气化灰水系统优化设计及运行总结

孟 雪，张蒙恩，曹真真，孟令悦，孙玉龙

(河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453731)

水煤浆加压气化技术作为洁净煤技术之一，在化工行业得到广泛应用。水煤浆加压气化技术主要由磨煤制浆系统、粗合成气制备系统及气化灰水系统组成，其中气化灰水系统是气化装置中非常重要的部分。

气化灰水系统的作用是将气化工序及煤气初步净化工序产生的灰水所含的固体和溶解的气体分离出来，并将灰水所含的热量加以回收。由于煤中含有CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等氧化物，在高温高压下，金属元素被无机酸、碱侵蚀而溶解在水中形成离子态，特别是钙镁氧化物与CO2、H2O形成可溶性的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2，高温高压灰水经过闪蒸后，无机酸气体大量挥发，可溶性Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2变成不溶性的CaCO3、MgCO3，进而在整个气化灰水系统中沉积，随着系统运行周期的延长，CaCO3、MgCO3沉积附着并相互粘连，形成致密坚硬的灰垢[1-2]。

由于气化灰水系统高碱度、高硬度、极易结垢的特性，现阶段气化灰水系统运行存在的问题有：(1) 在高硬度条件下分散剂分散效果差，消耗量大，运行成本高；(2) 气化灰水系统内设备及管线需定期冲洗除垢，维护成本高；(3) 结垢堵塞严重时，甚至造成系统停车。因此，有效降低气化灰水系统硬度是煤气化装置稳定运行的关键。笔者通过对烧碱协同酸性气除硬技术的运行情况进行研究，为后续气化灰水系统的稳定运行及灰水回用奠定了基础[3-4]。

1 工艺流程

气化灰水除硬工艺流程见图1。

图1 气化灰水除硬工艺流程简图

从气化灰水槽来的灰水经低压灰水泵提压后送至气化灰水系统，先进入调节池，在调节池内加入罐区送来的NaOH溶液，调节溶液pH保持在8.0～8.5;然后通过重力作用自流进入设有CO2曝气盘的主反应池中，来自净化工段的CO2气体与灰水中的金属离子进一步反应，除去灰水中的钙镁离子;反应后的灰水经辅助反应池再次除硬后溢流进入斜板沉降槽，反应过程产生的矾花状絮体在此进行沉淀分离，上层清液流入缓冲槽，通过提升泵送入污水终端进行处理，而斜板沉降槽底部积聚的沉淀通过排污阀排入污泥池，并通过污泥进料泵送至板框压滤机进行压滤;产生的滤饼外售，压滤后的污水回流至缓冲槽送往污水终端处理。具体原理如下：

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2 除硬装置设计优化

2.1 增加CO2曝气装置

传统工艺中，CO2气体的补充采用管道通入，导致反应不均匀且反应速率较慢，而且转化率较低。为提高反应效率及CO2利用率，在反应器中设置CO2曝气装置。根据反应特性，在主反应池和辅助反应池中各设置1套CO2曝气装置，其中曝气盘形式采用韭字型或匪字型，曝气孔径为20～40 mm，呈斜45°向下喷射。采用该形式的曝气盘，不仅可以使CO2气体在反应池中均匀分布，而且可以有效避免沉淀物质在曝气口积聚，避免曝气口堵塞，增加了系统运行的稳定性及长周期性。

2.2 将污泥排放改为自动放料

人工排放污泥不仅增加现场操作人员的工作量，而且也不够准确。在主反应池、辅助反应池及斜板沉降槽底部增加自动放料系统，该系统通过集散控制系统(DCS)编程控制放料系统的放料部位、开启时间与间隔等实现放料系统的自动化。通过该放料系统的设计，不仅减少了现场操作人员的劳动强度，而且保证了气化灰水系统的平稳运行，避免了污泥池出现漫液的现象。通过改造，目前除现场巡检外，放料系统现场不需要人工操作，全部实现自动化。

管道的理论排水体积流量qV为：

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式中：Δp为进出口压差，即水静压，Pa；ρ为排水密度，kg/m3,取1 000 kg/m3；g为重力加速度，m/s2,取9.8 m/s2；s为管道摩擦阻力系数，s=0.001 736/d5.33,d为管内径,m；L为管道长度，即排污管长度,m。

通过已确定的操作条件,根据上述公式，选择最优的排污管道直径及排污周期:设定主反应池排污周期为60 min，排污时长5 s;设定辅助反应池排污周期480 min，排污时长4 s;设定斜板沉降槽排污周期720 min，排污时长4 s。

2.3 采用全自动压滤机

灰水除硬过程中产生的沉淀颗粒较小，并且具有一定的黏性，为提高运行效率，选用全自动板框压滤机对沉淀进行压滤除水。

A=V2/0.015t

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V1a=Mb=V2ρ1b

(9)

式中：A为压滤机的过滤面积,m2;V1为进料体积,m3；a为进料含固质量分数,%；V2为滤饼体积,m3；b为滤饼含固质量分数,%；M为滤饼质量,kg；ρ1为滤饼密度,kg/m3；t为循环时间,s。

经式(8)、式(9)核算，需要2台过滤面积为15 m2的压滤机，构成1开1备。

3 改造效果

项目运行过程中试验了不同比例碱液加入量的除硬效果，结果见图2。由图2可以看出：碱水体积比从0.9提高至1.6，产水硬度从970 mg/L降低至150 mg/L，硬度去除率从19.2%提高至87.5%。最终优选碱液加入量1.25 L/m3，此时满负荷运行药剂成本约1.15元/m3，电费为0.46元/m3，总成本为1.66元/m3。

图2 加碱量与灰水硬度的关系

灰水除硬前后参数对比见表1。

表1 灰水除硬前后参数对比

气化灰水经过除硬处理后，系统硬度下降明显;同时，降浊效果也较为明显，反应池折流上升/下降速度为2.5 mm/s，在不额外添加絮凝剂条件下,产水平均浊度为1～2 NTU，远小于进水浊度(20 NTU)。

碱液加入量为1.25 L/m3时，可将灰水硬度降至200 mg/L，钙离子质量浓度为40 mg/L，硬度去除率达到83%左右。产水碱度平均较进水稍高，加盐酸调节到进水碱度约1 400 mg/L，属正常现象。

4 结语

该项目在运行过程中通过不断调试，得到除硬效果好、经济性高的操作条件。水煤浆气化装置系统灰水总硬度的降低，大幅提升了气化系统灰水的品质，可以有效减缓气化灰水系统结垢速率及结垢的严重程度，不仅降低了设备及管道的冲洗频率，而且也减少了系统非计划停车的频次，为系统的长周期、稳定、安全运行提供了可靠保障。