煤气化废水预处理工艺

某煤气化装置采用GE水煤浆气化工艺，产生的灰水中氨氮含量约为380mg/L，为减轻下游污水处理装置的处理负荷，设计一套污水预处理装置处理水煤浆气化产生的含氨氮的灰水(处理量约为总灰水的35%)。部分灰水通过煤气化废水预处理装置(处理后的灰水氨氮含量约为150mg/L)，然后与约65%的未处理灰水混合。混合灰水中的氨氮含量应控制在300mg/L以内，以满足下游污水处理机组的生化要求。污水预处理单元于2017年投入运行。在此期间，为降低运行费用和维护费用，对机组运行方式进行了优化，由原来设计的两个系列同时运行改为一个系列运行，另一个系列备用。这对污水预处理厂的运行提出了更高的要求。在实际运行过程中，该装置出水温度和氨氮指标波动较大，运行周期在35天左右，导致下游污水处理装置维护强度大，运行压力大。因此，通过研究该装置的运行机理，分析存在的问题，找出灰水氨氮排放不稳定的原因，并采取相应的优化控制措施。

一、流程和原则

1.1污水沉降

煤气化废水预处理单元包括三个过程:沉淀、汽提和冷却。沉淀工艺主要用于减少煤气化灰水中的悬浮物和钙镁离子，以减缓汽提过程中塔板的结垢。沉淀工艺的主要设备是斜板沉淀池。图一。

在微溶电解质溶液中，离子浓度的乘积称为离子积。对于微溶电解质AnBm，溶液中的[A]n[B]m称为其离子积。

对于微溶电解质AnBm，溶液中的C(A)C(B)称为其溶度积，用符号Ksp表示。C(A)和C(B)分别是A和B离子的摩尔浓度。

根据沉淀溶解形成原理和溶度积Ksp法则，当离子积[a]n[b]m:Ksp溶解时，AnBm会沉淀出来，直至成为饱和溶液。例如，微溶电解质Mg(OH)2在灰水中的溶度积Ksp=[Mg2+][OH-]在室温下约为1.8×10-11。微溶电解质Mg(OH)2在灰水中的离子产物为[Mg2+][OH-]2。

根据上述溶度积规则，为了降低灰水中钙镁离子化合物的浓度，必须控制微溶电解质溶液中的离子积[Mg2+][OH-]2大于溶度积常数Ksp(即[Mg2+][OH-]2 >:1.8 X10 & quot；)，会有沉淀，进而降低汽提塔等设备管道中灰水的硬度。

1.2氨离子转化为氨化合物

沉淀工艺的另一个重要作用是使来自气化单元的污水在斜板沉淀池、搅拌罐、混凝搅拌器和絮凝搅拌器的搅拌作用下与20%的氢氧化钠反应。

灰水中的NH4+和OH-不能共存。NH4+和OH-形成的化合物是NH3一水合物。H2O .

生成的氨一水合物是弱电解质，所以NH4+和OH-比结合生成NH3 & # 8226H2O的趋势。NH3的生产& # 8226；H2O越大，越有利于汽提塔处理后的灰水中氨氮浓度的降低。

1.3污水汽提

灰水在斜板沉淀池沉淀反应后，由提升泵升压，经二级喷射器加热至80℃，然后进入二级闪蒸塔。二级闪蒸塔的流出物由一级注入进料泵提升，然后进入一级喷射器，与闪蒸蒸汽混合，加热至110℃，然后进入二级闪蒸塔。二级闪蒸塔出水经汽提塔进料泵升压后，从汽提塔中部的废水入口分配器进入。

低压蒸汽从汽提塔底部进入。汽提塔提升段采用防堵塞塔内件，精遗憾段采用散装填料。氨冷凝器和水冷却器布置在塔顶。

夹带氨一水合物(NH3 & # 8226H2O)进入脱衣舞娘。在汽提塔中，灰水被低压蒸汽加热发生化学反应，反应方程式如下:

反应过程中产生的氨气实际上是通过加热破坏了& # 8226H2O使NH3逃逸。汽提塔通过回流收集逸出的氨气形成氨水，然后将氨水收集到回流罐，一部分作为副产物送出，一部分作为塔顶回流返回汽提塔。

1.4污水冷却

污水汽提后流经污水空冷器，通过空冷器管束的强制通风和冷却，降低污水的温度。废水被废水冷却热交换器冷却到40°C以内，然后被送到下游污水处理单元。

二、结算优化

2.1增加沉降时间，增强絮凝沉降效果。

众所周知，利用沉淀原理来解决水的净化问题。絮凝沉降是采矿和煤化工中固液分离的重要技术之一。沉淀过程是指水中悬浮物在重力作用下的分离过程，即固相物质在液相中的迁移。对气化装置的灰水进行取样分析，记录垂直沉降1分钟、3分钟、5分钟和7分钟后的上清液体积。清水分离率和垂直沉降时间之间的关系如图2所示。在1 ~ 5分钟内，清水分离率变化明显，随着时间的推移，清水分离率的变化逐渐变缓。

通过垂直沉降实验，有效沉降时间是制约清水分离率的关键因素。因此，增加有效沉降时间是解决灰水沉降问题的有效手段。

通过清理斜板沉淀池中的污泥，增加斜板沉淀池的容积，可以延长灰水在斜板沉淀池中的停留时间，从而达到“空间换时间”的目的，延长有效沉淀时间。灰水沉淀效果明显。斜板沉淀池清洗后，在汽提塔的运行效果中可以看到灰水的絮凝沉淀效果，汽提塔压差明显趋于稳定。

2.2增加碱度，降低灰水硬度。

根据斜板沉淀池污水的设计原理，为了在灰水中沉淀或使沉淀更完全，需要创造强碱性条件，使其离子积大于溶度积。灰水中的钙镁离子以沉淀的形式沉积在斜板沉淀池中，汽提塔盘堵塞率降低，延长了污水预处理单元的运行周期。

在污水预处理装置的运行实践中，我们改变了斜板沉淀池的加碱量，并采集了经过斜板沉淀池的灰水的硬度指标。设置两个时间段，1月9日至1月12日为时间段(T1)，2月9日至2月12日为时间段(T 2)。每天取3个时间点的灰水硬度值。T1的平均硬度在460以上，T2的平均硬度在200以下。

实践表明，在微溶电解质溶液中加入含有相同离子的强电解质NaOH时，微溶电解质的多相平衡会向沉淀方向移动，从而降低灰水的硬度(图3)。

根据机组运行数据，随着斜板沉淀池出口灰水硬度的降低，出口灰水氨氮指标也在同步下降(图4)。

2.3增加碱度，提高氨离子转化率。

通过研究NH4+和OH-生成氨一水合物NH3 & # 8226H2O反应机理，增加Ok浓度有利于正向反应方向发展。

灰水和氢氧化钠产生的& # 8226H2O越多，为汽提塔提供的一水氨越多，有利于降低灰水氨氮浓度。

三。汽提塔的操作优化

汽提脱除氨氮的过程是指蒸汽和灰水在汽提塔中直接接触，生成一水氨NH3 & # 8226H2O分解成挥发性氨，氨氮从液相扩散到气相。

煤气化废水预处理厂是运行该方法的典型案例。在汽提过程中，低压蒸汽在筛板塔中加热，蒸汽和灰水在筛板塔的塔盘上逆流接触。塔顶游离氨被回流吸收，产生一定浓度的工业氨水，避免了稀氨水的排放。

在操作过程中，我们注意到当塔顶气体的温度在压力下较低时，少量的NH3和CO2会发生化学反应，生成氨基甲酸铵。反应方程式如下:

这个反应是可逆的。氨基甲酸铵沉淀结晶后，会堵塞塔顶管线和回流罐顶部的气相管线，制约汽提塔的平稳运行。因此，选择合适的操作压力，保证塔内温度不低于氨基甲酸铵的高温，可以分解氨基甲酸铵。经过摸索，我们将回流罐压力控制在15kPa左右，氨水换热器温度控制在65 & # 12316；80 ℃,可有效稳定汽提塔的操作。

四。换热系统的运行优化

根据管壳式换热器的稳态传热方程:Q = K & # 8226一& # 8226；△t

其中q-热负荷，k-总传热系数，a-换热面积；△t—平均温差。

在换热面积一定的情况下，要使管壳式换热器发挥更大的作用，就必须提高总传热系数K或平均温差△ T，管壳式换热器带走的热负荷取决于总传热系数与平均温差K & # 8226△t .

对于管层中的介质流速，两台管壳式换热器并联时，总传热系数会降低。

至于管层介质与冷源的温差，两个管壳式换热器并联时比串联时要高，所以平均温差△t会上升。

为了使污水冷却换热器的温度低于40℃，结合以上对关键换热参数的分析，我们对现有的换热流程进行了串并联实践。

2月23日11: 00，污水(废水)预处理单元温度为39.9℃，此时废水冷却器两组换热单元处于并联模式。2月23日11: 10，废水冷却器两组换热机组由并联方式改为串联方式，污水处预处理装置温度升至40.4-41.1℃并趋于稳定。2月23日16: 29，废水冷却器两组换热单元由串联方式改为并联方式，污水处预处理单元温度降至39.1-39.7℃(图5)。

实践表明，污水预处理单元中两组换热器并联方式优于串联方式。主要原因是污水流经换热器的管层，冷热介质平均温差对传热效果的影响大于传热系数。在并联模式下，总传热系数与平均温差的乘积为K & # 8226△t大于串联(k-并联& # 8226；△t union >:K & # 8226；△t串)，从而增加管壳式换热器的热负荷(Q并联>:Q)，充分发挥废水换热器的换热效果。

动词 （verb的缩写）结论

提高斜板沉淀池混合池内的碱度，使进入斜板沉淀池前的搅拌罐内灰水的pH值控制在12以上；保持汽提塔回流和塔顶出料，在压差稳定的前提下，尽可能多的加入足够的质量稳定的低压蒸汽；确保氨泵和回流罐的压力稳定运行，并缓慢调节回流速度；对于两组水处理能力较大的废水冷却器，并联方式比串联方式能起到更好的作用。

2020年污水预处理装置连续运行周期突破60天。运行期间，混合灰水温度在40℃以内，氨氮含量在300mg/L以内，各项运行指标稳定，满足下游污水处理机组的要求。同时大大降低了每年的维护成本。上述做法有望对类似装置有借鉴意义。(来源:中天和创能源有限公司)

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