一體化凈水系統在煤化工黑水處理領域的應用

張 靜,曾洪駿,白帥康,許淑杰,孫瑞剛,閆永勤

(北京時代科儀新能源科技有限公司,北京 100085)

在我國的能源結構中,煤炭占據著十分重要的地位。因此,以煤炭為原料的化工產業在我國的整個化工產業中占據著突出地位[1]。然而,在煤化工產業快速發展的同時,相關的黑水排放等問題對環境造成的損害限制了其進一步的發展。為了實現綠色、可持續發展,必須尋求有效的黑水處理方式,達到環境友好的效果。

煤化工黑水主要指煤氣化系統形成的帶有煤渣的固液混合物,混合物中大部分是水,具有高懸浮物、高溫、高堿、高硬度等特點,且含有銨離子、氯離子、硫化氫等強腐蝕性物質[2];同時,黑水中還有氣化反應所產生的高硬度固體顆粒,質量分數可高達10%。由此可見,理化性質、成分組成均十分復雜的黑水在處理時易出現問題,處理不當會對環境造成損害。

為了解決黑水雜質,同時維持黑水中濁度、硬度在合理的平衡范圍內,并且在去除油污的同時不消耗水源,避免對環境造成污染,北京時代科儀新能源科技有限公司研發了黑水一體化凈水系統,旨在通過閉環運行方式將黑水的水質控制在一定范圍內,達到降低生產成本、減少環境污染的目的。

1 現有黑水處理工藝

黑水處理是煤化工氣化工藝中最重要的環節之一,主要是將來自激冷罐的激冷排放水和洗滌塔的高溫氣化洗滌水通過高壓、低壓、真空三級閃蒸降溫,進行澄清處理后回用。根據黑水的實際水質不斷補充新鮮水,并排出高濃污水,后續處理難度及成本很高。黑水處理工藝流程見圖1。

圖1 黑水處理工藝流程

1.1 工藝流程

來自激冷罐、洗滌塔約260 ℃的氣化黑水,依次通過高壓、低壓閃蒸降溫至130 ℃左右。產生的閃蒸汽大部分采用循環冷卻水進行冷凝,部分企業將其用作低壓汽提的加熱熱源等用途。

低壓閃蒸后約130 ℃的氣化黑水經過真空閃蒸或者水冷,降溫至60～70 ℃,送入沉降槽。在沉降槽中,盡量實現固液分離,上層清液溢流進入黑水槽;黑水槽中的部分黑水送至除氧器中經蒸汽加熱后進入洗滌塔作為洗滌粗合成氣用水循環使用。

1.2 存在的問題

(1) 冷卻水補水量大。以消耗原料煤52 t/h氣化爐氣化黑水處理為例[3],按每年運行8 000 h計算,每年消耗冷卻水補水約35萬t。

(2) 易造成二次污染。黑水本身的理化性質、成分組成是十分復雜的,同時,黑水處理工藝本身需要添加一定量的化學試劑,也會生成一些副產物,極易造成二次污染[4]。

(3) 運營成本高。以消耗原料煤52 t/h氣化爐氣化黑水處理為例:按冷水能耗單價0.2元/t計算,每年冷卻水能耗費用約700萬元;按工業水單價2元/t計算,每年冷卻水補水費用約70萬元;另外,每年的檢修費用約10萬元。處理后的氣化黑水對粗合成氣進行激冷、洗滌,大量的煤泥渣等進入氣化黑水,導致氣化黑水固含量較高,造成閃蒸罐、管道、閥門等嚴重結垢、磨損、腐蝕,需要定期檢修,增加運營成本。

2 黑水一體化凈水系統

該黑水一體化凈水系統是北京時代科儀新能源科技有限公司自主研發的黑水處理裝置,內含一體化凈水裝置(見圖2)、水質在線監控系統,主要應用于煤化工氣化黑水的水質處理,能夠控制水質處于合理的區間。

圖2 一體化凈水裝置外型圖

一體化凈水裝置依靠回水的背壓進行工作,無需配置循環泵,屬于固定式設備,可以實現無人值守。該一體化凈水裝置包括布水、反應、沉淀、集水、污泥濃縮、污泥制塊6個主要單元,其主要原理為使用物理、化學方法使得水中的有害物質得到持續分離和沉降,并作為泥塊排出,整體屬于一體化撬裝設備,沒有發生堵塞的可能性,使用壽命長,適用范圍廣。

一體化凈水裝置內部流程見圖3。

圖3 一體化凈水裝置內部流程圖

一體化凈水裝置前設置靜態管道混合器,水處理藥劑在加藥裝置內配制完成,并由計量泵送至管道混合器內,混合器通過自身結構的剪切、攪拌作用,使其混合均勻,然后進入凈水裝置內。

黑水在進入一體化凈水裝置后,先進入裝置底部的配水區,進行均勻布水,水流速度降低,并緩慢進入高濃度絮凝區,進行徹底的混凝反應,在斜管導流區的導流作用下,污水沿斜管傾斜方向往上流動,進入沉降區內。

通過斜管澄清后的水則匯集至裝置底部的清水區,并由連通管返至裝置頂部的清水層,后續流回水池。

沉積下來的污泥被推到凈水裝置的泥漿槽內,當一體化凈水裝置運行一定時間后,根據中央控制柜給出的控制信號進行自動排泥(周期可調),進行泥餅制作。整個裝置不存在反洗工序,不產生高濃度的反洗水,不存在濾料堵塞的可能性,對黑水處理具有很強的適應性。

3 系統優勢

該黑水一體化凈水系統能夠持續去除固體顆粒物、懸浮物、油污、膠體、鈣鎂離子,維持水池中的濁度、硬度在合理平衡范圍內,處理過程無需反洗,不消耗額外水源。該系統具有處理效果好、無需另外補水、自動化運行、軟件系統監控、泥餅可回收利用、適用水質廣泛、運行方便和成本低的優勢。

3.1 處理效果好

系統采用高效的處理技術,與傳統工藝技術相比具有絮凝時間短、雜質顆粒去除率高的特點,可使沉淀出水水質一直保持良好的狀態,而且能適應各種原水的水溫和濁度。

3.2 無需另外補水

裝置不存在反沖洗階段,過程中不消耗水源,不產生廢水。

3.3 自動化運行

一體化凈水裝置依靠回水的背壓進行工作,本身達到了全自動運行的效果,屬于固定式設備,無需對凈水裝置進行操作管理,可以實現無人值守,值班人員只需要定時進行水質監測即可。

3.4 軟件系統監控

該系統具備遠程實時監控、數據采集分析、工況異常報警等功能,可以對整套系統進行全方位管理。同時對相關設備進行運行狀態監測,實現無人值守、智能化運行。

3.5 泥餅可回收利用

泥餅可以回收利用于:建工建材制備,如骨料、膠凝材料、墻體材料、免燒磚等;土壤改良、水體修復等;殘碳利用,如殘碳提質、循環摻燒等;高附加值材料制備,如催化劑載體、橡塑填料、陶瓷材料、硅基材料等。

3.6 適用水質廣泛

該系統水質、水量的突然變化對絮凝沉淀效果沒有影響,仍能得到理想的出水水質。此外,系統對循環冷卻水、微污染水及低溫低濁水也具有很好的處理效果,尤其對處理礦井水效果非常明顯。

3.7 運行方便

系統運行初期不需要復雜的啟動調試,各部分安裝完畢、投藥運行1 h即可得到理想的出水水質。

3.8 成本低

整個工藝無需另設反沖洗水泵、電動閥門或空壓機等電氣設備,不需要電費投資,降低了制水成本。

4 市場應用潛力

黑水一體化凈水系統可以針對各種煤化工企業的實際情況和環保要求進行設計和配置,以滿足處理效果和資源利用效率的要求。同時,隨著技術的不斷進步和創新,該系統還可以不斷優化和改進,提高處理效率和可靠性,為煤制合成氨企業的可持續發展提供有力保障。

中國合成氨行業根據合成氨制備原理劃分,原材料主要分為煤炭、天然氣及焦爐氣,其中煤炭約占76%。

由此可見,煤化工企業數量眾多,黑水一體化凈水系統的應用潛力巨大。

5 結語

水資源危機是當今世界面臨的重要問題,水資源的嚴重匱乏已經成為制約我國國民經濟發展的一個重要因素。為了實現煤化工黑水的在線凈化,節省煤化工企業的水資源消耗,從工藝設計、現場布置等諸多因素進行了綜合性的周全考慮,自主研發了黑水一體化凈水系統,包含一體化凈水裝置搭配水質在線監控處理系統,主要應用于煤制合成氨工藝氣化黑水的水質處理。

黑水一體化凈水系統運行穩定、可靠,性能卓越,能夠在維持水池中的濁度、硬度在合理平衡范圍內的同時,去除固體顆粒物、懸浮物、油污、膠體等雜質,同時又不消耗水源,不產生廢水,是煤化工企業黑水處理的首選產品。