煤氣化廢水預(yù)處理工藝
某煤氣化裝置采用GE水煤漿氣化工藝,產(chǎn)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(fù)荷,設(shè)計一套污水預(yù)處理裝置處理水煤漿氣化產(chǎn)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(yù)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?yīng)控制在300mg/L以內(nèi),以滿足下游污水處理機(jī)組的生化要求。污水預(yù)處理單元于2017年投入運(yùn)行。在此期間,為降低運(yùn)行費用和維護(hù)費用,對機(jī)組運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化,由原來設(shè)計的兩個系列同時運(yùn)行改為一個系列運(yùn)行,另一個系列備用。這對污水預(yù)處理廠的運(yùn)行提出了更高的要求。在實際運(yùn)行過程中,該裝置出水溫度和氨氮指標(biāo)波動較大,運(yùn)行周期在35天左右,導(dǎo)致下游污水處理裝置維護(hù)強(qiáng)度大,運(yùn)行壓力大。因此,通過研究該裝置的運(yùn)行機(jī)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(yīng)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(yù)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(jié)垢。沉淀工藝的主要設(shè)備是斜板沉淀池。圖一。
在微溶電解質(zhì)溶液中,離子濃度的乘積稱為離子積。對于微溶電解質(zhì)AnBm,溶液中的[A]n[B]m稱為其離子積。
對于微溶電解質(zhì)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(dāng)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(zhì)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(zhì)Mg(OH)2在灰水中的離子產(chǎn)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(zhì)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(jìn)而降低汽提塔等設(shè)備管道中灰水的硬度。
1.2氨離子轉(zhuǎn)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(yīng)。
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(zhì),所以NH4+和OH-比結(jié)合生成NH3 & # 8226H2O的趨勢。NH3的生產(chǎn)& # 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(yīng)后,由提升泵升壓,經(jīng)二級噴射器加熱至80℃,然后進(jìn)入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔的流出物由一級注入進(jìn)料泵提升,然后進(jìn)入一級噴射器,與閃蒸蒸汽混合,加熱至110℃,然后進(jìn)入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔出水經(jīng)汽提塔進(jìn)料泵升壓后,從汽提塔中部的廢水入口分配器進(jìn)入。
低壓蒸汽從汽提塔底部進(jìn)入。汽提塔提升段采用防堵塞塔內(nèi)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(jìn)入脫衣舞娘。在汽提塔中,灰水被低壓蒸汽加熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)方程式如下:
反應(yīng)過程中產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)污水空冷器,通過空冷器管束的強(qiáng)制通風(fēng)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(nèi),然后被送到下游污水處理單元。
二、結(jié)算優(yōu)化
2.1增加沉降時間,增強(qiáng)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(shù)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(zhì)在液相中的遷移。對氣化裝置的灰水進(jìn)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(guān)系如圖2所示。在1 ~ 5分鐘內(nèi),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(guān)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(dá)到“空間換時間”的目的,延長有效沉淀時間。灰水沉淀效果明顯。斜板沉淀池清洗后,在汽提塔的運(yùn)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(shè)計原理,為了在灰水中沉淀或使沉淀更完全,需要創(chuàng)造強(qiáng)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(yù)處理單元的運(yùn)行周期。
在污水預(yù)處理裝置的運(yùn)行實踐中,我們改變了斜板沉淀池的加堿量,并采集了經(jīng)過斜板沉淀池的灰水的硬度指標(biāo)。設(shè)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(zhì)溶液中加入含有相同離子的強(qiáng)電解質(zhì)NaOH時,微溶電解質(zhì)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(jī)組運(yùn)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(biāo)也在同步下降(圖4)。
2.3增加堿度,提高氨離子轉(zhuǎn)化率。
通過研究NH4+和OH-生成氨一水合物NH3 & # 8226H2O反應(yīng)機(jī)理,增加Ok濃度有利于正向反應(yīng)方向發(fā)展。
灰水和氫氧化鈉產(chǎn)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(kuò)散到氣相。
煤氣化廢水預(yù)處理廠是運(yùn)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(chǎn)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(dāng)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(xué)反應(yīng),生成氨基甲酸銨。反應(yīng)方程式如下:
這個反應(yīng)是可逆的。氨基甲酸銨沉淀結(jié)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(yùn)行。因此,選擇合適的操作壓力,保證塔內(nèi)溫度不低于氨基甲酸銨的高溫,可以分解氨基甲酸銨。經(jīng)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(yùn)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(fù)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(fù)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(zhì)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(zhì)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(jié)合以上對關(guān)鍵換熱參數(shù)的分析,我們對現(xiàn)有的換熱流程進(jìn)行了串并聯(lián)實踐。
2月23日11: 00,污水(廢水)預(yù)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(jī)組由并聯(lián)方式改為串聯(lián)方式,污水處預(yù)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(yù)處理單元溫度降至39.1-39.7℃(圖5)。
實踐表明,污水預(yù)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(jīng)換熱器的管層,冷熱介質(zhì)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(fù)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(jié)論
提高斜板沉淀池混合池內(nèi)的堿度,使進(jìn)入斜板沉淀池前的攪拌罐內(nèi)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(zhì)量穩(wěn)定的低壓蒸汽;確保氨泵和回流罐的壓力穩(wěn)定運(yùn)行,并緩慢調(diào)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(yù)處理裝置連續(xù)運(yùn)行周期突破60天。運(yùn)行期間,混合灰水溫度在40℃以內(nèi),氨氮含量在300mg/L以內(nèi),各項運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定,滿足下游污水處理機(jī)組的要求。同時大大降低了每年的維護(hù)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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