聚陽離子交換樹脂灰水除硬裝置在煤氣化工藝中的應(yīng)用

沈巧星

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)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(jié)合形成鈣鎂沉淀，堵塞管道設(shè)備，影響工藝設(shè)備的水量供應(yīng)，嚴(yán)重時工藝設(shè)備會因水質(zhì)較差或水量較少而損壞或停運，影響煤氣化裝置的生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效益。

鈣鎂離子的工業(yè)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(yè)努力的方向。新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司通過與相關(guān)資質(zhì)的公司進(jìn)行研究合作，推廣應(yīng)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(chǎn)系統(tǒng)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(jìn)行連接。灰水經(jīng)過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(biāo)。該部分灰水經(jīng)過2種途徑重新返回生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行使用，有效緩解了煤氣化裝置的結(jié)垢問題。再生液經(jīng)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(jīng)納濾后的液體經(jīng)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(jìn)行處理或者使用。

1.2 優(yōu)點

該灰水除硬裝置實現(xiàn)了裝置的連續(xù)運行，在除硬和降低水質(zhì)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(fù)使用，產(chǎn)生的去離子水送往清水罐重復(fù)使用；經(jīng)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(jīng)過其他方式送往污水處理、鍋爐摻燒，或者作為水產(chǎn)養(yǎng)殖的鈣鎂離子補(bǔ)充劑用于蟹類和水草的生產(chǎn)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(fā)的方式生產(chǎn)混合氯化鈣和氯化鎂干燥劑產(chǎn)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(xiàn)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(xù)運行，整個煤氣化系統(tǒng)的灰水硬度不斷降低，最后維持一定的工業(yè)鹽消耗就能實現(xiàn)工藝系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)。

1.3 設(shè)備構(gòu)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(guān)閥門組件和管道組成，其中過濾器內(nèi)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(jìn)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(tǒng)，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(jìn)入反洗再生階段，一次再生時間約為20 min，經(jīng)過反洗再生后的過濾器重新投入使用。4臺吸附器內(nèi)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(nèi)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(shè)置有隔板，隔板上面安裝有一定數(shù)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(tǒng)單獨再生。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)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(gòu)造見圖3。

該套系統(tǒng)可以根據(jù)處理量進(jìn)行裝置的改變。目前，該套系統(tǒng)的額定處理水體積流量為240 m3/h。對于解吸廢液，設(shè)置了回收裝置，通過納濾和反滲透回收有用的鈉離子。經(jīng)過多次濃縮的廢液排放至污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2 成本核算

根據(jù)目前裝置運行狀態(tài)，當(dāng)灰水硬度控制在100 mg/L以內(nèi)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(yè)鹽，工業(yè)鹽單價按550元/t計算，則用水成本為0.825元/m3。灰水泵功率為90 kW，按照100 m3/h供應(yīng)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(jié)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(nèi)部的水排凈，打開最低點管道盲端，用工廠風(fēng)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(nèi)聚陽離子交換樹脂比較脆弱，容易碎裂，因此需要向內(nèi)注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的亞硫酸氫鈉溶液進(jìn)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(nèi)，以及吸附器反洗水中是否有樹脂出現(xiàn)。如果有則需要打開吸附器，對吸附器上部的分布器進(jìn)行檢查，觀察是否有變形和撕裂現(xiàn)象。如果有則需要對分布器進(jìn)行修補(bǔ)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(xiàn)吸附器或者過濾器進(jìn)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(jìn)行處理，若反洗效果不佳，則可采取人工清理的方式進(jìn)行處理。吸附器下部解吸廢液出料管線經(jīng)過長時間運行可能出現(xiàn)鈣鎂垢沉積附壁的現(xiàn)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(jìn)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(zhuǎn)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(dǎo)致過濾器或吸附器殼體出現(xiàn)應(yīng)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(xiàn)殼體凹陷變形現(xiàn)象[4]。

4 結(jié)語

經(jīng)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(biāo)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(jīng)過一系列的改進(jìn)，找到了煤氣化裝置減緩結(jié)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。