神华包头煤化工有限责任公司 内蒙古包头 014000
摘要：在GE水煤浆气化系统运行过程中，特别在气化炉运行后期，经常发生激冷水管线结垢，激冷水流量低，洗涤塔循环泵结垢，灰水总碱度高，系统腐蚀，运行阻力大，操作性能下降等现象。为了提高气化灰水系统的运行质量，实现长周期稳定运行，对影响灰水系统的因素需要进行综合分析，而分散剂的加入大大缓解了设备管线的结垢，保证了气化装置长周期安全稳定的运行。
关键词：分散剂作用机理；使用要求；
一、定义
分散剂是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂。可均一分散那些难于溶解于液体的无机，有机颜料的固体颗粒，同时也能防止固体颗粒的沉降和凝聚，形成安定悬浮液及保持分散体系的相对稳定。
二、分散剂的作用机理
分散剂的阻垢机理比较复杂，随着沉淀过程动力学、成垢预测模型和各种阻垢技术的大量研究，使成垢机理的研究和结垢的控制有了很大的进展。一般认为成垢物质和溶液之间存在着动态平衡，阻垢剂能够吸附到成垢物质上，并影响垢的生长和溶解的动态平衡。灰水分散剂主要从改变晶格结构、改变胶体颗粒电荷达到同电相斥、络合钙、镁等阳离子三个方面达到阻垢的作用。下面着重从晶格畸变、静电斥力、络合及增溶、分散、清垢五个方面来阐述分散剂的作用机理及过程。
（1）晶格畸变作用
垢体一般大多为结晶体，以 CaCO3 垢为例，它的成长是按照严格顺序，由正带电荷的 Ca2+与带负电荷的 CO3 - 相撞才能彼此结合，并按一定方向成长。当分散剂在水中加入时，它当中的成分（如有机膦酸成分）物质会吸附到 CaCO3 晶体的活性增长点上与 Ca2+ 螯合，抑制了晶格向一定的方向成长，因此使晶体歪曲（畸变）长不大，也就是说晶体被分散剂的有机膦酸表面去活剂的分子所包围而失去活性。同样，这种作用也可阻止其它垢类晶体的沉淀。另外，部分吸附在晶体上的化合物，随着晶体增长而被卷入晶格中，使 CaCO3 晶格发生位错，在垢层中形成一些空洞，分子与分子之间的相互作用减少，使硬垢变软。而在聚羧酸类分散剂中，聚羧酸是线性高分子化合物，它除了一端吸附在 CaCO3 晶粒上以外，其余部分则围绕到晶粒周围，使其无法增长而变圆滑。因此晶粒增长受到干扰而歪曲，晶粒变得细小，形成的垢层松软，极易被水流冲洗掉。
（2）静电斥力作用
分散剂的分子在水中电离成阴离子后，由于物理或化学的作用，有强烈的吸附性，它会吸附到悬浮在水中的一些浆料、果胶质、低聚物、染料缔聚体、尘土等杂质的粒子上，使粒子表面带有相同的负电荷，因而使粒子间相互静电排斥，避免颗粒碰撞积聚成长，颗粒呈分散状态悬浮于水中。性能良好的分散剂能使颗粒长久地分散在水中，即使产生沉淀，也能减缓颗粒的沉降速度。如有机膦酸盐类分散剂的阻垢作用是由于阻垢剂在生长晶核附近的扩散边界层内富集，形成双电层并阻碍垢离子或分子簇在金属表面凝结。
（3）络合及增溶作用
能与 Ca 2+、Fe 3+、Mg 2+等金属离子形成稳定络合物，从而提高了 CaCO3 晶粒的析出时的过饱和度，也就是说增加了 CaCO3 在水中的溶解度。另外，由于有机膦酸吸附在 CaCO3晶粒增长点上，使其畸变，即相对于不加药剂的水平来说，形成的晶粒要细小的多。从颗粒分散度对溶解度影响的角度看，晶粒小也就意味着 CaCO3 溶解度变大，因此提高了 CaCO3析出时的过饱和度。
（4）分散作用
除静电斥力以外，分散剂（如聚丙烯酸）具有分散悬浮作用，能对低聚物、染料缔合体、胶状物等起到强烈分散作用，使其不凝结，加上吸附了分散剂大分子的垢类颗粒产生了空间位阻，呈分散状态的垢类颗粒更不易碰撞凝结而悬浮水中不沉降，易被水冲走。如阴离子分散剂，在水中解离生成的阴离子在与碳酸钙微晶碰撞时，会发生物理化学吸附现象，使微晶粒的表面形成双电层，使之带负电。因阻垢剂的链状结构可吸附多个相同电荷的微晶，静电斥力可阻止微晶相互碰撞，从而避免了大晶体的形成。在吸附产物碰到其它阻垢剂分子时，将已吸附的晶体转移过去，出现晶粒均匀分散现象，从而阻碍了晶粒间和晶粒与金属表面的碰撞，减少了溶液中的晶核数，将碳酸钙稳定在溶液中。
（5）清垢作用
分散剂的分子，与金属离子（未结垢的或垢体上、垢体中的）发生螯合，形成立体结垢的双环或多环螯合物，这些大分子络合物是疏松的，可以分散在水中或进入垢体中，使垢体变松软而易去除，故长期使用分散剂能起到清除原来积垢的作用。
三、灰水系统对阻垢分散剂的要求
1、耐高压、高温性能
由于灰水系统具有一定的温度和压力，因此，要求阻垢分散剂在此条件下不仅不分解失活，而且必须保持良好的阻垢分散性能。
2、优良的阻垢性能
灰水系统的水质通常为高硬度、高碱性、高 pH 型水质。因此，要求阻垢分散剂必须具有非常优良的阻垢性能。
3、对难溶物有良好的分散作用
由于煤中含有一定量的 SiO2、Al 2O3、Fe2O3 等，在水煤浆加压气化燃烧后，它们将随煤气洗涤水进入黑水中，经絮凝沉降虽已除掉大部分，但仍有少量进入灰水中，少量的这些物质，在灰水被加压、加热时首先作为晶核，从而诱发碳酸钙结晶产生而形成沉积。因此，要求阻垢分散剂必须对 SiO2、Al2O3、Fe2O3 等具有良好的分散作用。
4、控制固悬物的沉积
灰水中含有大量微小的固体颗粒悬浮物，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，从而降低阻垢分散剂的活性。因此，要求阻垢分散剂必须具有极好的分散性能，不仅能分散灰水中碳酸钙、硅酸钙、氧化铁等结晶微粒，抑制其结垢，而且要分散水中的固悬物，控制其沉积。
四、案例
2020年某公司气化装置灰水系统经历了前所未有的结垢事件，大概经过如下：
1、事件起因
1.1主要原因：药剂的影响。
某厂气化装置灰水处理系统原采用的A厂分散剂，在使用过程中发现药剂阻垢性能较差，低压灰水系统严重结垢，该厂快速采取调整应对措施，并联系药剂厂商到场进行沟通交流及取样分析，但药剂厂商根据现场水样调配的分散剂仍然不能满足生产需要，无法抑制灰水系统的结垢，即使在4月11日和25日连续改型了两次药剂，对气化水系统依然没有起到阻垢作用，结垢速率依然惊人（高压清洗过的低压灰水管线投用后，十天时间结垢厚度高达10mm）。
1.2次要原因：原料煤的变化及疫情影响。
2、结垢处理：2.1此公司气化装置通过工艺技措改造，在原有低压灰水系统的基础上，最短时间内配置了备用低压灰水系统，将低压灰水系统改造成可以单独清洗的系统，另外还新配备了一条DN450外排水管线，为之后的清洗工作做准备。
2.2考虑到所用分散剂的适应性和匹配性较差，该公司立即进行了药剂的更换，紧急采购了B厂的分散剂，2020年5月13日18：00，B厂提供的分散剂投加到该厂气化装置水系统内，2020年5月18日气化分散剂全部使用B厂提供的分散剂。更换药剂后灰水系统结垢情况明显得到缓解，5月18日备用外排水管线完成了清洗工作，并立即投用，目前水系统运行正常。
3、运行稳定：全部使用B厂的分散剂后，为检验药剂的阻垢分散性能，除了中央控制室对灰水系统阀门的阀位、流量及外排水管线的压力进行跟踪记录外，现场以灰水短节结垢情况作为标定。从该灰水短节结垢情况来看，48天的运行时间，分散剂的阻垢效果比较理想，气化水系统结垢得到缓解，水系统运行整体处于稳定运行状态。
结语：水煤浆气化灰水系统非常重要，灰水系统的结垢性直接影响气化炉长满运行时间，这就需要加强分散剂的管理，对药剂厂商供应的药剂高标准把控，确保灰水分散剂的匹配性与时效性，从涉及灰水系统的管线、设备等部位的结垢厚度情况，结合灰水分析数据中碱度、硬度、PH、悬浮物、电导率等指标间接判断药剂的优劣，实时对入厂的药剂进行监控，实行厂家及分析检测的双分析，进行比对，尽可能保证药剂的有效性。
参考文献：
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