固懸物的含量非常高。在工藝過程中，因灰水與含有大量微小顆粒物質(zhì)的高溫煤氣有直接接觸，從而使灰水組成更為復(fù)雜多變。而且，灰水進入文氏洗滌器和氣化爐之前被加壓至4.0Mpa 高壓，溫度高達220，更大大增加了阻垢分散處理的難度。從垢樣分析結(jié)果可以看出：垢樣中硅酸鹽含量最高，碳酸鹽、CaO含量次之，同時還含有一定量的MgO， Fe2O3 與有機物。因此，可以認為垢樣的主要組分為CaCO3、 CaSiO3、MgSiO3、Fe2O3、SiO2 和有機物。成垢組分主要由兩部分帶入，一部分是補充水中的堿度和硬度，另一部分是煤中含有的CaO、 Si

7、O2、 Fe2O3、 Al2O3 等成分。煤中含有一定量的CaO、 SiO2、 Fe2O3、 Al2O3 等，在水煤漿加壓氣化燃燒后，隨煤氣洗滌水進入黑水中，經(jīng)黑水絮凝沉降雖已除掉大部分，但仍有少量以CaSiO3、 FeOOH、 Ca（Al02 ） 2 等形式進入灰水中，這些少量物質(zhì)的溶度積均遠遠低于CaCO3，它們在灰水被加壓、加熱時首先形成晶核，從而誘發(fā)碳酸鈣垢結(jié)晶產(chǎn)生而形成共沉積。因此，要求阻垢分散劑必須對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統(tǒng)的結(jié)垢。一般采用 FeOOH（氧化鐵水中的存在形式）為典型分散體進行試驗評定。由于洗滌水中含有大量微

8、小顆粒的固懸物，這些固懸物的存在不僅能誘發(fā)碳酸鈣垢的形成，還能吸附阻垢分散劑，從而降低阻垢分散的活性。因此要求阻垢分散劑必須具有極好的分散性能，不僅分散洗滌水中的碳酸鈣、硅酸鈣、氧化鐵等結(jié)晶顆粒，抑制結(jié)垢，而且要分散黑水中的各種固懸物，控制其沉積。高溫煤氣洗滌水結(jié)垢障礙的主要原因是硬度、堿度較高，加上固懸物含量高且種類較多。本研究在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上， 選擇代表性懸浮物氧化鐵 （其水中的主要存在形式 -羥基氧化鐵），采用接種生長法和掃描顯微鏡（ SEM）直接觀察碳酸鈣晶體生長過程，比較磺酸共聚物與有機磷酸類阻垢劑作用的差異，以探討洗滌水循環(huán)回用過程中阻垢分散劑的作用機理。由于阻垢分散劑中

9、同時含有強酸基團（-SO3H）、弱酸基團（-COOH）、非離子基團（ -C-O-R-C=O，-OH），這些官能團在阻垢分散方面起著各不相同的作用。弱酸基團對難溶鹽微晶的活性部份有著強的吸附作用， 從而起到低劑量效應(yīng)抑制結(jié)晶產(chǎn)生。強酸基團則保持有輕微的離子特性， 從而有助于難溶鹽解離。 而非離子基團對固懸物有著較強的吸附作用， 并將其分散在水中。這些基團經(jīng)有效結(jié)合產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使藥劑具有良好的阻垢分散性能。當(dāng)灰水中加入阻垢分散劑后，阻垢分散劑通過物理或化學(xué)作用被吸附到碳酸鈣微晶及其他懸浮物離子表面。吸附了阻垢分散劑的小晶體合懸浮物表面形成了雙電層，改變了顆粒表面原來的電荷狀況，在靜電作用下， 顆粒相互排斥，這樣避免了顆粒碰撞后長大沉積，并將碳酸鈣微晶及懸浮物微粒分散在灰水中。2 / 3阻垢分散劑不僅對小晶體有