多級(jí)水處理裝置在氣化爐有用物質(zhì)節(jié)能分離中的應(yīng)用

王 敏

(同煤集團(tuán)廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037003)

引 言

當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，而且企業(yè)自身也應(yīng)該有對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)的自覺(jué)。殼牌氣化爐設(shè)備原本的設(shè)計(jì)就符合綠色、低能耗的標(biāo)準(zhǔn)。

1 殼牌氣化爐工作基本原理

殼牌氣化爐是煤氣化反應(yīng)設(shè)備，是荷蘭殼牌集團(tuán)生產(chǎn)的，主要構(gòu)成包括：11磨煤干燥部分、12煤粉加壓輸送部分、13煤氣化部分、14除渣部分、15飛灰氣提部分、16清洗部分、17水處理部分和30公共部分，工藝流程圖如圖1所示。

圖1 煤氣化工藝流程圖

由圖1可見(jiàn)，11、12部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)原煤的磨粉、干燥、加壓與傳送，在13部分發(fā)生煤氣化反應(yīng)，將煤粉轉(zhuǎn)化成合成氣，14、15部分將合成后剩余的廢渣、飛灰去除；16部分采取水洗除掉反映混合氣中的余灰、酸性氣；30公共部分，可以向上述所有部分供給需要的CO2和N2；14、16部分的廢液流到17部分，進(jìn)行初步的水處理操作。

初級(jí)水處理主要分為三大步驟：1) 將廢液中的H2S和微量的SO2、HCN去除；2) 將廢液中的固體泥灰去除；3) 經(jīng)上述兩步驟所得澄清水的重復(fù)使用。

經(jīng)上述三步驟后的澄清水導(dǎo)入供水系統(tǒng)，進(jìn)行更精細(xì)的凈化，重復(fù)使用或往外排放。上述步驟提取出的酸性氣有的導(dǎo)入硫回收系統(tǒng)，有的則直接導(dǎo)入火炬系統(tǒng)，完全燃燒后直接排出。提取濾除的煤泥能夠摻入原煤再次利用[1-2]。

2 酸性氣的分離

圖2 基本流程圖

從圖2基本流程圖可知，該流程可以通過(guò)氣提實(shí)現(xiàn)廢液中酸性氣的分離。

殼牌氣化爐14部分和13部分直接相連，所以14部分的壓力和13部分是相同的，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，氣化爐壓力保持在3.87 MPa～3.89 MPa之間，日常運(yùn)行時(shí)工況能夠視做穩(wěn)態(tài)。14部分(即V-1702渣儲(chǔ)存罐)的，同樣溫度條件下，渣水密度稍高于純水。在生產(chǎn)操作中，渣水溫度通常是38 ℃左右，其密度大約保持在997 kg/m3。依照靜壓公式P=ρgh，如果取h=20 m，則P=0.19 MPa，也就是部分(V-1702)壓力處于4.05 MPa～4.08 MPa(表壓)，渣水由V-1702單元通過(guò)S-1403水力分離器，流到V-1701，S-1403進(jìn)口端，渣水溫度大約34 ℃，壓力大約4.04 MPa(表壓)，渣水通過(guò)S-1403后，壓力減小，再進(jìn)行分流，通過(guò)限流孔板，流入V-1701，壓力再次降低。

當(dāng)壓力降低后，酸性氣在渣水中的溶解度減小，無(wú)法溶解的酸性氣由渣水中逸出，通過(guò)V-1701頂端流出。

C-1601是16部分的水洗塔，主要用來(lái)濾除合成氣中的酸性氣 (可參考NH3、H2S、CO2、CO、H2在水中的kB)及少量浮塵。從C-1601流出的洗滌水大概由169 ℃溫度，壓力是4.1 MPa(表壓)，通過(guò)X-1701降壓管流到V-1704，再次降壓，將會(huì)出現(xiàn)以下2個(gè)改變。

1) 同V-1701類(lèi)似，酸性氣在渣水中逸出。

2) 洗滌水水溫較高，170 ℃時(shí)飽和蒸汽壓為0.793 MPa，而17部分的壓力通常大約是0.2 MPa(表壓)，所以一些洗滌水也將出現(xiàn)相變，以氣態(tài)逸出到V-1704中，其它的洗滌水依舊以液體狀態(tài)存在，依照0.2 MPa表壓，現(xiàn)實(shí)絕對(duì)壓力大概0.3 MPa，液態(tài)溫度維持69.3 ℃，相應(yīng)的飽和蒸汽溫度是66.6 ℃[2]。

通過(guò)泵的作用，V-1701和V-1704中的液相流入C-1701再次進(jìn)行氣提，由于壓力差的存在，兩罐中的氣體流入C-1701上端。

氣提罐C-1701是17部分的關(guān)鍵裝置。殼牌配備的氣提罐屬于3級(jí)3段氣提，V-1701和V-1704的廢液進(jìn)料端一個(gè)位于C-1701的上端，一個(gè)位于C-1701的下端，這2個(gè)進(jìn)料端將C-1701氣提罐分成了3段。

氣提載體是低壓蒸氣，低壓蒸氣壓力是0.65 MPa(表壓)，溫度是175 ℃(不計(jì)入傳輸熱量損耗)。V-1701同V-1704的進(jìn)料端中間有一節(jié)填料，回流罐V-1703流入C-1701的入口和V-1704的入料口中間有一節(jié)填料，這就稱(chēng)作“3級(jí)”氣提。填料選用的是鮑爾環(huán)，亂堆方式。

C-1701的入料口，溫度是由下至上越來(lái)越高的，V-1701到C-1701的入料口溫度大約在30 ℃，V-1704到C-1701的入料口溫度大約在70 ℃，V-1703的回流溫度大約為100 ℃，175 ℃的低壓蒸汽由最底部逐級(jí)向上，先通過(guò)分布器將蒸汽流打散，形成小的蒸汽泡。廢液由上往下在填料表面出現(xiàn)一層液膜，逐層同小蒸汽泡相互貼近，發(fā)生傳質(zhì)傳熱，廢液中濃度更高的酸性氣，逐漸往純凈的蒸汽泡里傳遞，與此同時(shí)，由于蒸汽泡的溫度比廢液高，熱量由蒸汽泡往廢液里傳遞。廢液在被加熱之后，對(duì)于酸性氣的溶解度會(huì)大幅減小，從而會(huì)逸出大量的酸性氣，在上述多重影響下，酸性氣從廢液中可以最大程度地分離出來(lái)。

三級(jí)氣提的優(yōu)勢(shì)有。1) 入料端的溫度從下到上越來(lái)越高，且其入料中酸性氣的占比越來(lái)越少，最底部的入料中酸性氣占比最大，而且同溫度最高的蒸汽進(jìn)行接觸，以此能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的氣提作用；越朝上，廢液中酸性氣比例越小，與它作用的蒸汽溫度在換熱之后也有所減小，但依然可以實(shí)現(xiàn)氣提目標(biāo)；回流水酸性氣占比最小，與它作用的蒸汽溫度也最小。2) 填料通過(guò)亂堆的方法，能夠促進(jìn)蒸汽在其中的前進(jìn)距離，確保同水汽的作用程度，實(shí)現(xiàn)最佳的介質(zhì)傳熱作用。3) 選用分級(jí)填料辦法，每層的填料量適中即不少也不多，可以保證預(yù)期氣提目標(biāo)的完成，也能顯著防止“壁流”現(xiàn)象的出現(xiàn)。

氣提是一種較常用的分離手段，與該部分的閃蒸合用，將廢液同酸性氣分離之后進(jìn)行固體渣灰的濾除和澄清水回用。

酸性氣以及少量水蒸氣通過(guò)E-1702熱交換器后，溫度變低，水蒸氣在V-1703回流罐變成液態(tài)水，回流到C-1701進(jìn)行再次氣提，達(dá)到精氣提的作用，大部分的酸性氣有的流入硫回收系統(tǒng)，有的流入火炬處理系統(tǒng)。火炬系統(tǒng)中氣液分離后液相流回V-1702，同廢液一起重新經(jīng)過(guò)氣提步驟，酸性氣的分離步驟完成。

3 固體渣灰的濾除

廢液中渣灰濾除和清水回用流程圖，如圖3所示。

圖3 廢液中渣灰濾除和清水回用流程圖

A-1701裝置用來(lái)添加絮凝劑，廢液在經(jīng)過(guò)氣提后其渣灰含量仍舊偏高，添加絮凝劑后，處于懸浮微粒及膠體狀態(tài)的渣灰在吸附架橋及電中和作用下，凝結(jié)為尺寸更大，更易沉淀的絮凝體(d>20 m)。本文選擇的絮凝劑為PAM(聚丙烯酰胺)，共同起作用的包括重力沉降，在有振蕩器的作用下被導(dǎo)入T-1702。在振蕩器的振蕩下又會(huì)發(fā)生自然沉降，然后導(dǎo)入S-1702抽濾機(jī)進(jìn)行真空抽濾，廢液中的水經(jīng)過(guò)濾布上的孔眼被過(guò)濾出來(lái)，廢液中體積較大的灰渣絮凝體則被濾布擋住，變成固體的濾餅，以此固液相互分離。經(jīng)檢驗(yàn)，濾餅中C含量高達(dá)60%，收集后可運(yùn)回煤庫(kù)和原煤一起循環(huán)使用。此操作過(guò)程中，添加了15%的HCl，來(lái)最大程度的減少CaCO3沉淀，CaCO3是主要的灰分來(lái)源。渣和灰的不同關(guān)鍵在于渣的含量更高[4]。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的渣灰含量占比，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的渣灰含量占比

該渣灰樣本的渣樣是從14部分采取，灰樣從15部分采取。

4 澄清水的回用

在進(jìn)行氣提、澄清處理之后，廢液pH值是6.8至7.1，濁度低于200 mg/L，在流經(jīng)T-1701后，可以導(dǎo)回至V-1701、V-1704再次使用，或由T-1703返回S-1701、取代原水，充當(dāng)液位補(bǔ)水，洗滌水，剩余的運(yùn)到供水，再深度處理使其滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)，或再次回用，重新用于生產(chǎn)流程中。

部分氣體在水中的亨利系數(shù)kB，如表2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

殼牌多級(jí)水處理裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“廢液”中有用成分的分離，及廢液處理后澄清水的回用，極大擴(kuò)展了資源的利用率，實(shí)現(xiàn)了綠色低能耗的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)部分氣體在水中的kB kPa·L/mol