多级水处理装置在气化炉有用物质节能分离中的应用

2019-03-28王敏

山西化工 2019年1期

关键词：入料气化炉壳牌

王敏

(同煤集团广发化学工业有限公司，山西大同 037003)

引言

当今社会对环保的标准越来越高，而且企业自身也应该有对环境负责的自觉。壳牌气化炉设备原本的设计就符合绿色、低能耗的标准。

1 壳牌气化炉工作基本原理

壳牌气化炉是煤气化反应设备，是荷兰壳牌集团生产的，主要构成包括：11磨煤干燥部分、12煤粉加压输送部分、13煤气化部分、14除渣部分、15飞灰气提部分、16清洗部分、17水处理部分和30公共部分，工艺流程图如图1所示。

图1 煤气化工艺流程图

由图1可见，11、12部分用来实现原煤的磨粉、干燥、加压与传送，在13部分发生煤气化反应，将煤粉转化成合成气，14、15部分将合成后剩余的废渣、飞灰去除；16部分采取水洗除掉反映混合气中的余灰、酸性气；30公共部分，可以向上述所有部分供给需要的CO2和N2；14、16部分的废液流到17部分，进行初步的水处理操作。

初级水处理主要分为三大步骤：1) 将废液中的H2S和微量的SO2、HCN去除；2) 将废液中的固体泥灰去除；3) 经上述两步骤所得澄清水的重复使用。

经上述三步骤后的澄清水导入供水系统，进行更精细的净化，重复使用或往外排放。上述步骤提取出的酸性气有的导入硫回收系统，有的则直接导入火炬系统，完全燃烧后直接排出。提取滤除的煤泥能够掺入原煤再次利用[1-2]。

2 酸性气的分离

图2 基本流程图

从图2基本流程图可知，该流程可以通过气提实现废液中酸性气的分离。

壳牌气化炉14部分和13部分直接相连，所以14部分的压力和13部分是相同的，现实生产中，气化炉压力保持在3.87 MPa～3.89 MPa之间，日常运行时工况能够视做稳态。14部分(即V-1702渣储存罐)的，同样温度条件下，渣水密度稍高于纯水。在生产操作中，渣水温度通常是38 ℃左右，其密度大约保持在997 kg/m3。依照静压公式P=ρgh，如果取h=20 m，则P=0.19 MPa，也就是部分(V-1702)压力处于4.05 MPa～4.08 MPa(表压)，渣水由V-1702单元通过S-1403水力分离器，流到V-1701，S-1403进口端，渣水温度大约34 ℃，压力大约4.04 MPa(表压)，渣水通过S-1403后，压力减小，再进行分流，通过限流孔板，流入V-1701，压力再次降低。

当压力降低后，酸性气在渣水中的溶解度减小，无法溶解的酸性气由渣水中逸出，通过V-1701顶端流出。

C-1601是16部分的水洗塔，主要用来滤除合成气中的酸性气 (可参考NH3、H2S、CO2、CO、H2在水中的kB)及少量浮尘。从C-1601流出的洗涤水大概由169 ℃温度，压力是4.1 MPa(表压)，通过X-1701降压管流到V-1704，再次降压，将会出现以下2个改变。

1) 同V-1701类似，酸性气在渣水中逸出。

2) 洗涤水水温较高，170 ℃时饱和蒸汽压为0.793 MPa，而17部分的压力通常大约是0.2 MPa(表压)，所以一些洗涤水也将出现相变，以气态逸出到V-1704中，其它的洗涤水依旧以液体状态存在，依照0.2 MPa表压，现实绝对压力大概0.3 MPa，液态温度维持69.3 ℃，相应的饱和蒸汽温度是66.6 ℃[2]。

通过泵的作用，V-1701和V-1704中的液相流入C-1701再次进行气提，由于压力差的存在，两罐中的气体流入C-1701上端。

气提罐C-1701是17部分的关键装置。壳牌配备的气提罐属于3级3段气提，V-1701和V-1704的废液进料端一个位于C-1701的上端，一个位于C-1701的下端，这2个进料端将C-1701气提罐分成了3段。

气提载体是低压蒸气，低压蒸气压力是0.65 MPa(表压)，温度是175 ℃(不计入传输热量损耗)。V-1701同V-1704的进料端中间有一节填料，回流罐V-1703流入C-1701的入口和V-1704的入料口中间有一节填料，这就称作“3级”气提。填料选用的是鲍尔环，乱堆方式。

C-1701的入料口，温度是由下至上越来越高的，V-1701到C-1701的入料口温度大约在30 ℃，V-1704到C-1701的入料口温度大约在70 ℃，V-1703的回流温度大约为100 ℃，175 ℃的低压蒸汽由最底部逐级向上，先通过分布器将蒸汽流打散，形成小的蒸汽泡。废液由上往下在填料表面出现一层液膜，逐层同小蒸汽泡相互贴近，发生传质传热，废液中浓度更高的酸性气，逐渐往纯净的蒸汽泡里传递，与此同时，由于蒸汽泡的温度比废液高，热量由蒸汽泡往废液里传递。废液在被加热之后，对于酸性气的溶解度会大幅减小，从而会逸出大量的酸性气，在上述多重影响下，酸性气从废液中可以最大程度地分离出来。

三级气提的优势有。1) 入料端的温度从下到上越来越高，且其入料中酸性气的占比越来越少，最底部的入料中酸性气占比最大，而且同温度最高的蒸汽进行接触，以此能够实现最佳的气提作用；越朝上，废液中酸性气比例越小，与它作用的蒸汽温度在换热之后也有所减小，但依然可以实现气提目标；回流水酸性气占比最小，与它作用的蒸汽温度也最小。2) 填料通过乱堆的方法，能够促进蒸汽在其中的前进距离，确保同水汽的作用程度，实现最佳的介质传热作用。3) 选用分级填料办法，每层的填料量适中即不少也不多，可以保证预期气提目标的完成，也能显著防止“壁流”现象的出现。

气提是一种较常用的分离手段，与该部分的闪蒸合用，将废液同酸性气分离之后进行固体渣灰的滤除和澄清水回用。

酸性气以及少量水蒸气通过E-1702热交换器后，温度变低，水蒸气在V-1703回流罐变成液态水，回流到C-1701进行再次气提，达到精气提的作用，大部分的酸性气有的流入硫回收系统，有的流入火炬处理系统。火炬系统中气液分离后液相流回V-1702，同废液一起重新经过气提步骤，酸性气的分离步骤完成。

3 固体渣灰的滤除

废液中渣灰滤除和清水回用流程图，如图3所示。

图3 废液中渣灰滤除和清水回用流程图

A-1701装置用来添加絮凝剂，废液在经过气提后其渣灰含量仍旧偏高，添加絮凝剂后，处于悬浮微粒及胶体状态的渣灰在吸附架桥及电中和作用下，凝结为尺寸更大，更易沉淀的絮凝体(d>20 m)。本文选择的絮凝剂为PAM(聚丙烯酰胺)，共同起作用的包括重力沉降，在有振荡器的作用下被导入T-1702。在振荡器的振荡下又会发生自然沉降，然后导入S-1702抽滤机进行真空抽滤，废液中的水经过滤布上的孔眼被过滤出来，废液中体积较大的灰渣絮凝体则被滤布挡住，变成固体的滤饼，以此固液相互分离。经检验，滤饼中C含量高达60%，收集后可运回煤库和原煤一起循环使用。此操作过程中，添加了15%的HCl，来最大程度的减少CaCO3沉淀，CaCO3是主要的灰分来源。渣和灰的不同关键在于渣的含量更高[4]。

实验室测出的渣灰含量占比，如表1所示。