聚阳离子交换树脂灰水除硬装置在煤气化工艺中的应用

沈巧星

(新乡中新化工有限责任公司， 河南获嘉 453800)

煤气化工艺因用煤原因，会在煤气化工艺水中引入大量的金属离子。其中，钙镁离子在高温、高压下容易与碳酸根或硫酸根结合形成钙镁沉淀，堵塞管道设备，影响工艺设备的水量供应，严重时工艺设备会因水质较差或水量较少而损坏或停运，影响煤气化装置的生产安全和生产效益。

钙镁离子的工业分析测定以硬度作为定量，减少水中硬度已成为不少煤化工企业努力的方向。新乡中新化工有限责任公司通过与相关资质的公司进行研究合作，推广应用了1套去除水中硬度的装置，即聚阳离子交换树脂灰水除硬装置(简称灰水除硬装置)。

1 工艺介绍

1.1 工艺流程

灰水除硬装置与生产系统连接的工艺流程见图1。

该灰水除硬装置分为动力输送、灰水过滤和钙镁离子去除等工序。动力输送工序由离心泵加压，通过管道与灰水过滤装置进行连接。灰水经过灰水过滤装置去除大颗粒的煤渣固体，然后通过灰水除硬装置去除水中的钙镁离子。

去除钙镁离子后，灰水硬度能从1 500 mg/L降低至100 mg/L以下，满足了煤气化用水的硬度指标。该部分灰水经过2种途径重新返回生产系统进行使用，有效缓解了煤气化装置的结垢问题。再生液经过再生后返回到钠离子回收装置，通过纳滤膜回收其中的钠离子送往盐水罐，经纳滤后的液体经过反渗透膜后送往清水罐，剩余的含有高浓度氯化钙和氯化镁的浓溶液通过多种选择进行处理或者使用。

1.2 优点

该灰水除硬装置实现了装置的连续运行，在除硬和降低水质浊度方面效果显著，灰水硬度能从1 500 mg/L降低至100 mg/L以下，浊度能从50 NTU降低至5 NTU左右。在聚阳离子交换树脂解吸再生后，不能被完全吸收的钠离子通过纳滤膜后，被反渗透膜浓缩回收至盐水罐重复使用，产生的去离子水送往清水罐重复使用；经纳滤膜截留的高浓度的氯化钙、氯化镁溶液输送至钙镁离子储罐，经过其他方式送往污水处理、锅炉掺烧，或者作为水产养殖的钙镁离子补充剂用于蟹类和水草的生产繁殖，或者作为建筑砂浆的防冻剂和硬化剂使用，也可以通过蒸发的方式生产混合氯化钙和氯化镁干燥剂产品。膜回收工艺简图见图2。

另外，该灰水除硬装置附带了自动化的过滤操作，减少了人力。间断的吸附器解吸再生操作，通过现场带有操作柜旋钮控制各气动阀门，1人即可轻松完成整套装置的在线操作。随着灰水除硬装置的连续运行，整个煤气化系统的灰水硬度不断降低，最后维持一定的工业盐消耗就能实现工艺系统的良好运转。

1.3 设备构成

该灰水除硬装置由1台灰水泵、6台过滤器、4台吸附器及其相关阀门组件和管道组成，其中过滤器内填装不同粒度的石英砂，粒度从上至下依次增大，灰水由上部进入，下部流出，能够起到良好的过滤作用。6台过滤器都有独自的反洗再生阀门组件，共用1套自动控制系统，在正常运行中，6台过滤器投自动控制。过滤器再生过程包括一次反洗、排水、气擦、二次反洗、正洗等工序，每台过滤器的运行时间定为2 h，即2 h后其中1台过滤器进入反洗再生阶段，一次再生时间约为20 min，经过反洗再生后的过滤器重新投入使用。4台吸附器内装填有市面上可以买到的聚阳离子交换树脂，树脂的直径为1 mm，在吸附器的上部安装有分布器，整个吸附器内壁包覆有聚乙烯衬里，防止再生液的腐蚀。在吸附器的下部设置有隔板，隔板上面安装有一定数量的水帽，防止吸附器中树脂的流失。聚阳离子交换树脂吸附器的再生过程分为反洗、排水、气擦、排水、清洗、上液解吸、清洗、上水投用等工序，一般解吸过程在1.5 h左右。4台吸附器能够独立隔离切出系统单独再生。根据系统进水硬度的不同，吸附器的运行时间随之变化，每台吸附器的除硬能力为700 kg碳酸钙。过滤器和吸附器构造见图3。

该套系统可以根据处理量进行装置的改变。目前，该套系统的额定处理水体积流量为240 m3/h。对于解吸废液，设置了回收装置，通过纳滤和反渗透回收有用的钠离子。经过多次浓缩的废液排放至污水处理系统进行处理。

2 成本核算

根据目前装置运行状态，当灰水硬度控制在100 mg/L以内时，每台吸附器能处理的水量为1 000 m3。每台吸附器解吸需要1.5 t工业盐，工业盐单价按550元/t计算，则用水成本为0.825元/m3。灰水泵功率为90 kW，按照100 m3/h供应水体积流量计算，则用水成本为0.201元/m3。综合用水成本为1.026元/m3。中水回用装置的处理水售价为5.4元/m3，则节约用水成本4.374元/m3。该灰水除硬装置投用效果显著，具有很好的推广意义。

3 注意事项

(1) 冬季防冻工作。对于过滤器来说，需要将内部的水排净，打开最低点管道盲端，用工厂风通过排气阀自上而下吹除其中的水分。对于吸附器来说，由于吸附器内聚阳离子交换树脂比较脆弱，容易碎裂，因此需要向内注入质量分数为12%的盐水隔离防冻。对于纳滤装置来说，冬季需要取暖保温，温度大于5 ℃为宜。对于长时间不同的纳滤装置，需要用质量分数为0.5%的亚硫酸氢钠溶液进行浸泡杀菌处理。

(2) 灰水除硬装置长时间运行后需要观察出水过滤器视镜内，以及吸附器反洗水中是否有树脂出现。如果有则需要打开吸附器，对吸附器上部的分布器进行检查，观察是否有变形和撕裂现象。如果有则需要对分布器进行修补或更换，如果没有则考虑吸附器下部水帽是否有破损的情况[1]。

(3) 灰水除硬装置长时间运行会出现吸附器或者过滤器进出口压差上涨和反洗水量降低的情况，主要原因为过滤器上部有煤泥未能彻底被反洗出来，吸附器下部水帽堵塞。以上2种情况均可采用手动反洗的方式进行处理，若反洗效果不佳，则可采取人工清理的方式进行处理。吸附器下部解吸废液出料管线经过长时间运行可能出现钙镁垢沉积附壁的现象，可以通过振打的方式使钙镁垢随水流出，或者拆除后通过盐酸进行浸泡去除[2-3]。

(4) 灰水除硬装置的出水位置不能太高，因为增加的高度将转化为水的势能，增加灰水除硬装置整体的压力，在装置反洗时压力会急剧变化，导致过滤器或吸附器壳体出现应力耐受问题。灰水除硬装置长期运行后过滤器和吸附器耐受力降低，出现壳体凹陷变形现象[4]。

4 结语

经过不断的摸索，该灰水除硬装置运行状况不断向好，各项指标均能有效控制，尤其是在降低灰水浊度和硬度上效果显著。该装置经过一系列的改进，找到了煤气化装置减缓结垢的有效途径，为其他煤气化装置的钙镁离子去除提供了参考。