特大型煤氣化污水預處理裝置提質增效管理研究

黃書華

(中天合創能源有限責任公司, 內蒙古自治區鄂爾多斯 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臺沉降槽和灰水槽。氣化操作壓力為6.5 MPa,正常生產中氣化爐、洗滌塔排出的高壓黑水，經過高壓閃蒸、低壓閃蒸及真空閃蒸回收熱量，再經沉降槽絮凝沉淀后，大部分高壓黑水返回灰水處理工序循環使用。為確保整個氣化系統內灰水循環水質的穩定性以及減緩設備管線結垢速率，同時為防止氨氮的累積，實際生產中需連續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荷，項目設計了國內首套煤氣化污水預處理裝置(共2個系列)，用于處理來自煤氣化裝置來的含氨氮(質量濃度為380 mg/L左右)污水。污水經煤氣化污水預處理裝置單系列處理后，氨氮質量濃度約150 mg/L。2個系列處理后的污水混合后，氨氮質量濃度控制在300 mg/L以內，滿足下游污水處理裝置生化需求。該污水預處理裝置于2016年12月投產運行。因實際運行中原料煤中灰分質量分數達到18%左右(其中含有大量鈣鎂組分)，超過灰分質量分數為10%的設計標準，嚴重影響污水預處理裝置中汽提塔等設備的運行效果及周期。至2019年年底，煤氣化污水預處理裝置連續運行周期在30 d左右。最終，污水預處理裝置檢維修費用上升，且外送氣化污水中氨氮指標不穩定，對下游污水處理裝置時常造成沖擊。

通過研究裝置運行機理，對存在的問題逐一分析，找出引起煤氣化污水外排氨氮不穩定、影響長周期運行的原因，并采取相應措施。

1 工藝原理

1.1 污水沉降

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

圖1 氣化污水預處理裝置工藝流程示意圖

沉淀工序主要是用來減少煤氣化來灰水中的懸浮物及鈣鎂離子，以減緩汽提過程中塔盤結垢速率。沉淀工序的主要設備為斜板沉淀池，結構見圖2。

圖2 斜板沉淀池簡圖

在微溶電解質溶液中，各有關離子濃度冪之乘積稱為離子積。對于微溶電解質AnBm來說，溶液中[A]n[B]m稱為其離子積。

對于微溶電解質AnBm來說，C(A)C(B)稱為其溶度積，用符號Ksp表示。C(A)、C(B)分別為A離子和B離子的物質的量濃度。

根據沉淀的溶解和生成原理，按照溶度積規則，當溶液中[A]n[B]mKsp時，將會有AnBm沉淀析出，直至成為飽和溶液。

污水中微溶電解質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，使得微溶電解質溶液中[Mg2+][OH-]2大于1.8×10-11，就會在斜板沉淀池生成沉淀，進而降低進汽提塔等設備管線中污水的硬度，減緩結垢速率。

1.2 銨根離子轉氨水化合物

沉淀工序中,氣化裝置來污水在攪拌池的混凝攪拌器及絮凝攪拌器的作用下，與質量分數為20%的氫氧化鈉(NaOH)發生反應。

1.3 污水汽提

污水經沉淀工藝的斜板沉淀池沉降和反應后，再由提升泵升壓，經二級噴射器與閃蒸汽混合加熱到80 ℃后進入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔出水經一級噴射給料泵提升后，進入一級噴射器與閃蒸汽混合加熱到110 ℃，再進入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔出水經汽提塔給料泵提壓后從汽提塔中部的污水進口分布器進入。

0.45 MPa的低壓蒸汽從汽提塔底部進入。汽提塔提餾段設計采用抗堵固閥塔內件，精餾段設計采用散堆填料。塔頂采出后設置氨水冷凝器和水冷器。

夾帶NH3·H2O的氣化污水進入汽提塔中，利用低壓蒸汽對灰水進行加熱，發生化學反應,加熱破壞了NH3·H2O使NH3逸出。收集逸出的NH3，經提濃冷卻形成氨水，再收集至回流罐。其中部分作為副產品外送，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，經噴射器預熱提升至進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，同時也降低了外送氣化污水的溫度。

2 沉降操作優化

2.1 延長沉降時間，增強絮凝沉降效果

絮凝沉降是礦業和煤化工等領域進行固液分離的重要技術之一,通過在重力作用下,完成固相物質在液相中的遷移[1-2]。對氣化裝置來灰水取樣分析，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間的關系見圖3。

圖3 垂直沉降效果與沉降時間的關系

通過垂直沉降實驗，發現有效沉降時間是制約清水分離率的關鍵因素。

通過清理斜板沉淀池內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的停留時間，可延長有效沉降時間，最終，氣化污水絮凝沉降效果明顯，汽提塔運行過程中壓差明顯趨于平穩。

2.2 提升堿度，降低灰水硬度

根據斜板沉淀池的設計原理，要使污水中析出沉淀或沉淀更完全，就必須創造強堿性條件，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垢速率，進而延長煤氣化污水預處理裝置的運行周期。

在運行實踐中，通過改變加入斜板沉淀池內的堿量，分析經斜板沉淀池后灰水中硬度指標。設定1月9—12日為T1試驗段、2月9—12日為T2試驗段。T1和T2試驗段內pH值分別為9.2和11.8。每日各取3個時間點的灰水硬度值，結果分析后發現:試驗段T1內平均硬度在460以上，試驗段T2內平均硬度在200以下。

通過實踐表明，在微溶電解質溶液中，加入含有同離子的強電解質NaOH時，微溶電解質多相平衡將向沉淀的方向移動，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同步下降。

3 汽提塔操作優化

通過低壓蒸汽和氣化污水在汽提塔內直接接觸，將氣化污水中的NH3·H2O分解成揮發性的NH3后，氨氮則由液相擴散到氣相。

某煤氣化污水預處理裝置就是運行此法的典型案例。汽提過程在固閥篩板塔內用低壓蒸汽加熱，低壓蒸汽與氣化污水在塔盤上逆流接觸。塔頂出來的游離NH3經回流液吸收后，產生濃度一定的工業用氨水，避免了NH3的排放。

在操作過程中，當塔頂氣在帶壓狀態下溫度低于45 ℃時，少量的NH3和CO2會發生化學反應，產生氨基甲酸銨(NH4COONH2)，此反應為可逆反應。NH4COONH2沉積結晶后會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運行。所以，經過摸索，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性。

綜合沉降工序優化和汽提塔操作優化，汽提塔平均運轉周期由2017年的30 d提升至2020年的63 d。

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

由于氣化污水預處理裝置的長周期運行，每年檢修次數減少了3次，按每次40萬元費用計算，每年可節約檢修費用120萬元。

4 換熱系統操作優化

根據煤氣化污水預處理裝置的工藝特點，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處理單元

通過沉降工序和汽提工序的優化，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處理單元運行替代雙系列運行模式已能滿足生產需求，直接節省1個系列汽提塔的蒸汽消耗。

單系列蒸汽消耗為18 t/h，按年運行小時數為8 000 h計算，停運1個系列，可節省蒸汽量144 000 t，按所用0.45 MPa蒸汽價格為26元/t計算，每年可節省蒸汽成本為374.4萬元。同時,單系列堿液消耗為3.2 t/h，按年運行小時數為8 000 h計算，停運1個系列，可節省用堿液量為25 600 t,按20%質量分數NaOH價格為295元/t計算，每年可節省堿液成本為755.2萬元。

4.2 在線酸洗噴射器

通過改造實現的在線酸洗噴射器，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。

通過全開污水進噴射器的入口閥門、關閉噴射器旁路，污水進汽提塔進料溫度明顯上升，進料與塔釜之間的溫差縮至最小，蒸汽單耗同步下降，每小時可節約2.1 t(見圖4)。

圖4 蒸汽消耗與進料溫度的變化趨勢圖

經測算，按當年平均運行周期為60 d(到30 d后噴射器效果下降)，節約蒸汽小時數為4 000 h/a計算，2020年全年節省蒸汽量為8 400 t,一年節省下來的生產成本為21.84萬元。

通過以上措施，共計一年節省下來的0.45 MPa蒸汽成本為396.24萬元。

4.3 管殼式換熱器

管殼式換熱器穩態傳熱方程：Q=K·A·Δt，其中Q為熱負荷,K為總傳熱系數,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揮最大作用，需要提升K或Δt。管殼式換熱器帶走的熱負荷取決于K·Δt[3-5]。

對于管層的介質流速，兩個管殼式換熱器并聯時要低于串聯時，K要下降。

對于管層介質與冷源溫差，兩個管殼式換熱器并聯時要高于串聯時，Δt會上升。

為了使出污水冷卻換熱器的溫度低于40 ℃，結合以上換熱關鍵參數分析，對現有換熱器的流程進行了串聯和并聯實踐。

2月23日11:00，污水出預處理裝置的溫度為39.9 ℃，此時廢水冷卻器2組換熱單元為并聯模式。2月23日11:10，將廢水冷卻器2組換熱單元由并聯模式改為串聯模式，污水預處理裝置的溫度升至40.4～41.1 ℃之間，并趨平穩。2月23日16:29，將廢水冷卻器2組換熱單元由串聯模式改為并聯模式，污水處預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處理外送污水溫度變化趨勢見圖5。

圖5 換熱器組合切換期間污水溫度變化趨勢圖

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

5 改造效果

對煤氣化污水預處理裝置進行改造，讓進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運行及回流罐的壓力穩定，以保持汽提塔回流和塔頂外送連續運行；開發應用抗堵塔盤，使裝置運行周期大幅度提升，檢修次數明顯下降；2組管殼式換熱采用器并聯模式比串聯模式更能發揮作用。

綜合來看，通過提質增效管理，每年可節約運行生產成本及檢修費用1 200余萬元。

6 結語

截至2021年5月，煤氣化污水預處理裝置實現了單系列運行，外排污水中氨氮質量濃度連續13個月穩定在220 mg/L左右，裝置運行周期延長至80 d以上，完全滿足下游污水處理裝置需求，同時大幅節約了裝置運行成本及檢維修費用。