聚陽離子交換樹脂灰水除硬裝置在煤氣化工藝中的應用

沈巧星

(新鄉中新化工有限責任公司， 河南獲嘉 453800)

煤氣化工藝因用煤原因，會在煤氣化工藝水中引入大量的金屬離子。其中，鈣鎂離子在高溫、高壓下容易與碳酸根或硫酸根結合形成鈣鎂沉淀，堵塞管道設備，影響工藝設備的水量供應，嚴重時工藝設備會因水質較差或水量較少而損壞或停運，影響煤氣化裝置的生產安全和生產效益。

鈣鎂離子的工業分析測定以硬度作為定量，減少水中硬度已成為不少煤化工企業努力的方向。新鄉中新化工有限責任公司通過與相關資質的公司進行研究合作，推廣應用了1套去除水中硬度的裝置，即聚陽離子交換樹脂灰水除硬裝置(簡稱灰水除硬裝置)。

1 工藝介紹

1.1 工藝流程

灰水除硬裝置與生產系統連接的工藝流程見圖1。

該灰水除硬裝置分為動力輸送、灰水過濾和鈣鎂離子去除等工序。動力輸送工序由離心泵加壓，通過管道與灰水過濾裝置進行連接?；宜涍^灰水過濾裝置去除大顆粒的煤渣固體，然后通過灰水除硬裝置去除水中的鈣鎂離子。

去除鈣鎂離子后，灰水硬度能從1 500 mg/L降低至100 mg/L以下，滿足了煤氣化用水的硬度指標。該部分灰水經過2種途徑重新返回生產系統進行使用，有效緩解了煤氣化裝置的結垢問題。再生液經過再生后返回到鈉離子回收裝置，通過納濾膜回收其中的鈉離子送往鹽水罐，經納濾后的液體經過反滲透膜后送往清水罐，剩余的含有高濃度氯化鈣和氯化鎂的濃溶液通過多種選擇進行處理或者使用。

1.2 優點

該灰水除硬裝置實現了裝置的連續運行，在除硬和降低水質濁度方面效果顯著，灰水硬度能從1 500 mg/L降低至100 mg/L以下，濁度能從50 NTU降低至5 NTU左右。在聚陽離子交換樹脂解吸再生后，不能被完全吸收的鈉離子通過納濾膜后，被反滲透膜濃縮回收至鹽水罐重復使用，產生的去離子水送往清水罐重復使用；經納濾膜截留的高濃度的氯化鈣、氯化鎂溶液輸送至鈣鎂離子儲罐，經過其他方式送往污水處理、鍋爐摻燒，或者作為水產養殖的鈣鎂離子補充劑用于蟹類和水草的生產繁殖，或者作為建筑砂漿的防凍劑和硬化劑使用，也可以通過蒸發的方式生產混合氯化鈣和氯化鎂干燥劑產品。膜回收工藝簡圖見圖2。

另外，該灰水除硬裝置附帶了自動化的過濾操作，減少了人力。間斷的吸附器解吸再生操作，通過現場帶有操作柜旋鈕控制各氣動閥門，1人即可輕松完成整套裝置的在線操作。隨著灰水除硬裝置的連續運行，整個煤氣化系統的灰水硬度不斷降低，最后維持一定的工業鹽消耗就能實現工藝系統的良好運轉。

1.3 設備構成

該灰水除硬裝置由1臺灰水泵、6臺過濾器、4臺吸附器及其相關閥門組件和管道組成，其中過濾器內填裝不同粒度的石英砂，粒度從上至下依次增大，灰水由上部進入，下部流出，能夠起到良好的過濾作用。6臺過濾器都有獨自的反洗再生閥門組件，共用1套自動控制系統，在正常運行中，6臺過濾器投自動控制。過濾器再生過程包括一次反洗、排水、氣擦、二次反洗、正洗等工序，每臺過濾器的運行時間定為2 h，即2 h后其中1臺過濾器進入反洗再生階段，一次再生時間約為20 min，經過反洗再生后的過濾器重新投入使用。4臺吸附器內裝填有市面上可以買到的聚陽離子交換樹脂，樹脂的直徑為1 mm，在吸附器的上部安裝有分布器，整個吸附器內壁包覆有聚乙烯襯里，防止再生液的腐蝕。在吸附器的下部設置有隔板，隔板上面安裝有一定數量的水帽，防止吸附器中樹脂的流失。聚陽離子交換樹脂吸附器的再生過程分為反洗、排水、氣擦、排水、清洗、上液解吸、清洗、上水投用等工序，一般解吸過程在1.5 h左右。4臺吸附器能夠獨立隔離切出系統單獨再生。根據系統進水硬度的不同，吸附器的運行時間隨之變化，每臺吸附器的除硬能力為700 kg碳酸鈣。過濾器和吸附器構造見圖3。

該套系統可以根據處理量進行裝置的改變。目前，該套系統的額定處理水體積流量為240 m3/h。對于解吸廢液，設置了回收裝置，通過納濾和反滲透回收有用的鈉離子。經過多次濃縮的廢液排放至污水處理系統進行處理。

2 成本核算

根據目前裝置運行狀態，當灰水硬度控制在100 mg/L以內時，每臺吸附器能處理的水量為1 000 m3。每臺吸附器解吸需要1.5 t工業鹽，工業鹽單價按550元/t計算，則用水成本為0.825元/m3?；宜霉β蕿?0 kW，按照100 m3/h供應水體積流量計算，則用水成本為0.201元/m3。綜合用水成本為1.026元/m3。中水回用裝置的處理水售價為5.4元/m3，則節約用水成本4.374元/m3。該灰水除硬裝置投用效果顯著，具有很好的推廣意義。

3 注意事項

(1) 冬季防凍工作。對于過濾器來說，需要將內部的水排凈，打開最低點管道盲端，用工廠風通過排氣閥自上而下吹除其中的水分。對于吸附器來說，由于吸附器內聚陽離子交換樹脂比較脆弱，容易碎裂，因此需要向內注入質量分數為12%的鹽水隔離防凍。對于納濾裝置來說，冬季需要取暖保溫，溫度大于5 ℃為宜。對于長時間不同的納濾裝置，需要用質量分數為0.5%的亞硫酸氫鈉溶液進行浸泡殺菌處理。

(2) 灰水除硬裝置長時間運行后需要觀察出水過濾器視鏡內，以及吸附器反洗水中是否有樹脂出現。如果有則需要打開吸附器，對吸附器上部的分布器進行檢查，觀察是否有變形和撕裂現象。如果有則需要對分布器進行修補或更換，如果沒有則考慮吸附器下部水帽是否有破損的情況[1]。

(3) 灰水除硬裝置長時間運行會出現吸附器或者過濾器進出口壓差上漲和反洗水量降低的情況，主要原因為過濾器上部有煤泥未能徹底被反洗出來，吸附器下部水帽堵塞。以上2種情況均可采用手動反洗的方式進行處理，若反洗效果不佳，則可采取人工清理的方式進行處理。吸附器下部解吸廢液出料管線經過長時間運行可能出現鈣鎂垢沉積附壁的現象，可以通過振打的方式使鈣鎂垢隨水流出，或者拆除后通過鹽酸進行浸泡去除[2-3]。

(4) 灰水除硬裝置的出水位置不能太高，因為增加的高度將轉化為水的勢能，增加灰水除硬裝置整體的壓力，在裝置反洗時壓力會急劇變化，導致過濾器或吸附器殼體出現應力耐受問題?；宜惭b置長期運行后過濾器和吸附器耐受力降低，出現殼體凹陷變形現象[4]。

4 結語

經過不斷的摸索，該灰水除硬裝置運行狀況不斷向好，各項指標均能有效控制，尤其是在降低灰水濁度和硬度上效果顯著。該裝置經過一系列的改進，找到了煤氣化裝置減緩結垢的有效途徑，為其他煤氣化裝置的鈣鎂離子去除提供了參考。