煤氣化廢水預處理工藝

某煤氣化裝置采用GE水煤漿氣化工藝，產生的灰水中氨氮含量約為380mg/L，為減輕下游污水處理裝置的處理負荷，設計一套污水預處理裝置處理水煤漿氣化產生的含氨氮的灰水(處理量約為總灰水的35%)。部分灰水通過煤氣化廢水預處理裝置(處理后的灰水氨氮含量約為150mg/L)，然后與約65%的未處理灰水混合?；旌匣宜械陌钡繎刂圃?00mg/L以內，以滿足下游污水處理機組的生化要求。污水預處理單元于2017年投入運行。在此期間，為降低運行費用和維護費用，對機組運行方式進行了優(yōu)化，由原來設計的兩個系列同時運行改為一個系列運行，另一個系列備用。這對污水預處理廠的運行提出了更高的要求。在實際運行過程中，該裝置出水溫度和氨氮指標波動較大，運行周期在35天左右，導致下游污水處理裝置維護強度大，運行壓力大。因此，通過研究該裝置的運行機理，分析存在的問題，找出灰水氨氮排放不穩(wěn)定的原因，并采取相應的優(yōu)化控制措施。

一、流程和原則

1.1污水沉降

煤氣化廢水預處理單元包括三個過程:沉淀、汽提和冷卻。沉淀工藝主要用于減少煤氣化灰水中的懸浮物和鈣鎂離子，以減緩汽提過程中塔板的結垢。沉淀工藝的主要設備是斜板沉淀池。圖一。

在微溶電解質溶液中，離子濃度的乘積稱為離子積。對于微溶電解質AnBm，溶液中的[A]n[B]m稱為其離子積。

對于微溶電解質AnBm，溶液中的C(A)C(B)稱為其溶度積，用符號Ksp表示。C(A)和C(B)分別是A和B離子的摩爾濃度。

根據(jù)沉淀溶解形成原理和溶度積Ksp法則，當離子積[a]n[b]m:Ksp溶解時，AnBm會沉淀出來，直至成為飽和溶液。例如，微溶電解質Mg(OH)2在灰水中的溶度積Ksp=[Mg2+][OH-]在室溫下約為1.8×10-11。微溶電解質Mg(OH)2在灰水中的離子產物為[Mg2+][OH-]2。

根據(jù)上述溶度積規(guī)則，為了降低灰水中鈣鎂離子化合物的濃度，必須控制微溶電解質溶液中的離子積[Mg2+][OH-]2大于溶度積常數(shù)Ksp(即[Mg2+][OH-]2 >:1.8 X10 & quot；)，會有沉淀，進而降低汽提塔等設備管道中灰水的硬度。

1.2氨離子轉化為氨化合物

沉淀工藝的另一個重要作用是使來自氣化單元的污水在斜板沉淀池、攪拌罐、混凝攪拌器和絮凝攪拌器的攪拌作用下與20%的氫氧化鈉反應。

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電解質，所以NH4+和OH-比結合生成NH3 & # 8226H2O的趨勢。NH3的生產& # 8226；H2O越大，越有利于汽提塔處理后的灰水中氨氮濃度的降低。

1.3污水汽提

灰水在斜板沉淀池沉淀反應后，由提升泵升壓，經二級噴射器加熱至80℃，然后進入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔的流出物由一級注入進料泵提升，然后進入一級噴射器，與閃蒸蒸汽混合，加熱至110℃，然后進入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔出水經汽提塔進料泵升壓后，從汽提塔中部的廢水入口分配器進入。

低壓蒸汽從汽提塔底部進入。汽提塔提升段采用防堵塞塔內件，精遺憾段采用散裝填料。氨冷凝器和水冷卻器布置在塔頂。

夾帶氨一水合物(NH3 & # 8226H2O)進入脫衣舞娘。在汽提塔中，灰水被低壓蒸汽加熱發(fā)生化學反應，反應方程式如下:

反應過程中產生的氨氣實際上是通過加熱破壞了& # 8226H2O使NH3逃逸。汽提塔通過回流收集逸出的氨氣形成氨水，然后將氨水收集到回流罐，一部分作為副產物送出，一部分作為塔頂回流返回汽提塔。

1.4污水冷卻

污水汽提后流經污水空冷器，通過空冷器管束的強制通風和冷卻，降低污水的溫度。廢水被廢水冷卻熱交換器冷卻到40°C以內，然后被送到下游污水處理單元。

二、結算優(yōu)化

2.1增加沉降時間，增強絮凝沉降效果。

眾所周知，利用沉淀原理來解決水的凈化問題。絮凝沉降是采礦和煤化工中固液分離的重要技術之一。沉淀過程是指水中懸浮物在重力作用下的分離過程，即固相物質在液相中的遷移。對氣化裝置的灰水進行取樣分析，記錄垂直沉降1分鐘、3分鐘、5分鐘和7分鐘后的上清液體積。清水分離率和垂直沉降時間之間的關系如圖2所示。在1 ~ 5分鐘內，清水分離率變化明顯，隨著時間的推移，清水分離率的變化逐漸變緩。

通過垂直沉降實驗，有效沉降時間是制約清水分離率的關鍵因素。因此，增加有效沉降時間是解決灰水沉降問題的有效手段。

通過清理斜板沉淀池中的污泥，增加斜板沉淀池的容積，可以延長灰水在斜板沉淀池中的停留時間，從而達到“空間換時間”的目的，延長有效沉淀時間?；宜恋硇Ч黠@。斜板沉淀池清洗后，在汽提塔的運行效果中可以看到灰水的絮凝沉淀效果，汽提塔壓差明顯趨于穩(wěn)定。

2.2增加堿度，降低灰水硬度。

根據(jù)斜板沉淀池污水的設計原理，為了在灰水中沉淀或使沉淀更完全，需要創(chuàng)造強堿性條件，使其離子積大于溶度積?；宜械拟}鎂離子以沉淀的形式沉積在斜板沉淀池中，汽提塔盤堵塞率降低，延長了污水預處理單元的運行周期。

在污水預處理裝置的運行實踐中，我們改變了斜板沉淀池的加堿量，并采集了經過斜板沉淀池的灰水的硬度指標。設置兩個時間段，1月9日至1月12日為時間段(T1)，2月9日至2月12日為時間段(T 2)。每天取3個時間點的灰水硬度值。T1的平均硬度在460以上，T2的平均硬度在200以下。

實踐表明，在微溶電解質溶液中加入含有相同離子的強電解質NaOH時，微溶電解質的多相平衡會向沉淀方向移動，從而降低灰水的硬度(圖3)。

根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)，隨著斜板沉淀池出口灰水硬度的降低，出口灰水氨氮指標也在同步下降(圖4)。

2.3增加堿度，提高氨離子轉化率。

通過研究NH4+和OH-生成氨一水合物NH3 & # 8226H2O反應機理，增加Ok濃度有利于正向反應方向發(fā)展。

灰水和氫氧化鈉產生的& # 8226H2O越多，為汽提塔提供的一水氨越多，有利于降低灰水氨氮濃度。

三。汽提塔的操作優(yōu)化

汽提脫除氨氮的過程是指蒸汽和灰水在汽提塔中直接接觸，生成一水氨NH3 & # 8226H2O分解成揮發(fā)性氨，氨氮從液相擴散到氣相。

煤氣化廢水預處理廠是運行該方法的典型案例。在汽提過程中，低壓蒸汽在篩板塔中加熱，蒸汽和灰水在篩板塔的塔盤上逆流接觸。塔頂游離氨被回流吸收，產生一定濃度的工業(yè)氨水，避免了稀氨水的排放。

在操作過程中，我們注意到當塔頂氣體的溫度在壓力下較低時，少量的NH3和CO2會發(fā)生化學反應，生成氨基甲酸銨。反應方程式如下:

這個反應是可逆的。氨基甲酸銨沉淀結晶后，會堵塞塔頂管線和回流罐頂部的氣相管線，制約汽提塔的平穩(wěn)運行。因此，選擇合適的操作壓力，保證塔內溫度不低于氨基甲酸銨的高溫，可以分解氨基甲酸銨。經過摸索，我們將回流罐壓力控制在15kPa左右，氨水換熱器溫度控制在65 & # 12316；80 ℃,可有效穩(wěn)定汽提塔的操作。

四。換熱系統(tǒng)的運行優(yōu)化

根據(jù)管殼式換熱器的穩(wěn)態(tài)傳熱方程:Q = K & # 8226一& # 8226；△t

其中q-熱負荷，k-總傳熱系數(shù)，a-換熱面積；△t—平均溫差。

在換熱面積一定的情況下，要使管殼式換熱器發(fā)揮更大的作用，就必須提高總傳熱系數(shù)K或平均溫差△ T，管殼式換熱器帶走的熱負荷取決于總傳熱系數(shù)與平均溫差K & # 8226△t .

對于管層中的介質流速，兩臺管殼式換熱器并聯(lián)時，總傳熱系數(shù)會降低。

至于管層介質與冷源的溫差，兩個管殼式換熱器并聯(lián)時比串聯(lián)時要高，所以平均溫差△t會上升。

為了使污水冷卻換熱器的溫度低于40℃，結合以上對關鍵換熱參數(shù)的分析，我們對現(xiàn)有的換熱流程進行了串并聯(lián)實踐。

2月23日11: 00，污水(廢水)預處理單元溫度為39.9℃，此時廢水冷卻器兩組換熱單元處于并聯(lián)模式。2月23日11: 10，廢水冷卻器兩組換熱機組由并聯(lián)方式改為串聯(lián)方式，污水處預處理裝置溫度升至40.4-41.1℃并趨于穩(wěn)定。2月23日16: 29，廢水冷卻器兩組換熱單元由串聯(lián)方式改為并聯(lián)方式，污水處預處理單元溫度降至39.1-39.7℃(圖5)。

實踐表明，污水預處理單元中兩組換熱器并聯(lián)方式優(yōu)于串聯(lián)方式。主要原因是污水流經換熱器的管層，冷熱介質平均溫差對傳熱效果的影響大于傳熱系數(shù)。在并聯(lián)模式下，總傳熱系數(shù)與平均溫差的乘積為K & # 8226△t大于串聯(lián)(k-并聯(lián)& # 8226；△t union >:K & # 8226；△t串)，從而增加管殼式換熱器的熱負荷(Q并聯(lián)>:Q)，充分發(fā)揮廢水換熱器的換熱效果。

動詞 （verb的縮寫）結論

提高斜板沉淀池混合池內的堿度，使進入斜板沉淀池前的攪拌罐內灰水的pH值控制在12以上；保持汽提塔回流和塔頂出料，在壓差穩(wěn)定的前提下，盡可能多的加入足夠的質量穩(wěn)定的低壓蒸汽；確保氨泵和回流罐的壓力穩(wěn)定運行，并緩慢調節(jié)回流速度；對于兩組水處理能力較大的廢水冷卻器，并聯(lián)方式比串聯(lián)方式能起到更好的作用。

2020年污水預處理裝置連續(xù)運行周期突破60天。運行期間，混合灰水溫度在40℃以內，氨氮含量在300mg/L以內，各項運行指標穩(wěn)定，滿足下游污水處理機組的要求。同時大大降低了每年的維護成本。上述做法有望對類似裝置有借鑒意義。(來源:中天和創(chuàng)能源有限公司)

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