氣化灰水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行總結(jié)

孟 雪，張蒙恩，曹真真，孟令?lèi)偅瑢O玉龍

(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453731)

水煤漿加壓氣化技術(shù)作為潔凈煤技術(shù)之一，在化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。水煤漿加壓氣化技術(shù)主要由磨煤制漿系統(tǒng)、粗合成氣制備系統(tǒng)及氣化灰水系統(tǒng)組成，其中氣化灰水系統(tǒng)是氣化裝置中非常重要的部分。

氣化灰水系統(tǒng)的作用是將氣化工序及煤氣初步凈化工序產(chǎn)生的灰水所含的固體和溶解的氣體分離出來(lái)，并將灰水所含的熱量加以回收。由于煤中含有CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等氧化物，在高溫高壓下，金屬元素被無(wú)機(jī)酸、堿侵蝕而溶解在水中形成離子態(tài)，特別是鈣鎂氧化物與CO2、H2O形成可溶性的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2，高溫高壓灰水經(jīng)過(guò)閃蒸后，無(wú)機(jī)酸氣體大量揮發(fā)，可溶性Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2變成不溶性的CaCO3、MgCO3，進(jìn)而在整個(gè)氣化灰水系統(tǒng)中沉積，隨著系統(tǒng)運(yùn)行周期的延長(zhǎng)，CaCO3、MgCO3沉積附著并相互粘連，形成致密堅(jiān)硬的灰垢[1-2]。

由于氣化灰水系統(tǒng)高堿度、高硬度、極易結(jié)垢的特性，現(xiàn)階段氣化灰水系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題有：(1) 在高硬度條件下分散劑分散效果差，消耗量大，運(yùn)行成本高；(2) 氣化灰水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備及管線需定期沖洗除垢，維護(hù)成本高；(3) 結(jié)垢堵塞嚴(yán)重時(shí)，甚至造成系統(tǒng)停車(chē)。因此，有效降低氣化灰水系統(tǒng)硬度是煤氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。筆者通過(guò)對(duì)燒堿協(xié)同酸性氣除硬技術(shù)的運(yùn)行情況進(jìn)行研究，為后續(xù)氣化灰水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及灰水回用奠定了基礎(chǔ)[3-4]。

1 工藝流程

氣化灰水除硬工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 氣化灰水除硬工藝流程簡(jiǎn)圖

從氣化灰水槽來(lái)的灰水經(jīng)低壓灰水泵提壓后送至氣化灰水系統(tǒng)，先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池內(nèi)加入罐區(qū)送來(lái)的NaOH溶液，調(diào)節(jié)溶液pH保持在8.0～8.5;然后通過(guò)重力作用自流進(jìn)入設(shè)有CO2曝氣盤(pán)的主反應(yīng)池中，來(lái)自?xún)艋ざ蔚腃O2氣體與灰水中的金屬離子進(jìn)一步反應(yīng)，除去灰水中的鈣鎂離子;反應(yīng)后的灰水經(jīng)輔助反應(yīng)池再次除硬后溢流進(jìn)入斜板沉降槽，反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的礬花狀絮體在此進(jìn)行沉淀分離，上層清液流入緩沖槽，通過(guò)提升泵送入污水終端進(jìn)行處理，而斜板沉降槽底部積聚的沉淀通過(guò)排污閥排入污泥池，并通過(guò)污泥進(jìn)料泵送至板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾;產(chǎn)生的濾餅外售，壓濾后的污水回流至緩沖槽送往污水終端處理。具體原理如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 除硬裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 增加CO2曝氣裝置

傳統(tǒng)工藝中，CO2氣體的補(bǔ)充采用管道通入，導(dǎo)致反應(yīng)不均勻且反應(yīng)速率較慢，而且轉(zhuǎn)化率較低。為提高反應(yīng)效率及CO2利用率，在反應(yīng)器中設(shè)置CO2曝氣裝置。根據(jù)反應(yīng)特性，在主反應(yīng)池和輔助反應(yīng)池中各設(shè)置1套CO2曝氣裝置，其中曝氣盤(pán)形式采用韭字型或匪字型，曝氣孔徑為20～40 mm，呈斜45°向下噴射。采用該形式的曝氣盤(pán)，不僅可以使CO2氣體在反應(yīng)池中均勻分布，而且可以有效避免沉淀物質(zhì)在曝氣口積聚，避免曝氣口堵塞，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及長(zhǎng)周期性。

2.2 將污泥排放改為自動(dòng)放料

人工排放污泥不僅增加現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作量，而且也不夠準(zhǔn)確。在主反應(yīng)池、輔助反應(yīng)池及斜板沉降槽底部增加自動(dòng)放料系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)集散控制系統(tǒng)(DCS)編程控制放料系統(tǒng)的放料部位、開(kāi)啟時(shí)間與間隔等實(shí)現(xiàn)放料系統(tǒng)的自動(dòng)化。通過(guò)該放料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅減少了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且保證了氣化灰水系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，避免了污泥池出現(xiàn)漫液的現(xiàn)象。通過(guò)改造，目前除現(xiàn)場(chǎng)巡檢外，放料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)不需要人工操作，全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

管道的理論排水體積流量qV為：

(7)

式中：Δp為進(jìn)出口壓差，即水靜壓，Pa；ρ為排水密度，kg/m3,取1 000 kg/m3；g為重力加速度，m/s2,取9.8 m/s2；s為管道摩擦阻力系數(shù)，s=0.001 736/d5.33,d為管內(nèi)徑,m；L為管道長(zhǎng)度，即排污管長(zhǎng)度,m。

通過(guò)已確定的操作條件,根據(jù)上述公式，選擇最優(yōu)的排污管道直徑及排污周期:設(shè)定主反應(yīng)池排污周期為60 min，排污時(shí)長(zhǎng)5 s;設(shè)定輔助反應(yīng)池排污周期480 min，排污時(shí)長(zhǎng)4 s;設(shè)定斜板沉降槽排污周期720 min，排污時(shí)長(zhǎng)4 s。

2.3 采用全自動(dòng)壓濾機(jī)

灰水除硬過(guò)程中產(chǎn)生的沉淀顆粒較小，并且具有一定的黏性，為提高運(yùn)行效率，選用全自動(dòng)板框壓濾機(jī)對(duì)沉淀進(jìn)行壓濾除水。

A=V2/0.015t

(8)

V1a=Mb=V2ρ1b

(9)

式中：A為壓濾機(jī)的過(guò)濾面積,m2;V1為進(jìn)料體積,m3；a為進(jìn)料含固質(zhì)量分?jǐn)?shù),%；V2為濾餅體積,m3；b為濾餅含固質(zhì)量分?jǐn)?shù),%；M為濾餅質(zhì)量,kg；ρ1為濾餅密度,kg/m3；t為循環(huán)時(shí)間,s。

經(jīng)式(8)、式(9)核算，需要2臺(tái)過(guò)濾面積為15 m2的壓濾機(jī)，構(gòu)成1開(kāi)1備。

3 改造效果

項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中試驗(yàn)了不同比例堿液加入量的除硬效果，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出：堿水體積比從0.9提高至1.6，產(chǎn)水硬度從970 mg/L降低至150 mg/L，硬度去除率從19.2%提高至87.5%。最終優(yōu)選堿液加入量1.25 L/m3，此時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行藥劑成本約1.15元/m3，電費(fèi)為0.46元/m3，總成本為1.66元/m3。

圖2 加堿量與灰水硬度的關(guān)系

灰水除硬前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 灰水除硬前后參數(shù)對(duì)比

氣化灰水經(jīng)過(guò)除硬處理后，系統(tǒng)硬度下降明顯;同時(shí)，降濁效果也較為明顯，反應(yīng)池折流上升/下降速度為2.5 mm/s，在不額外添加絮凝劑條件下,產(chǎn)水平均濁度為1～2 NTU，遠(yuǎn)小于進(jìn)水濁度(20 NTU)。

堿液加入量為1.25 L/m3時(shí)，可將灰水硬度降至200 mg/L，鈣離子質(zhì)量濃度為40 mg/L，硬度去除率達(dá)到83%左右。產(chǎn)水堿度平均較進(jìn)水稍高，加鹽酸調(diào)節(jié)到進(jìn)水堿度約1 400 mg/L，屬正常現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷調(diào)試，得到除硬效果好、經(jīng)濟(jì)性高的操作條件。水煤漿氣化裝置系統(tǒng)灰水總硬度的降低，大幅提升了氣化系統(tǒng)灰水的品質(zhì)，可以有效減緩氣化灰水系統(tǒng)結(jié)垢速率及結(jié)垢的嚴(yán)重程度，不僅降低了設(shè)備及管道的沖洗頻率，而且也減少了系統(tǒng)非計(jì)劃停車(chē)的頻次，為系統(tǒng)的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了可靠保障。