碎煤加压气化污水深度处理与回用技术研究

2019-11-29牛国明丁明公刘金亮黄海燕

煤化工 2019年5期

牛国明，丁明公，刘金亮，黄海燕

（天脊煤化工集团股份有限公司，山西长治 047507）

碎煤加压气化是世界上开发应用较早的一种煤气化技术，原来主要适合气化年青煤种，生产城市煤气。天脊煤化工集团股份有限公司（简称天脊集团）20世纪80年代从国外引进该技术并用于合成氨生产，在世界上尚属首例。碎煤加压气化属移动床气化炉，生产过程中蒸汽和氧气混合形成的气化剂进入气化炉，从下往上依次经过灰层、燃烧层、气化层、干馏层、干燥层，最后煤气从炉体上部排出。

由于炉内反应温度较低，造成炉内蒸汽分解率低，加之反应后的煤气经过上部干馏、干燥区，出口煤气中除夹带煤粉外，还含有焦油、轻油、酚类、氨、有机物等大量干馏产物，造成煤气化过程中产生的污水量大、污染物浓度高、成分复杂、可生化性差，很难处理，是国内外公认的技术难题，不仅对天脊集团的正常生产造成了严重影响，也大大制约了碎煤加压气化技术在煤化工领域的推广应用。

为此，天脊集团于2005年开始，分步组织开展了碎煤加压气化污水深度处理与回用技术的研究，提出了“物化处理+生化处理+深度处理”的处理工艺，并进行了十余年的技术应用实践，从而有效地实现了煤气化污水的深度处理与回用，对选择碎煤加压气化技术新建或改、扩建煤化工项目的企业都具有一定的借鉴作用。

1 原碎煤加压气化煤气水处理工艺及存在问题

原引进碎煤加压气化煤气水处理工艺流程示意图见图1。来自煤制气、粗煤气变换和粗煤气冷却的高压煤气水经冷却后，进入膨胀器/焦油分离器，解析气自膨胀器顶部排出，焦油从焦油分离器底部排出，煤气水进入煤气水贮槽。一部分煤气水用高压煤气水泵加压，分别回用于制气和粗煤气冷却、粗煤气变换工序；另一部分用低压煤气水泵送到轻油分离器，分离出的轻油作为副产品回收。轻油分离器分离出的煤气水经煤气水泵送至活性炭脱酚/氨回收装置，该工段包括双介质过滤器、脱酸气体塔、酸气洗涤塔、总解析塔、氨解析塔、氨精制塔、活性炭吸附器及焚烧炉等一系列装置，将煤气水中的酸性气体、酚、氨脱除，并回收氨，最后煤气水被送至生化装置处理后外排。

实际运行中，该煤气水处理工艺存在的主要问题：

（1）煤气水中的焦油、粉尘分离不彻底，经常使装置设备、管道发生堵塞，无法长周期运行；

（2）煤气水回用洗涤煤气流程设计简单粗放，洗涤效果差，造成后续煤气变换及冷却装置设备、管道频繁堵塞，影响装置高负荷连续稳定运行；

（3）煤气水中轻油分离回收工艺条件不合理，加之油乳化现象严重，轻油分离回收困难；

（4）原设计活性炭脱酚/氨回收装置在实际运行中由于煤种变化，导致废水中酚含量低，氨浓度不稳定，原装置无法正常运行，被迫停运，造成进后续生化处理装置污水N-NH3含量严重超标；

（5）原生化处理装置能力小，排放的污水指标时有超标，无法实现达标排放。

2 新煤气化污水深度处理及回用工艺流程

2.1 碎煤加压气化煤气水深度处理与回用的难点

碎煤加压气化煤气水要实现深度处理与回用，需要解决以下问题：如何提高煤气水中焦油、粉尘的分离效果；如何提高煤气水回用洗涤煤气的效果，减少后续装置设备管道的堵塞；如何回收煤气水中的氨，降低其N-NH3含量，满足后续生化工艺要求；如何减少初级煤气水中油类及悬浮物，提高装置的过水能力；如何解决生化装置处理能力小、不能达标排放，特别是生化处理后出水达不到锅炉用脱盐水指标、不能实现有效回用等。

2.2 新煤气水深度处理与回用工艺流程选择及应用

考虑原煤气水处理工艺存在问题，结合深度处理与回用的目标，天脊集团开发了“物化处理+生化处理+深度处理”组合工艺[1]，设计了“闪蒸分离、轻油分离、气浮过滤、中压汽提、一级好氧生化、MBR膜生化、反渗透+阴阳床+混床离子交换”综合处理工艺流程，新的煤气水深度处理与回用工艺流程示意图见图2。

图2 新的煤气水深度处理与回用工艺流程示意图

2.2.1 对焦油、煤粉进行二次沉降：在原一级沉降分离的基础上，串联焦油二级分离器（闪蒸/分离），使煤气水的停留沉降时间延长，提高了溶解可燃气的释放、煤粉及焦油的分离效果（得到初级煤气水）。

2.2.2 增设含油煤气水闪蒸槽，进一步释放压力，提高了溶解工艺气闪蒸及油、水分离效果，不仅使轻油的回收率大大提高，也有效地缓解了后续生化处理装置的压力。

2.2.3 增加部分回流式加压溶气气浮装置，使冷却至常温的初级煤气水在气浮装置进一步去除乳化油和悬浮物，使煤气水中的油质量浓度从600 mg/L降到80 mg/L，悬浮物质量浓度从300 mg/L降到50 mg/L（得到一级煤气水）。

2.2.4 经气浮处理的煤气水进双介质过滤装置进行二级处理，使煤气水中的油质量浓度降到＜20 mg/L，悬浮物质量浓度降到＜30 mg/L，不但减轻了过滤装置的堵塞，而且实现了装置连续运行（得到二级煤气水）。

2.2.5 经过滤后的二级煤气水加压送至煤气水汽提塔，以中压蒸汽作为汽提剂对煤气水进行汽提，汽提出的含氨饱和蒸汽作为气化剂的补充送入气化炉，氨在气化炉燃烧区高温分解，转化为N2，蒸汽进入还原区参与煤气化反应，实现二次利用，达到了污染治理与节能降耗的双重目的，汽提后的煤气水中N-NH3质量浓度＜100 mg/L，满足后续生化处理条件（得到终级煤气水）。

为论证汽提气作为气化剂的补充对气化反应的影响，天脊集团联合有关高校进行了相关研究，主要包括：（1）对煤制气平衡组成变化的影响以及对反应平衡的影响；（2）对反应速率的影响；（3）汽提气作气化剂的爆炸危险问题。

最终研究结论：将煤气水汽提气用作气化炉的气化剂，工艺技术是可行的，其工艺技术及装备经精心设计，能够保证安全生产。

2.2.6 对碎煤加压气化煤气水处理及回用流程进行升级改造，在分步处理的同时，对煤气水进行分级回用：即用最洁净的煤气水（终级煤气水）来洗涤粗煤气冷却工段的变换气，用含氨煤气水（二级煤气水）来洗涤湿煤气，用洗涤了湿煤气的煤气水来洗涤粗煤气，构成了“净水洗涤净气、脏水洗涤脏气”的煤气水逆流循环利用工艺（改造后的废水逆流循环洗涤煤气流程示意图见图3），提高了气化炉出口及后续变换、冷却系统煤气洗涤效果，也提高了煤气水的重复利用率。

2.2.7 在原一级生化装置增加一个1 000 m3的调节池，并配有曝气管，起到水质混匀调节作用；增加煤气水冷却降温系统和污泥回流系统，提高生化处理效果。经中压汽提后的终级煤气水送一级生化装置，同生活污水、甲醇再生污水及合成氨地坪水混合，一起进行生化处理，其出水COD质量浓度＜200 mg/L，氨氮质量浓度＜60 mg/L。

图3 改造后的废水逆流循环洗涤煤气流程示意图

2.2.8 新增MBR膜生化、RO反渗透和离子交换工艺装置，将一级生化处理后的煤气水及其他生产、生活污水进一步深度处理后，作为锅炉给水，实现回用。

考虑MBR膜生化装置的进水特点及出水水质要求（见表1），开发了预处理+膜处理+后处理工艺流程[2]，完整的流程为：浅层气浮+水解酸化+A/O+MBR膜生化+臭氧氧化+活性炭过滤。

表1 MBR膜生化装置进水水质及出水指标要求

为了将MBR膜生化出水进一步深度处理，并作为锅炉给水回用于生产，又开发了RO反渗透工艺，同时决定新建1套日处理生化出水12 000 t，日产脱盐水11 040 t的纯水装置。

鉴于MBR膜生化出水水质较新鲜水水质复杂、又含有其他污染物，RO反渗透处理装置的预处理工艺分三级处理，即：多介质过滤、自清洗过滤、超滤；同时为满足处理后水质达到高压锅炉用水指标的要求，在反渗透处理基础上，再增加阴阳床加混床离子交换后处理工艺。

3 实施后效果

项目实施后，煤气水焦油分离、轻油分离、气浮过滤、中压汽提、一级好氧生化等装置运行稳定，气浮装置悬浮物去除率92.13%、COD去除率11.40%；双介质过滤器悬浮物去除率36.36%、COD去除率11.44%；中压汽提COD去除率79.53%、氨氮去除率97.36%；一级好氧生化装置出口污水中N-NH3质量浓度46.63 mg/L、COD质量浓度119.42 mg/L，满足MBR膜生化装置进水指标要求。

MBR膜出水水质见表2，超滤+反渗透+离子交换装置出水水质见表3。由表2、表3可知，新建MBR生化处理和RO反渗透+阴阳床+混床离子交换深度处理装置投运后，COD、氨氮、总磷、油类等污染物指标达到了回用水质要求。