水煤漿氣化灰水處理絮凝劑選型方法

張蓬勃 王保剛 馬 航 徐 林

陜西延長石油興化化工有限公司 陜西 興平 713100

1 概況

黑水除灰工藝一般采用絮凝沉降法，經過降溫后的黑水加入絮凝劑，使細灰絮凝成團，比重加大，在水中沉降分離出清澈的水。目前市場上的絮凝劑產品很多，可分為微生物絮凝劑、無機絮凝劑、有機高分子絮凝劑三大系列。

面對種類繁多的絮凝劑產品，一般由供貨廠家根據產品性質推薦試用，絮凝效果好，繼續使用。絮凝效果不好，灰水含灰量較多，水質渾濁發灰，更換產品繼續試用，直到達到理想效果。這種方法費時、盲目，給用戶帶來很多麻煩。將黑水樣送至專業實驗室進行絮凝劑型號篩選，黑水樣靜置時間過長，灰渣沉淀堆積，溫度過低，實驗前需加熱攪拌，費時費力且實驗效果不一定理想。介紹一種簡單，易操作，出結果快，在灰水處理生產裝置現場就可進行的絮凝劑選型方法。

2 生產工藝流程

陜西延長石油興化化工有限公司大化工以煤為原料，采用西北化工研究院自主開發的多元料漿氣化技術，年生產合成氨30 萬t，甲醇30 萬t。生產工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

煤漿濃度為58%～60%的合格水煤漿由高壓煤漿泵加壓后與空分來的純氧（≥99.6%）經工藝燒嘴一起噴入氣化爐內，在1350～1400℃、6.5MPa(G)的工況下，在氣化爐的燃燒室煤漿進行燃燒，與氧氣發生部分氧化反應，生成有效氣成分為CO+H2的粗合成氣。生成的粗合成氣、未轉化組分及部分液態熔渣一起并流順著氣化爐下降管進入下部的激冷室。

粗合成氣通過激冷室的水浴直接進行冷卻，熔渣激冷后破碎，大部分細灰留在水中。冷卻后的粗合成氣通過上升管上升到激冷室上部，經上部折流板折流，將粗合成氣中的水分分離出來，再從氣化爐的合成氣出氣口引出。粗合成氣經氣液分離器、文丘里洗滌器進入洗滌塔除塵、降溫后送入下游工序。

灰水循環泵將洗滌塔下部的灰水送入黑水過濾器，過濾掉大顆粒灰渣，然后再進入激冷環，變成激冷水，沿下降管內壁形成一層水膜向下流入激冷室。大部分煤灰及殘炭以灰渣形式從工藝氣中除去，粗渣經破渣機破碎后進入鎖斗循環系統，通過撈渣機裝車外運。

氣化爐激冷室底部的黑水和氣液分離器分離的黑水經過節流減壓后進入氣化高溫熱水器，洗滌塔底部的黑水經過節流減壓后進入洗滌高溫熱水器。在氣化和洗滌高溫熱水器中，通過降低壓力使黑水閃蒸，一部分黑水閃蒸成為蒸汽與來自變換工序汽提塔的冷凝液在塔板上接觸進行洗滌，洗掉閃蒸氣中夾帶的細灰，洗滌后的閃蒸氣進入灰水加熱器與來自除氧水槽的灰水換熱，高閃氣冷卻降溫后，進入高壓閃蒸分離器，分離出的冷凝液依靠壓差送至除氧水槽，分離出的高閃氣經過壓力調節閥送往變換汽提塔。

氣化高溫熱水器和洗滌高溫熱水器底部的黑水經液位調節進入低溫熱水器，再次經過減壓、降溫后，閃蒸出的低壓氣體一部分作為熱源送往除氧水槽，另一部分經過水冷器冷卻，凝液回收至灰水槽。

低溫熱水器底部黑水進入真空閃蒸器，黑水在真空條件下進一步閃蒸濃縮。含有細渣混合物的黑水經澄清槽進料泵送往澄清槽。閃蒸氣從真空閃蒸器頂部出來經真空閃蒸冷凝器冷卻后，進入真空閃蒸分離器，分離出的冷凝液經真空凝液泵送往除氧水槽，分離出的閃蒸氣用真空泵抽走。來自真空閃蒸系統的黑水及細渣混合物由澄清槽進料泵送入靜態混合器進入澄清槽。在靜態混合器上游入口處加入絮凝劑，以加速澄清槽黑水中細渣的沉降分離。渣水經澄清槽底料泵送往真空帶式過濾機進行真空過濾，濾液在濾液槽中收集后，通過濾液泵送入澄清槽，濾餅裝車外運。澄清后僅含有極少量細灰的灰水，由澄清槽頂部的溢流堰溢流進入灰水槽，灰水經低壓灰水泵返回系統循環使用。

3 絮凝劑的性能實驗

3.1 絮凝劑產品初選

查閱絮凝劑的相關資料，對各種絮凝劑的絮凝性能進行了初步分析。以煤氣化灰水處理的黑水為研究對象，各煤氣化企業普遍使用聚丙烯酰胺絮凝劑，聚丙烯酰胺為白色粉末或者小顆粒狀物，化學式（C3H5NO）n，分子量1×104～2×107，密度為1.302g/ cm3（23℃），由丙烯酰胺單體經自由基引發聚合而成的水溶性線型高分子聚合物，具有良好的絮凝性。根據供貨商提供的絮凝劑種類，以及系統工藝參數、設備材質及結構，初步選擇3850、4024、5005、5020、5116 五種型號的陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑產品作為試驗用絮凝劑。

3.2 絮凝性能評定方法

常用的絮凝劑性能評定方法主要是燒杯沉降試驗法。該方法實用、簡便，具有科學性、先進性和可行性[1]。結合化工生產的實際條件和實驗設備的局限性，本實驗最優的絮凝劑性能評定方法宜選擇燒杯沉降試驗法。

3.3 應用范圍

只對煤氣化灰水處理的黑水在加入絮凝劑后絮團沉降情況，上清液澄清度進行評定，從而快速篩選出適合黑水特性的絮凝劑產品型號，而對其他性能不作研究。實際生產運行中，黑水溫度在65～70℃，黑水的成分根據煤種和氣化爐運行情況而變化，沉降時間受水量和澄清槽直徑限制，對此類影響絮凝效果的因素暫不考慮。

3.4 原理

根據試驗目的，選定試驗用水，加入所要評定的絮凝劑，攪拌后靜置，取其上清液測定濁度值，以評定絮凝劑的絮凝沉降性能。

3.5 試驗用水

以煤氣化灰水處理的黑水為研究對象，尋求符合黑水特性的絮凝劑，以達到最優的絮凝效果。因此，試驗用水選擇煤氣化灰水處理的黑水。

3.6 實驗儀器

燒杯100mL、200mL，玻璃棒，注射器1ml，移液管，濁度儀。

3.7 實驗貯備液

（1）絮凝劑溶液（質量分數0.1%）：稱取五種待選絮凝劑各0.2g，取5 個燒杯各量取200ml 純凈水（純凈水比較方便取用，因此本實驗選擇純凈水作溶劑，也可以用去離子水，蒸餾水，脫鹽水），將稱量好的五種絮凝劑依次加入各燒杯，給對應的燒杯依次編號3850、4024、5005、5020、5116 樣品，用玻璃棒順時針攪拌，直到絮凝劑完全溶解，備用。根據自己的需要可將配置好的質量分數0.1%的絮凝劑溶液分別裝入瓶子，依次編號3850、4024、5005、5020、5116 樣品，方便攜帶。

（2）黑水：用水桶在運行系統的真空閃蒸器黑水出口管線導淋閥處取一桶黑水備用。

3.8 實驗步驟

實驗時絮凝劑的添加比例過小或過大，都會使實驗現象對比不明顯，影響實驗結果。為了使實驗現象對比明顯，便于觀察，本實驗將絮凝劑的添加比例定為1ppm。

（1）取5 個燒杯，分別量取100ml 的黑水（量取黑水前將桶內黑水搖勻），依次編號3850、4024、5005、5020、5116 水樣，備用。

（2）用注射器分別吸取1mL3850、4024、5005、5020、5116 絮凝劑溶液樣品，快速依次注入相對應的3850、4024、5005、5020、5116 水樣（注射器方便操作，節約加入絮凝劑的時間，也可以用移液管，盡量在最短時間內將絮凝劑加入水樣）。

（3） 用玻璃棒順時針依次攪拌3850、4024、5005、5020、5116 水樣，5 個水樣的攪拌圈數要相同，在攪拌過程中能看到燒杯內產生大量黑色絮團，水樣漸漸變清澈（有條件的可以用多聯攪拌器攪拌）。

（4）觀察各水樣樣品的絮凝沉降效果。

（5）靜置10min，取3850、4024、5005、5020、5116 水樣上清液，測量濁度值。

3.9 試驗結果的評價

絮凝劑選型首要考慮加入絮凝劑后，水質清澈，濁度低，且絮團沉降時間短者最優。

測量各水樣濁度值用濁度儀直接測量，插好濁度儀電源，打開開關，將取好的3850、4024、5005、5020、5116 水樣上清液依次裝入測量皿，再把測量皿放入濁度儀內，蓋好蓋子，待屏幕顯示的數值穩定時，記錄該水樣的濁度值，注意更換水樣時應將測量皿沖洗干凈，以免影響測量結果。

4 結果和討論

3850、4024、5005、5020、5116 水樣加入對應的絮凝劑攪拌均勻后，可直接觀察到黑水中的懸浮物絮凝成團，緩慢沉降，黑水逐漸變清澈。

5005 水樣絮團沉降時間最短，5116 水樣絮團沉降時間最長。用移液管分別取3850、4024、5005、5020、5116 水樣上清液，經濁度計測量其濁度值，結果見表1。

表1 3850、4024、5005、5020、5116 水樣濁度值

從表1 的測量結果可以看出4024 水樣濁度值最小，5005 水樣濁度值最大，說明4024 水樣加入對應的絮凝劑后，比其他樣品的絮凝沉降效果好，水質清澈。

5005 水樣加入對應的絮凝劑后，絮團沉降時間最短，但是水樣濁度最高，水質渾濁，不可選。4024 水樣濁度值最低，且絮團沉降時間只比5005 水樣慢2s，綜合考慮選擇4024 型號的絮凝劑產品。