多喷嘴对置式水煤浆加压气化装置灰水浊度的控制

魏 静, 茹祥会, 王权己, 马行空

(新疆心连心能源化工有限公司 新疆昌吉 832205)

新疆心连心能源化工有限公司(以下简称新疆心连心能源公司)气化装置采用华东理工大学的多喷嘴对置式水煤浆加压气化工艺,共2 套气化炉系统(1 开1 备)。 气化装置中的气化炉、水洗塔、旋风分离器产生的黑水依次经蒸发热水塔(0.8 MPa)、低压闪蒸罐(0.2 MPa)、真空闪蒸罐(-0.056 MPa)三级闪蒸浓缩后,黑水温度降至80 ℃左右,然后通过静态混合器与絮凝剂混合后进入澄清槽。 黑水经沉降去除大量悬浮固体后,澄清槽上部较为干净的灰水溢流进入灰水槽,灰水循环返回气化系统使用,灰水循环量为250 t/h左右。 灰水水质监控指标中浊度表征的是灰水的清亮程度,浊度越低,一般灰水中的悬浮物越少,灰水系统悬浮物沉积压力也越小,管道及设备的结垢速率越低。 由于药剂选用、煤质、外部废水等原因引起的灰水浊度不稳定,容易产生灰水管道结垢、蒸发热水塔和水洗塔塔盘积灰等问题,造成水洗塔和蒸发热水塔带水,因进口滤网堵塞造成高温热水泵打量不足[1]。 为管控好灰水水质,减少气化系统因结垢与污堵原因出现的非计划停车,现场要求灰水浊度指标控制在小于30 NTU。

1 灰水浊度异常升高原因及处理措施

1.1 絮凝剂型号不匹配

新疆心连心能源公司气化装置在黑水处理过程中使用的絮凝剂为有机高分子絮凝剂,其主要成分为阳离子型聚丙烯酰胺。 聚丙烯酰胺是一种线型水溶性高分子,其主要与水中悬浮物通过电中和、架桥和缠绕形成絮团,具有用量少、絮凝效果好、絮凝沉降速率快、适用范围广等优点[2]。

灰水药剂供应商提供的絮凝剂往往有多个型号,需要根据实际黑水情况进行小试,选取匹配的絮凝剂型号。 新疆心连心能源公司从2019 年开始使用某企业供应的絮凝剂,共有7 个型号。 试用初期,根据实验室试验结果,选取了适用范围较广的2 号絮凝剂,灰水浊度可稳定控制在20 NTU左右。 2020—2021 年,受疫情影响,煤矿采矿率低,气化炉入炉煤的煤种平均每年更换15 次以上,换煤后常出现灰水浊度升高的情况。 分析原因后认为是煤质不同,灰组成不同,黑水成分偏差较大,单一型号絮凝剂不能满足絮凝沉降要求。因气化煤质变化导致絮凝剂絮凝效果变差、灰水浊度升高,需及时匹配合适的絮凝剂及用量,具体改进措施如下:

(1)气化炉入炉煤更换的第二天,待黑水成分稳定后取真空闪蒸罐底部的水样,在实验室对不同型号的絮凝剂进行匹配试验,根据试验结果调整絮凝剂型号及用量;

(2)建立掺烧煤种-絮凝剂型号数据库,根据煤种及时调整絮凝剂型号及用量,避免因煤质变化对水质的影响。

1.2 分散剂型号及添加量的影响

2020 年初,为降低外排水中磷的含量,新疆心连心能源公司对灰水分散剂型号进行调整,将KH500 型低磷分散剂调整为KH600 型微磷分散剂,灰水浊度由10 NTU 升至20 NTU。 为明确灰水浊度升高的原因,2020 年1 月3 日和4 日分别取澄清槽和灰水槽的水样进行浊度比对,澄清槽水样浊度为15 NTU 左右,灰水槽水样浊度为20 ～35 NTU,具体数据见表1。

表1 澄清槽和灰水槽的水样浊度比对结果

黑水处理过程中添加了絮凝剂和分散剂,在澄清槽顶部取样口处加入絮凝剂进行絮凝沉降,沉降后的澄清槽上清液进入灰水槽,在澄清槽与灰水槽溢流管处投加分散剂起阻垢、分散的作用。灰水槽内接收的各路水均为浊度较低的凝液,不会使澄清槽溢流过来的水浊度升高,因此,澄清槽与灰水槽水样存在的浊度偏差是由分散剂引起的。 为确认分散剂对水样浊度的影响,取澄清槽上部溢流口处的清液,分别加入KH500 型、KH600 型分散剂80、100 mg/m3,在80 ℃恒温6 h后测定清液的浊度,结果见表2。

表2 分散剂对澄清槽溢流清液浊度的影响

由表2 可知:加入分散剂会使澄清槽溢流清液的浊度升高,分散剂的加入量越大,浊度越高;在相同加药量下,KH600 型分散剂对灰水浊度的影响比KH500 型的大。 为了使外排水中的磷含量达标,必须改用KH600 型微磷分散剂。 为保障分散剂更换后的阻垢效果,因浊度在指标范围内,故暂不调整分散剂的用量。

1.3 分析仪器的影响

2020 年12 月27 日,灰水浊度由10 NTU 升至20 NTU 左右。 检查中心化验室的分析记录,气化灰水与水汽循环水的浊度数据在27 日均升高较多,具体见表3。

表3 中心化验室浊度分析记录

不同岗位水的浊度均在同一时间出现升高的情况,且3 个循环水水池循环量为15 000 m3/h左右,在短时间内浊度不可能同时上涨几倍,因此怀疑中心化验室的分析结果出现偏差。 经调查询问得知,2020 年12 月25 日左右,中心化验室水质分析室的AQ4500 型便携式浊度仪出现故障,灰水及循环水浊度分析改用三聚氰胺分析室的2100AN 型浊度分析仪。 为确定各浊度仪测量结果的偏差,当天白班取气化装置的灰水,用不同型号的浊度仪进行测量,结果脱盐水岗位浊度仪测得的浊度为6.9 NTU,中水回用岗位浊度仪测得的浊度为15 NTU,三聚氰胺分析室浊度仪测得的浊度为24 NTU,同一水样采用不同型号分析仪测得的结果偏差较大。 结合中心化验室对三聚氰胺分析室浊度仪的标定结果(浊度为10 NTU 的标准溶液测量值为11 NTU,浊度为100 NTU 的标准溶液测量值为155 NTU),可以确定更换浊度仪是造成灰水浊度“升高”的主要原因。

改进措施:使用固定的浊度仪,并定期对仪器进行标定。

1.4 外来水水质波动的影响

水煤浆气化装置接收并处理厂区各个岗位送来的废水,如三聚氰胺废液、低温变换凝液、低温甲醇洗废液、事故池水等。 各路废水成分复杂,其中存在很多影响絮凝效果的物质。 2020 年新疆心连心能源公司新建甲醇项目开车,曾向澄清槽送甲醇废液,其间灰水水质出现异常,主要表现为灰水pH 由正常的8.2 左右降至5.6 左右,浊度持续上升至60 NTU 左右。 后将甲醇废液去除,灰水水质恢复正常。 另外,三聚氰胺废液、低温变换凝液、低温甲醇洗废液等3 路废水设计去气化澄清槽和磨煤水槽,但因这3 路废水浊度较低,故将去磨煤水槽的管道阀门关闭,废水全部送入气化澄清槽,结果造成冬季灰水浊度大幅波动。

为考察废水中各成分对絮凝剂絮凝效果的影响,在实验室进行了试验。 2019 年12 月10 日,取2 杯500 mL 黑水,向其中一杯加入1 mL 质量分数为0.25%的氨水后,再加入絮凝剂,浊度为98.6 NTU;向另一杯中直接加入絮凝剂,浊度为13.4 NTU。 2020 年1 月6 日,取2 杯500 mL 黑水,向其中一杯加入1 mL 质量分数为99.9%的甲醇后,再加入絮凝剂,浊度为58.1 NTU;向另一杯中直接加入絮凝剂,浊度为28.7 NTU。 由试验结果可知,氨水和甲醇均会破坏絮凝剂的絮凝效果。

因冬季蒸汽紧张,减少了三聚氰胺装置中汽提塔的汽提蒸汽量,三聚氰胺废水中的氨含量大幅波动;低温变换凝液中的氨氮含量同样受汽提塔汽提温度的影响,而低温甲醇洗废水属于高氨氮、高pH 废水。 为避免各路外来废水对絮凝剂絮凝效果的影响,外来废水不再直接送入澄清槽,全部改送至磨煤水槽制备水煤浆。

1.5 工艺波动的影响

1.5.1 系统切换捞渣机的影响

2021 年10 月,系统大修开车后灰水浊度稳定在20 NTU 左右。 10 月19 日,夜班灰水浊度突然升至42.3 NTU,此后继续升高,最高至62.2 NTU。气化车间立即将絮凝剂用量由4 mg/m3增至5 mg/m3,灰水浊度由60 NTU 降至40 NTU 左右。经分析,造成灰水浊度上升的原因是10 月18 日A 系统捞渣机故障切换为B 捞渣机运行,B 捞渣机中的黑水由B 真空闪蒸罐底部直接进入澄清槽,这部分黑水没有经过絮凝沉降,造成灰水浊度升高。 随后现场将B 系统静态混合器絮凝剂阀门打开,灰水浊度在30 ～50 NTU 波动,并未恢复到20 NTU 左右。 直至11 月3 日,A 捞渣机检修完成后,切换为A 捞渣机运行,灰水浊度恢复至20 NTU左右。 因此,装置运行过程需要保证工艺稳定,任何一个调整都可能给系统带来影响。

改进措施:运行过程中保证系统稳定,工艺介质按设计流程及负荷投运。

1.5.2 真空闪蒸罐负压波动

由于聚丙烯酰胺对温度有一定的要求,通常水温不得高于80 ℃,水温过高会造成聚丙烯酰胺失效。 真空闪蒸罐控制负压为0.056 MPa,对应黑水温度为80 ℃。 由于黑水闪蒸气中含有灰分,曾多次出现因灰分引起真空闪蒸罐负压表引压管堵塞,压力显示不准,造成控制真空闪蒸罐负压的自调阀开度持续开大,实际真空度降低;也曾出现因蒸汽喷射器堵塞,造成真空闪蒸罐负压波动,从真空闪蒸罐送至静态混合器的水温偏高,造成絮凝效果变差,灰水浊度升高。

改进措施:定期清理负压表及蒸汽喷射器,蒸汽喷射器发生故障时应及时启动真空泵。

1.6 其他因素的影响

1.6.1 收集池水质差

2019 年4 月,气化灰水浊度波动较大,现场取样观测灰水水质发黑,水样静置30 min 后底部有黑色沉淀。 经排查发现,浊度波动与现场启动收集池泵有关,启动收集池泵往澄清槽内送水后,灰水浊度升高;若不启动收集池泵,则灰水浊度稳定。 现场调查后发现,磨煤工段地沟与气化工段地沟相连,磨煤二级筛淌浆造成地沟满液,由于气化工段与磨煤工段地沟之间的挡板较低,煤浆漫过挡板倒至气化工段收集池,然后通过收集池泵打入澄清槽,大量煤浆瞬间进入澄清槽,絮凝剂无法将其全部絮凝沉降,部分煤浆便进入灰水槽。

改进措施:将磨煤工段与气化工段之间的挡板加高,定期清理磨煤工段地沟与气化工段收集池。

1.6.2 絮凝剂配制水温过高

配制絮凝剂时,需打开脱盐水管道阀门30 min左右。 新疆地区冬季气温低,为了防冻需要,脱盐水管道设有0.5 MPa 蒸汽伴热。 冬季伴热设施投入使用后,管内不流动的脱盐水温度较高,通常脱盐水管道阀门刚打开时的水温在100 ℃左右,用此脱盐水配制的絮凝剂溶液絮凝效果差,将造成灰水浊度升高。

改进措施:配制絮凝剂溶液时,打开脱盐水管道阀门,当絮凝剂槽内液位漫过第二层桨叶时,打开搅拌器电源,再加入絮凝剂颗粒。

1.6.3 絮凝剂配制搅拌时间过长

配制聚丙烯酰胺絮凝剂溶液时,应注意提前将脱盐水加到位并打开搅拌器,将药品缓慢均匀地加入絮凝剂槽内,避免药品投加过快或搅拌不充分形成“鱼眼”。 由于聚丙烯酰胺絮凝剂正常溶解时间为0.5 ～2.0 h,现场操作人员常在配制絮凝剂溶液后忘记关闭絮凝剂槽搅拌器,导致絮凝剂搅拌时间过长。 长时间剧烈的机械剪切,会导致聚合物降解,影响使用效果。 因此,操作人员在絮凝剂完全溶解后,应及时关闭搅拌器。

2 结语

浊度是水煤浆气化装置灰水水质的重要控制指标,可直接影响灰水系统的结垢速率,进而影响气化系统的长周期稳定运行。 新疆心连心能源公司根据灰水浊度升高的原因,制定了相关的改进措施。 目前能够在灰水浊度升高后及时进行调整,减缓了灰水系统的结垢速率,消除了因塔盘结垢造成水洗塔、蒸发热水塔带水的情况,保证了灰水系统长周期稳定运行,同时减轻了现场操作人员清理灰垢的工作量,降低了高压冲洗的费用。