氣化爐灰水除硬降濁提質關鍵技術分析

摘" 要：

針對氣化爐灰水處理系統除硬、除硅、沉淀及污泥處理環節存在的問題，采用氣泳多效反應器和精確的加藥系統，有效提高了水處理效率，同時確保了出水水質滿足所需標準，支持了氣化裝置的穩定運行。加藥系統通過自動化控制實現了精準的藥劑投加，優化了處理過程，降低了運行成本，實現了可持續運營。

關鍵詞：

氣化爐；灰水；除硬；除硅；氣泳多效反應器；加藥系統

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.011

中圖分類號：TQ545

文獻標識碼：B

文章編號：

1004-8901（2024）04-0036-04

作者簡介：

王紅柱（1988年—），男，湖北枝江人，工程師，現主要從事煤化工設備管理及項目施工管理工作。

Analysis of Key Techniques for Removing Hard Matters， Reducing Turbidity，

and Improving Ash Water Quality for Gasifiers

WANG Hong-zhu， CHEN Yong-jun

（Hubei Sanning Chemical Co.， Ltd.， Yichang Hubei 443200， China）

Abstract：

In view of problems existing in the process of hard matter removal， silicon removal， precipitation and sludge treatment in the ash water treatment system of gasifiers， aero-phoresis multi-effect reactor and precise dosing system are adopted to effectively improve the efficiency of water treatment， ensure the effluent quality meets the required standards， and support stable operation of the gasification unit. The dosing system realizes accurate dosing through automated control， optimizing processing， reducing operating costs， and achieving sustainable operation.

Keywords：

gasifier; ash water; remove hard matters; silicon removal; aero-phoresis multi-effect reactor; dosing system

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.011

水處理技術在工業生產中扮演著至關重要的角色，尤其是在氣化爐灰水處理中。有效的水處理不僅有助于保護環境，還能確保生產系統的穩定運行和延長設備使用壽命。先進的水處理技術能有效處理氣化爐產生的灰水，對環境保護和可持續運營有著重要意義。

1" 工程概況

湖北三寧化工石寶山新材料分公司現有水煤漿氣化爐3臺，2開1備，系統灰水循環量在1 200～1 500 m3/h，低壓灰水泵2開1備，為控制系統水平衡和離子富集，需外排部分灰水去污水處理站，以維持灰水系統的硬度在一定范圍內，2臺氣化爐運行時，系統硬度1 200 mg/L左右，氣化爐在生產過程中會產生工藝灰水，灰水含有較高懸浮物、膠體、顆粒物、硬度、COD、氨氮、SiO2等物質，且溫度較高，一般在60～80 ℃；灰水循環使用，會使污染物逐漸濃縮，最終導致氣化爐灰水系統結垢堵塞，影響系統的穩定運行。

目前的灰水處理方法依賴化學絮凝劑和分散劑，但這一方法存在運行成本高、藥劑損失量大、排污量大等問題。因此，本工程計劃通過新建灰水除硬裝置來降低系統的硬度和SiO2含量，減少藥劑和水的使用量，從而延長灰水系統的運行周期，確保氣化裝置的長周期穩定運行。該裝置的建設將減輕污水處理系統的負荷，緩解好氧池曝氣管和二沉池的結垢與漂泥現象。該工程設計處理能力為400 m3/h，通過優化灰水處理流程，提高水質，確保氣化爐灰水循環系統的高效穩定運行，主要去除的污染物為硬度、SiO2以及懸浮物，需要選擇合理的處理方式，確保系統的穩定運行與項目的經濟性。

2" 工藝設計分析

2.1" 除硬

針對氣化爐灰水的特定水質狀況，采取了氫氧化鈉和碳酸鈉（Na2CO3）聯合使用的化學藥劑軟化方法來進行除硬。該方法能有效去除水中的永久硬度，并且在一定程度上有助于臨時硬度的去除，從而防止系統的結垢問題，保證水質滿足循環使用的標準。

2.1.1" 除硬原理

在水中，氫氧化鈉能與水中的鈣、鎂等硬度離子反應，生成難溶的氫氧化鈣和氫氧化鎂，以沉淀的形式被去除。

碳酸鈉與水中的硬度離子反應，形成碳酸鈣和碳酸鎂的沉淀，進一步促進硬度的去除。

2.1.2" 藥劑投加系統

藥劑投加量的確定需要根據進水的硬度濃度、流量以及預期的去硬效果來計算；采用自動計量泵進行藥劑的精準投加，確保反應充分，同時降低藥劑消耗和減少污泥產生；藥劑投加點的設置應確保藥劑與水充分混合，提高反應效率。

2.1.3" 反應與沉淀

反應池設計要保證足夠的停留時間，使藥劑與水中的硬度離子充分反應；反應生成的難溶性化合物沉淀，需要通過沉淀池或氣泳多效反應器進行有效的分離。

2.1.4" 系統控制與優化

實時監控系統中的pH值和硬度水平，根據監測結果動態調整藥劑的投加量，以適應水質變化，確保除硬效果；定期對沉淀池或反應器進行清理，防止沉淀物積聚影響處理效果和系統運行［1］。

2.1.5" 環境與經濟考慮

通過優化藥劑的投加量和反應條件，減少藥劑消耗和污泥產生，降低運行成本；污泥的處理和處置也應符合環保要求，減少對環境的影響。

2.2" 除硅

在本項目中，考慮到灰水中較高的SiO2含量會對后續處理工藝產生影響，特別是對中水回用裝置反滲透膜的潛在影響，采用除硅藥劑進行除硅，以實現高效的除硅效果，降低污泥產量，確保出水水質滿足要求。

2.2.1" 除硅原理

利用特定的除硅藥劑與水中的溶解態硅發生化學反應，生成不溶或難溶的硅化合物，通過后續沉淀或過濾過程去除水中的硅。這一過程不僅能去除溶解態硅，也有助于去除部分膠體態硅。

2.2.2" 除硅工藝流程

根據水質情況和流量，自動投加適量的除硅藥劑。藥劑的投加量需根據實際運行情況和水質檢測結果進行動態調整。藥劑與水中的硅發生反應，生成沉淀。反應池設計應確保充分的混合和足夠的反應時間；生成的沉淀在沉淀池中分離出水體，去除水中的硅。

2.2.3" 系統控制與優化

實時監測出水的硅含量，根據監測數據調整藥劑投加量，優化除硅效果。定期檢查和維護藥劑投加系統和反應設施，確保除硅工藝穩定運行［2］。

2.2.4" 環境與經濟考慮

除硅過程產生的污泥需妥善處理，減少環境影響；雖然除硅藥劑法的運行成本相對較低，但仍需關注藥劑消耗和處理效率，確保經濟性。除硅技術對比見表1。

通過以上分析，本項目采用除硅藥劑法進行除硅處理，可以有效地降低灰水中的硅含量，減少對后續處理工藝的影響，同時考慮經濟性和環境友好性，確保工藝的有效運行。

2.3" 沉淀

沉淀過程是氣化爐灰水處理中關鍵的一環，通過物理化學方法去除水中的懸浮物、硬度、SiO2等污染物。考慮到項目用地限制和處理效率的需求，本項目選擇高效的氣泳多效反應器來實現沉淀過程，該技術相較于傳統沉淀具有更高的表面負荷、較小的占地面積和更強的抗沖擊能力。

2.3.1" 沉淀原理

氣泳多效反應器結合了氣浮和沉淀技術的優點，通過向水中注入微細氣泡，使得反應后生成的沉淀顆粒附著氣泡上浮至水面，從而加速顆粒的去除過程。在沉淀之前，通過加入適量的化學藥劑促使硬度成分、SiO2及懸浮物等污染物形成較大的沉淀顆粒，便于隨后的分離過程［3］。

2.3.2" 沉淀工藝流程

灰水首先經過化學反應區，添加除硬和除硅藥劑，使污染物形成沉淀顆粒。反應后的水進入氣泳多效反應器的沉淀區，通過注入的微細氣泡，幫助沉淀顆粒上浮，加速分離過程。沉淀顆粒在水面形成的浮渣被去除，而清水則從反應器的底部排出。

2.3.3" 系統控制與優化

采用自動控制系統來調節藥劑的投加量和氣泳反應器的運行參數，確保沉淀效果和處理效率；通過在線水質監測裝置實時監控處理效果，及時調整操作參數以應對水質變化。

2.3.4" 環境與經濟考量

沉淀過程產生的污泥需要進行有效處理和處置，以減少對環境的影響，氣泳多效反應器雖然在投資成本上可能高于傳統沉淀池，但由于其高效的處理效果和占地面積小的優點，長期運營成本可望得到控制［4］。通過采用氣泳多效反應器，本項目的沉淀工藝不僅能有效去除水中的硬度、SiO2和懸浮物，還能提升處理效率，確保氣化爐灰水循環系統的高效穩定運行，同時考慮項目的經濟性和環境影響，實現可持續發展。

3" 處理工藝設計分析

3.1" 進水系統設計

灰水首先流入沉降槽，通過重力自流方式進入除硬和除硅裝置，這種設計有助于減少能耗；進水管道配備流量計和自動調節閥，確保進水流量的穩定性，從而保障處理系統的連續穩定運行。

3.2" 除硬和除硅裝置

裝置內部進行化學處理，通過添加藥劑去除水中的硬度和硅；采用變頻投加泵自動控制藥劑的投加量，根據實時監測數據動態調整，確保除硬和除硅效率，同時控制運行成本。

3.3" 出水管理

處理后的水一部分通過變頻水泵提升至污水處理廠，進行進一步處理；另一部分回輸至灰水槽，實現水資源的循環利用。出水外排泵的變頻控制能夠靈活調整水量分配，根據系統需求和處理效果優化水流路徑。

3.4" 維護與應急處理

定期對除硬、除硅裝置進行檢查和維修，確保設備的正常運行；在裝置檢查和維修或出現故障時，通過關閉進出水管道閥門，將氣化廢水按照原流程處理，即從沉降槽出水至灰水槽，確保處理系統的連續性和穩定性［5］。

通過上述細致的處理流程設計，本項目能夠有效去除氣化爐灰水中的硬度和硅，同時通過智能化的流程控制優化運行成本，提高系統的經濟性和環境友好性，保證氣化爐灰水循環使用的水質標準，支持氣化裝置的長周期、穩定運行。

4" 技術應用設備分析

4.1" 氣泳多效反應器應用

氣泳多效反應器作為一種高效的水處理設備，結合了氣浮和沉淀的技術優勢，廣泛應用于本項目的除硬、除硅和懸浮物去除過程中。

4.1.1" 氣泳多效反應器結構及應用

氣泳多效反應器由混合模塊、熟化模塊、分離模塊和濃縮模塊組成，形成一個多階段處理的綜合體系，以提高處理效率和效果。該反應器采用鋼結構一體化設計，布局緊湊、占地面積小、適合用地緊張的項目，其特點包括：系統穩定、操作簡便和維護方便。

4.2" 主要應用設備分析

（1） 攪拌器：用于混合模塊，確保藥劑和水充分混合。攪拌器設計強度高，能承受各種荷載，保證了設備的穩定性和耐久性。高效軸流型漿葉確保了高效的攪拌和低能耗運行。

（2） 污泥濃縮模塊：通過變頻調節裝置控制轉速，優化污泥濃縮效果，降低了外排污泥的含水率，提升了處理效率。

（3） 螺桿泵：作為污泥的輸送設備，配合系統自動化程度高，能夠根據處理需求調節流量，確保污泥處理的連續性和穩定性。干運轉保護器和過載保護裝置保障了泵的長期穩定運行。

（4） 泥水分離填料：用于分離模塊，優化了固液分離過程。填料材質和結構設計保證了其在各種環境下的穩定性和長期使用壽命。

5" 氣化爐灰水除硬降濁提質系統設計

5.1" 加藥系統設計

加藥系統是水處理過程中至關重要的一環，可以確保適量的藥劑被精確投加到水中，以滿足除硬、除硅等處理需求。加藥系統的詳細設計見表2，包括各種藥劑的投加量和消耗量。

5.1.1" 加藥系統分析

（1） 氫氧化鈉投加系統：氫氧化鈉用于調節pH值和除硬。根據計算，需要857 mg/L的投加量，通過自動化控制系統進行精確投加；消耗量約為27.4 t/d，需要確保足夠的儲存和定時補給。

（2） 碳酸鈉投加系統：碳酸鈉作為輔助除硬藥劑，需要530 mg/L的投加量；消耗量約為5.1 t/d，保持連續供應。

（3） 聚合硫酸鐵投加系統：主要用于除硅和絮凝，投加量為35 mg/L；消耗量為3.1 t/d，確保處理效果。

（4） PAM投加系統：作為絮凝助劑，僅需1 mg/L的投加量；極低的日消耗量，但對處理效果至關重要。

（5）" 濃硫酸投加系統：用于pH值調整，需要500～1 000 mg/L的投加量，具體量根據實際水質調整；消耗量可達9.8 t/d，需謹慎管理。

（6） 除硅藥劑投加系統：保證出水硅含量小于20 mg/L，需要625 mg/L的投加量；消耗量為36 t/d，對保證系統效率至關重要。

5.1.2" 加藥系統設計要點

所有藥劑投加系統均需配備自動控制和監測設備，以確保精確投加。藥劑儲存和供應系統設計要保證連續性和安全性。藥劑投加點的選擇要確保充分混合和反應。設計前需進行現場調研和小試，以確定最佳藥劑類型和投加量。

5.2" 污泥系統設計

在水處理項目中，污泥處理環節扮演著至關重要的角色。本項目特別重視污泥的有效處理，通過精心設計的污泥處理系統，確保處理過程既高效又環保。項目中產生的污泥主要來自于除硬和除硅的過程，這些過程中生成的沉淀物及固體顆粒構成了主要的污泥成分［6］。通過詳細的水質分析，預計系統在穩定運行后將產生約7.4 t/d的絕干污泥，這些污泥的濃度大致在30～40 g/L。為了高效地將這些污泥從水處理系統中移除，設計了一個包含外排泵的污泥輸送系統，這些泵專為處理污泥的物理和化學特性而設計，確保污泥能夠順暢地被輸送到污泥處理設施。

在污泥處理設施中，污水處理步驟如下：①初步濃縮，主要通過物理沉降或機械濃縮來減少污泥的體積。污泥將經歷脫水處理，進一步降低其含水率。處理后的污泥將依據當地的環保法規進行安全、合規的處置。②整個污泥處理系統都配備自動化控制設備，可以實時監控污泥的處理過程，并根據污泥的量和特性自動調整操作參數，系統的設計充分考慮了靈活性，能夠根據實際運行中的水質變化調整污泥處理的能力。

6" 結語

氣化廢水處理系統增設除硬、除硅裝置后，系統中硬度、SiO2含量將逐步下降，新上裝置處理能力為400 m3/h，裝置產水硬度≤200 mg/L（以 CaCO3 計），裝置產水懸浮物≤20 mg/L，最終裝置達到了穩定、長周期運行。

本項目的核心目標是提高氣化爐灰水的處理效率，通過有效的除硬、除硅及沉淀工藝，保障氣化裝置的穩定和長周期運行。通過精心設計的加藥系統和先進的氣泳多效反應器，結合有效的污泥處理策略，不僅可以優化水質，也能提升整體處理系統的經濟性和環境友好性。通過綜合水處理技術的應用，解決了氣化爐灰水的處理問題，也展示出在水處理領域的創新實踐，為類似項目提供了寶貴的經驗和參考。

參考文獻：

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［4］ 朱寶，王彥偉.多噴嘴氣化爐灰水系統常見問題分析 ［J］.氮肥與合成氣，2019，47 （4）：23-26.

［5］ 朱紅進，陳愛香.灰水分散劑在氣化爐灰水系統應用研究 ［J］.中國新技術新產品，2017（23）：50-51.

［6］ 田鳳安.氣化爐灰水水質指標的控制與管理 ［J］.化工管理，2016（36）：52.

修改稿日期：

2024-08-15