四喷嘴对置式水煤浆气化灰水除硬产水回用分析

2021-04-30张蒙恩曹真真孙玉龙朱止阳

氮肥与合成气 2021年4期

张蒙恩，曹真真，孟雪，孙玉龙，朱止阳

(河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453700)

气化炉和灰水系统是整个气化装置的核心，灰水水质影响着气化系统的稳定运行。水煤浆气化灰水硬度高、碱度高，水质成分复杂。目前对气化灰水的除硬方法主要有药剂法[1]、离子交换法、膜法、电絮凝法[2]等。部分航天炉厂家选择灰水除硬产水返回气化系统回用，以降低整个气化系统的硬度，延长气化系统运行周期，但在四喷嘴对置式水煤浆工艺中对灰水的处理均为直接外排，因此针对水煤浆气化灰水的循环利用亟待研究。

1 水煤浆气化灰水除硬

河南心连心化学工业集团股份有限公司(简称心连心化工)四分公司2018年—2019年进行了气化灰水除硬改造研究，采用氢氧化钠、碳酸钠等药剂去除灰水硬度，并将除硬灰水送污水终端处理。经过一系列优化和调整后实现了出水硬度小于500 mg/L，浊度小于10 NTU的预期目标，具体气化灰水除硬改造流程见图1。

图1 气化灰水除硬改造流程

2 除硬产水pH回调

药剂法灰水除硬工艺中除硬后灰水的pH通常在8.5～9.0，初始设计将除硬灰水送污水终端经生化反应后直接外排，终端生化反应池要求进水pH为7.0～8.0，故需加酸调节除硬产水的pH[3]，心连心化工选择使用31%质量分数盐酸调整除硬产水pH，盐酸加入后，灰水氯离子质量浓度达到400～500 mg/L(见表1)。

表1 气化灰水除硬进出水水质分析

气化灰水除硬产水的循环利用又分为污水终端回用和气化系统回用，而灰水除硬工艺过程中的加酸方式、加酸类别和加酸量决定了除硬产水的循环利用方案。水煤浆气化灰水除硬过程可能用到的酸包括盐酸、硫酸、硝酸等无机酸和醋酸等有机酸。其中，硝酸和醋酸既不能污水终端回用，也不能气化系统回用，硝酸会使氨氮含量升高，破坏灰水系统的氨平衡或加大生化污水池负荷，醋酸会使化学需氧量(COD)升高，外排后会加大生化污水池负荷。盐酸和硫酸可采用污水终端回用方案，但是盐酸会使氯离子含量升高，腐蚀不锈钢设备和管道，硫酸的加入使硫酸根引入，在蒸发热水塔等设备内形成硫酸钙硬垢，不易清洗。因此，在气化灰水除硬产水的pH调节过程中不能加入硝酸或醋酸，加入盐酸或硫酸时可选择除硬产水污水终端回用。目前加入已知的各种酸，除硬产水均不能返回气化系统回用，由于水煤浆气化灰水系统pH要求为7.0～9.0，除硬产水不加酸时pH为8.5～9.0，满足返回气化系统回用的要求。

3 除硬产水污水终端回用

水煤浆气化灰水除硬并加酸后，降温送入污水反应池，经生化反应后出水COD(质量浓度)小于30 mg/L，氨氮质量浓度小于1 mg/L，硬度小于500 mg/L，可溶性固体质量分数为0.1%～0.3%，除硬产水的污水终端回用还需继续降低COD和盐含量。可选择臭氧催化氧化降解化学需氧物后送中水回用处理，在中水回用过程中经纳滤、反渗透等作用最终补入气化灰水系统或另作他用。

除硬产水的污水终端回用需要配套除化学需氧物装置和污水零排放装置，整体流程复杂、设备投资大、运行成本高，而由于除硬产水不直接返回气化灰水系统，不会对气化系统造成任何不利影响，可保证气化系统的稳定运行。除硬产水的污水终端回用流程见图2。

图2 除硬产水的污水终端回用流程图

4 除硬产水气化系统回用

灰水除硬产水不加酸直接返回气化系统回用，需要考虑钠离子对气化炉耐火砖的腐蚀[4]，灰水进水钠离子质量浓度为250 mg/L，除硬产水钠离子质量浓度为800～950 mg/L，钠离子返回气化灰水系统后会在系统内不断累积。钠离子作为碱金属元素在高温下(1 000 ℃以上)会和Cr2O3进行反应，而气化炉内衬耐火砖的主要成分为Cr2O3，碱金属质量浓度超标(大于1 000 mg/L)容易造成耐火砖的腐蚀，缩短耐火砖使用寿命。

根据水煤浆气化的灰水循环流程，只有进入磨煤水槽参与煤浆制备的灰水才会进入气化炉燃烧室，水体积流量为20～30 m3/h,而其他灰水最多进入气化炉激冷室(250 ℃)，并不会在高温区接触并影响耐火砖的使用寿命。因此可通过调整气化灰水循环流程，改变进入磨煤水槽的灰水路径，从而避免将高钠离子含量灰水引入气化炉燃烧室。

除硬产水返回气化系统回用流程相对简单，但除硬产水pH较原灰水pH稍高，随着系统水质的不断置换，灰水系统硬度逐渐降低但pH必定上涨，pH大于9.0后会影响灰水分散剂的分散效果，故还需要控制除硬产水的循环量或系统外排水量，保证气化灰水系统处于中性或弱碱性环境。改进前后气化灰水循环流程见图3、图4。