黃書華

(中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯 017000)

某煤氣化裝置采用GE水煤漿氣化工藝，氣化爐10開4備，配置有6臺(tái)沉降槽和灰水槽。氣化操作壓力為6.5 MPa,正常生產(chǎn)中氣化爐、洗滌塔排出的高壓黑水，經(jīng)過(guò)高壓閃蒸、低壓閃蒸及真空閃蒸回收熱量，再經(jīng)沉降槽絮凝沉淀后，大部分高壓黑水返回灰水處理工序循環(huán)使用。為確保整個(gè)氣化系統(tǒng)內(nèi)灰水循環(huán)水質(zhì)的穩(wěn)定性以及減緩設(shè)備管線結(jié)垢速率，同時(shí)為防止氨氮的累積，實(shí)際生產(chǎn)中需連續(xù)向下游污水處理裝置外排體積流量為600 m3/h的氣化污水。

為減輕下游污水處理裝置負(fù)荷，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)首套煤氣化污水預(yù)處理裝置(共2個(gè)系列)，用于處理來(lái)自煤氣化裝置來(lái)的含氨氮(質(zhì)量濃度為380 mg/L左右)污水。污水經(jīng)煤氣化污水預(yù)處理裝置單系列處理后，氨氮質(zhì)量濃度約150 mg/L。2個(gè)系列處理后的污水混合后，氨氮質(zhì)量濃度控制在300 mg/L以內(nèi)，滿足下游污水處理裝置生化需求。該污水預(yù)處理裝置于2016年12月投產(chǎn)運(yùn)行。因?qū)嶋H運(yùn)行中原料煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到18%左右(其中含有大量鈣鎂組分)，超過(guò)灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響污水預(yù)處理裝置中汽提塔等設(shè)備的運(yùn)行效果及周期。至2019年年底，煤氣化污水預(yù)處理裝置連續(xù)運(yùn)行周期在30 d左右。最終，污水預(yù)處理裝置檢維修費(fèi)用上升，且外送氣化污水中氨氮指標(biāo)不穩(wěn)定，對(duì)下游污水處理裝置時(shí)常造成沖擊。

通過(guò)研究裝置運(yùn)行機(jī)理，對(duì)存在的問(wèn)題逐一分析，找出引起煤氣化污水外排氨氮不穩(wěn)定、影響長(zhǎng)周期運(yùn)行的原因，并采取相應(yīng)措施。

1 工藝原理

1.1 污水沉降

某煤氣化污水預(yù)處理裝置由沉淀、余熱回收、汽提3個(gè)工序組成，工藝流程示意圖見圖1。

圖1 氣化污水預(yù)處理裝置工藝流程示意圖

沉淀工序主要是用來(lái)減少煤氣化來(lái)灰水中的懸浮物及鈣鎂離子，以減緩汽提過(guò)程中塔盤結(jié)垢速率。沉淀工序的主要設(shè)備為斜板沉淀池，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 斜板沉淀池簡(jiǎn)圖

在微溶電解質(zhì)溶液中，各有關(guān)離子濃度冪之乘積稱為離子積。對(duì)于微溶電解質(zhì)AnBm來(lái)說(shuō)，溶液中[A]n[B]m稱為其離子積。

對(duì)于微溶電解質(zhì)AnBm來(lái)說(shuō)，C(A)C(B)稱為其溶度積，用符號(hào)Ksp表示。C(A)、C(B)分別為A離子和B離子的物質(zhì)的量濃度。

根據(jù)沉淀的溶解和生成原理，按照溶度積規(guī)則，當(dāng)溶液中[A]n[B]mKsp時(shí)，將會(huì)有AnBm沉淀析出，直至成為飽和溶液。

污水中微溶電解質(zhì)Mg(OH)2的Ksp在常溫下約為1.8×10-11,Mg(OH)2的離子積為[Mg2+][OH-]2。

為使污水中鈣鎂離子化合物濃度下降，必須控制OH-離子濃度，使得微溶電解質(zhì)溶液中[Mg2+][OH-]2大于1.8×10-11，就會(huì)在斜板沉淀池生成沉淀，進(jìn)而降低進(jìn)汽提塔等設(shè)備管線中污水的硬度，減緩結(jié)垢速率。

1.2 銨根離子轉(zhuǎn)氨水化合物

沉淀工序中,氣化裝置來(lái)污水在攪拌池的混凝攪拌器及絮凝攪拌器的作用下，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氫氧化鈉(NaOH)發(fā)生反應(yīng)。

1.3 污水汽提

污水經(jīng)沉淀工藝的斜板沉淀池沉降和反應(yīng)后，再由提升泵升壓，經(jīng)二級(jí)噴射器與閃蒸汽混合加熱到80 ℃后進(jìn)入二級(jí)閃蒸塔。二級(jí)閃蒸塔出水經(jīng)一級(jí)噴射給料泵提升后，進(jìn)入一級(jí)噴射器與閃蒸汽混合加熱到110 ℃，再進(jìn)入二級(jí)閃蒸塔。二級(jí)閃蒸塔出水經(jīng)汽提塔給料泵提壓后從汽提塔中部的污水進(jìn)口分布器進(jìn)入。

0.45 MPa的低壓蒸汽從汽提塔底部進(jìn)入。汽提塔提餾段設(shè)計(jì)采用抗堵固閥塔內(nèi)件，精餾段設(shè)計(jì)采用散堆填料。塔頂采出后設(shè)置氨水冷凝器和水冷器。

夾帶NH3·H2O的氣化污水進(jìn)入汽提塔中，利用低壓蒸汽對(duì)灰水進(jìn)行加熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng),加熱破壞了NH3·H2O使NH3逸出。收集逸出的NH3，經(jīng)提濃冷卻形成氨水，再收集至回流罐。其中部分作為副產(chǎn)品外送，部分作為汽提塔塔頂回流液返回汽提塔。

1.4 余熱回收

利用汽提塔塔底排出的氣化污水閃蒸出的氣相，經(jīng)噴射器預(yù)熱提升至進(jìn)入汽提塔的氣化污水溫度，以回收外送氣化污水的熱量，減少低壓蒸汽消耗，同時(shí)也降低了外送氣化污水的溫度。

2 沉降操作優(yōu)化

2.1 延長(zhǎng)沉降時(shí)間，增強(qiáng)絮凝沉降效果

絮凝沉降是礦業(yè)和煤化工等領(lǐng)域進(jìn)行固液分離的重要技術(shù)之一,通過(guò)在重力作用下,完成固相物質(zhì)在液相中的遷移[1-2]。對(duì)氣化裝置來(lái)灰水取樣分析，分別記錄垂直沉降1 min、3 min、5 min、7 min后上層清液體積。清水分離率與垂直沉降時(shí)間的關(guān)系見圖3。

圖3 垂直沉降效果與沉降時(shí)間的關(guān)系

通過(guò)垂直沉降實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有效沉降時(shí)間是制約清水分離率的關(guān)鍵因素。

通過(guò)清理斜板沉淀池內(nèi)的淤泥以及增加斜板沉淀池的體積，增加灰水在斜板沉淀池內(nèi)的停留時(shí)間，可延長(zhǎng)有效沉降時(shí)間，最終，氣化污水絮凝沉降效果明顯，汽提塔運(yùn)行過(guò)程中壓差明顯趨于平穩(wěn)。

2.2 提升堿度，降低灰水硬度

根據(jù)斜板沉淀池的設(shè)計(jì)原理，要使污水中析出沉淀或沉淀更完全，就必須創(chuàng)造強(qiáng)堿性條件，使其離子積大于Ksp，這樣灰水中鈣鎂離子在斜板沉淀池以沉淀的形式沉積，降低了汽提塔塔盤結(jié)垢速率，進(jìn)而延長(zhǎng)煤氣化污水預(yù)處理裝置的運(yùn)行周期。

在運(yùn)行實(shí)踐中，通過(guò)改變加入斜板沉淀池內(nèi)的堿量，分析經(jīng)斜板沉淀池后灰水中硬度指標(biāo)。設(shè)定1月9—12日為T1試驗(yàn)段、2月9—12日為T2試驗(yàn)段。T1和T2試驗(yàn)段內(nèi)pH值分別為9.2和11.8。每日各取3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的灰水硬度值，結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)段T1內(nèi)平均硬度在460以上，試驗(yàn)段T2內(nèi)平均硬度在200以下。

通過(guò)實(shí)踐表明，在微溶電解質(zhì)溶液中，加入含有同離子的強(qiáng)電解質(zhì)NaOH時(shí)，微溶電解質(zhì)多相平衡將向沉淀的方向移動(dòng)，可降低氣化污水中灰水的硬度。隨著斜板沉淀池出口污水硬度的下降，出口污水中氨氮指標(biāo)同步下降。

3 汽提塔操作優(yōu)化

通過(guò)低壓蒸汽和氣化污水在汽提塔內(nèi)直接接觸，將氣化污水中的NH3·H2O分解成揮發(fā)性的NH3后，氨氮?jiǎng)t由液相擴(kuò)散到氣相。

某煤氣化污水預(yù)處理裝置就是運(yùn)行此法的典型案例。汽提過(guò)程在固閥篩板塔內(nèi)用低壓蒸汽加熱，低壓蒸汽與氣化污水在塔盤上逆流接觸。塔頂出來(lái)的游離NH3經(jīng)回流液吸收后，產(chǎn)生濃度一定的工業(yè)用氨水，避免了NH3的排放。

在操作過(guò)程中，當(dāng)塔頂氣在帶壓狀態(tài)下溫度低于45 ℃時(shí)，少量的NH3和CO2會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氨基甲酸銨(NH4COONH2)，此反應(yīng)為可逆反應(yīng)。NH4COONH2沉積結(jié)晶后會(huì)堵塞出塔頂管線和回流罐頂部氣相管線，制約裝置汽提塔平穩(wěn)運(yùn)行。所以，經(jīng)過(guò)摸索，將回流罐壓力控制在15 kPa左右，出氨水換熱器溫度控制在45～55 ℃之間，可有效保障汽提塔操作的平穩(wěn)性。

綜合沉降工序優(yōu)化和汽提塔操作優(yōu)化，汽提塔平均運(yùn)轉(zhuǎn)周期由2017年的30 d提升至2020年的63 d。

為提升汽提塔運(yùn)行周期，與研究院合作開發(fā)并應(yīng)用抗堵塔盤，改造后的汽提塔運(yùn)行周期由塔盤改造前的63 d提升至88 d以上。

由于氣化污水預(yù)處理裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，每年檢修次數(shù)減少了3次，按每次40萬(wàn)元費(fèi)用計(jì)算，每年可節(jié)約檢修費(fèi)用120萬(wàn)元。

4 換熱系統(tǒng)操作優(yōu)化

根據(jù)煤氣化污水預(yù)處理裝置的工藝特點(diǎn)，影響能耗的主要因素為汽提塔的蒸汽消耗及噴射器回收汽提塔外送污水熱量的效率。

4.1 單系列煤氣化污水預(yù)處理單元

通過(guò)沉降工序和汽提工序的優(yōu)化，在保障煤氣化污水合格外排至下游污水處理裝置的前提下，單系列煤氣化污水預(yù)處理單元運(yùn)行替代雙系列運(yùn)行模式已能滿足生產(chǎn)需求，直接節(jié)省1個(gè)系列汽提塔的蒸汽消耗。

單系列蒸汽消耗為18 t/h，按年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為8 000 h計(jì)算，停運(yùn)1個(gè)系列，可節(jié)省蒸汽量144 000 t，按所用0.45 MPa蒸汽價(jià)格為26元/t計(jì)算，每年可節(jié)省蒸汽成本為374.4萬(wàn)元。同時(shí),單系列堿液消耗為3.2 t/h，按年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為8 000 h計(jì)算，停運(yùn)1個(gè)系列，可節(jié)省用堿液量為25 600 t,按20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaOH價(jià)格為295元/t計(jì)算，每年可節(jié)省堿液成本為755.2萬(wàn)元。

4.2 在線酸洗噴射器

通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)的在線酸洗噴射器，有效提升了噴射器回收汽提塔外送污水熱量的效率，保證了煤氣化污水進(jìn)入汽提塔的溫度，可明顯降低汽提塔汽提低壓蒸汽的消耗。

通過(guò)全開污水進(jìn)噴射器的入口閥門、關(guān)閉噴射器旁路，污水進(jìn)汽提塔進(jìn)料溫度明顯上升，進(jìn)料與塔釜之間的溫差縮至最小，蒸汽單耗同步下降，每小時(shí)可節(jié)約2.1 t(見圖4)。

圖4 蒸汽消耗與進(jìn)料溫度的變化趨勢(shì)圖

經(jīng)測(cè)算，按當(dāng)年平均運(yùn)行周期為60 d(到30 d后噴射器效果下降)，節(jié)約蒸汽小時(shí)數(shù)為4 000 h/a計(jì)算，2020年全年節(jié)省蒸汽量為8 400 t,一年節(jié)省下來(lái)的生產(chǎn)成本為21.84萬(wàn)元。

通過(guò)以上措施，共計(jì)一年節(jié)省下來(lái)的0.45 MPa蒸汽成本為396.24萬(wàn)元。

4.3 管殼式換熱器

管殼式換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱方程：Q=K·A·Δt，其中Q為熱負(fù)荷,K為總傳熱系數(shù),A為換熱面積,Δt為平均溫差。

在A一定的工況下，要使管殼式換熱器發(fā)揮最大作用，需要提升K或Δt。管殼式換熱器帶走的熱負(fù)荷取決于K·Δt[3-5]。

對(duì)于管層的介質(zhì)流速，兩個(gè)管殼式換熱器并聯(lián)時(shí)要低于串聯(lián)時(shí)，K要下降。

對(duì)于管層介質(zhì)與冷源溫差，兩個(gè)管殼式換熱器并聯(lián)時(shí)要高于串聯(lián)時(shí)，Δt會(huì)上升。

為了使出污水冷卻換熱器的溫度低于40 ℃，結(jié)合以上換熱關(guān)鍵參數(shù)分析，對(duì)現(xiàn)有換熱器的流程進(jìn)行了串聯(lián)和并聯(lián)實(shí)踐。

2月23日11:00，污水出預(yù)處理裝置的溫度為39.9 ℃，此時(shí)廢水冷卻器2組換熱單元為并聯(lián)模式。2月23日11:10，將廢水冷卻器2組換熱單元由并聯(lián)模式改為串聯(lián)模式，污水預(yù)處理裝置的溫度升至40.4～41.1 ℃之間，并趨平穩(wěn)。2月23日16:29，將廢水冷卻器2組換熱單元由串聯(lián)模式改為并聯(lián)模式，污水處預(yù)處理裝置的溫度降至39.1～39.7 ℃之間。污水換熱器組合切換期間出氣化污水預(yù)處理外送污水溫度變化趨勢(shì)見圖5。

圖5 換熱器組合切換期間污水溫度變化趨勢(shì)圖

實(shí)踐表明，污水預(yù)處理單元廢水換熱器的2組換熱器采用并聯(lián)模式較串聯(lián)模式效果好。主要是由于污水水量走換熱器的管層，冷熱介質(zhì)Δt對(duì)換熱效果的影響比K大，且K并·Δt并>K串·Δt串，從而Q并>Q串，最大限度地發(fā)揮了污水換熱器的換熱效果。

5 改造效果

對(duì)煤氣化污水預(yù)處理裝置進(jìn)行改造，讓進(jìn)入斜板沉淀池前攪拌池的灰水pH值控制在11.6以上；確保外送氨水泵連續(xù)運(yùn)行及回流罐的壓力穩(wěn)定，以保持汽提塔回流和塔頂外送連續(xù)運(yùn)行；開發(fā)應(yīng)用抗堵塔盤，使裝置運(yùn)行周期大幅度提升，檢修次數(shù)明顯下降；2組管殼式換熱采用器并聯(lián)模式比串聯(lián)模式更能發(fā)揮作用。

綜合來(lái)看，通過(guò)提質(zhì)增效管理，每年可節(jié)約運(yùn)行生產(chǎn)成本及檢修費(fèi)用1 200余萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

截至2021年5月，煤氣化污水預(yù)處理裝置實(shí)現(xiàn)了單系列運(yùn)行，外排污水中氨氮質(zhì)量濃度連續(xù)13個(gè)月穩(wěn)定在220 mg/L左右，裝置運(yùn)行周期延長(zhǎng)至80 d以上，完全滿足下游污水處理裝置需求，同時(shí)大幅節(jié)約了裝置運(yùn)行成本及檢維修費(fèi)用。