四噴嘴對置式水煤漿氣化灰水除硬產(chǎn)水回用分析

張蒙恩，曹真真，孟 雪，孫玉龍，朱止陽

(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 河南新鄉(xiāng) 453700)

氣化爐和灰水系統(tǒng)是整個氣化裝置的核心，灰水水質(zhì)影響著氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。水煤漿氣化灰水硬度高、堿度高，水質(zhì)成分復(fù)雜。目前對氣化灰水的除硬方法主要有藥劑法[1]、離子交換法、膜法、電絮凝法[2]等。部分航天爐廠家選擇灰水除硬產(chǎn)水返回氣化系統(tǒng)回用，以降低整個氣化系統(tǒng)的硬度，延長氣化系統(tǒng)運(yùn)行周期，但在四噴嘴對置式水煤漿工藝中對灰水的處理均為直接外排，因此針對水煤漿氣化灰水的循環(huán)利用亟待研究。

1 水煤漿氣化灰水除硬

河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司(簡稱心連心化工)四分公司2018年—2019年進(jìn)行了氣化灰水除硬改造研究，采用氫氧化鈉、碳酸鈉等藥劑去除灰水硬度，并將除硬灰水送污水終端處理。經(jīng)過一系列優(yōu)化和調(diào)整后實(shí)現(xiàn)了出水硬度小于500 mg/L，濁度小于10 NTU的預(yù)期目標(biāo)，具體氣化灰水除硬改造流程見圖1。

圖1 氣化灰水除硬改造流程

2 除硬產(chǎn)水pH回調(diào)

藥劑法灰水除硬工藝中除硬后灰水的pH通常在8.5～9.0，初始設(shè)計(jì)將除硬灰水送污水終端經(jīng)生化反應(yīng)后直接外排，終端生化反應(yīng)池要求進(jìn)水pH為7.0～8.0，故需加酸調(diào)節(jié)除硬產(chǎn)水的pH[3]，心連心化工選擇使用31%質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸調(diào)整除硬產(chǎn)水pH，鹽酸加入后，灰水氯離子質(zhì)量濃度達(dá)到400～500 mg/L(見表1)。

表1 氣化灰水除硬進(jìn)出水水質(zhì)分析

氣化灰水除硬產(chǎn)水的循環(huán)利用又分為污水終端回用和氣化系統(tǒng)回用，而灰水除硬工藝過程中的加酸方式、加酸類別和加酸量決定了除硬產(chǎn)水的循環(huán)利用方案。水煤漿氣化灰水除硬過程可能用到的酸包括鹽酸、硫酸、硝酸等無機(jī)酸和醋酸等有機(jī)酸。其中，硝酸和醋酸既不能污水終端回用，也不能氣化系統(tǒng)回用，硝酸會使氨氮含量升高，破壞灰水系統(tǒng)的氨平衡或加大生化污水池負(fù)荷，醋酸會使化學(xué)需氧量(COD)升高，外排后會加大生化污水池負(fù)荷。鹽酸和硫酸可采用污水終端回用方案，但是鹽酸會使氯離子含量升高，腐蝕不銹鋼設(shè)備和管道，硫酸的加入使硫酸根引入，在蒸發(fā)熱水塔等設(shè)備內(nèi)形成硫酸鈣硬垢，不易清洗。因此，在氣化灰水除硬產(chǎn)水的pH調(diào)節(jié)過程中不能加入硝酸或醋酸，加入鹽酸或硫酸時可選擇除硬產(chǎn)水污水終端回用。目前加入已知的各種酸，除硬產(chǎn)水均不能返回氣化系統(tǒng)回用，由于水煤漿氣化灰水系統(tǒng)pH要求為7.0～9.0，除硬產(chǎn)水不加酸時pH為8.5～9.0，滿足返回氣化系統(tǒng)回用的要求。

3 除硬產(chǎn)水污水終端回用

水煤漿氣化灰水除硬并加酸后，降溫送入污水反應(yīng)池，經(jīng)生化反應(yīng)后出水COD(質(zhì)量濃度)小于30 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度小于1 mg/L，硬度小于500 mg/L，可溶性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%，除硬產(chǎn)水的污水終端回用還需繼續(xù)降低COD和鹽含量。可選擇臭氧催化氧化降解化學(xué)需氧物后送中水回用處理，在中水回用過程中經(jīng)納濾、反滲透等作用最終補(bǔ)入氣化灰水系統(tǒng)或另作他用。

除硬產(chǎn)水的污水終端回用需要配套除化學(xué)需氧物裝置和污水零排放裝置，整體流程復(fù)雜、設(shè)備投資大、運(yùn)行成本高，而由于除硬產(chǎn)水不直接返回氣化灰水系統(tǒng)，不會對氣化系統(tǒng)造成任何不利影響，可保證氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。除硬產(chǎn)水的污水終端回用流程見圖2。

圖2 除硬產(chǎn)水的污水終端回用流程圖

4 除硬產(chǎn)水氣化系統(tǒng)回用

灰水除硬產(chǎn)水不加酸直接返回氣化系統(tǒng)回用，需要考慮鈉離子對氣化爐耐火磚的腐蝕[4]，灰水進(jìn)水鈉離子質(zhì)量濃度為250 mg/L，除硬產(chǎn)水鈉離子質(zhì)量濃度為800～950 mg/L，鈉離子返回氣化灰水系統(tǒng)后會在系統(tǒng)內(nèi)不斷累積。鈉離子作為堿金屬元素在高溫下(1 000 ℃以上)會和Cr2O3進(jìn)行反應(yīng)，而氣化爐內(nèi)襯耐火磚的主要成分為Cr2O3，堿金屬質(zhì)量濃度超標(biāo)(大于1 000 mg/L)容易造成耐火磚的腐蝕，縮短耐火磚使用壽命。

根據(jù)水煤漿氣化的灰水循環(huán)流程，只有進(jìn)入磨煤水槽參與煤漿制備的灰水才會進(jìn)入氣化爐燃燒室，水體積流量為20～30 m3/h,而其他灰水最多進(jìn)入氣化爐激冷室(250 ℃)，并不會在高溫區(qū)接觸并影響耐火磚的使用壽命。因此可通過調(diào)整氣化灰水循環(huán)流程，改變進(jìn)入磨煤水槽的灰水路徑，從而避免將高鈉離子含量灰水引入氣化爐燃燒室。

除硬產(chǎn)水返回氣化系統(tǒng)回用流程相對簡單，但除硬產(chǎn)水pH較原灰水pH稍高，隨著系統(tǒng)水質(zhì)的不斷置換，灰水系統(tǒng)硬度逐漸降低但pH必定上漲，pH大于9.0后會影響灰水分散劑的分散效果，故還需要控制除硬產(chǎn)水的循環(huán)量或系統(tǒng)外排水量，保證氣化灰水系統(tǒng)處于中性或弱堿性環(huán)境。改進(jìn)前后氣化灰水循環(huán)流程見圖3、圖4。

圖3 原氣化灰水循環(huán)流程

圖4 高鈉離子灰水不引入燃燒室的循環(huán)流程

5 結(jié)語

(1) 水煤漿氣化灰水除硬產(chǎn)水不加酸調(diào)整pH可選擇返回氣化灰水系統(tǒng)回用，加鹽酸或硫酸后均不能返回氣化灰水系統(tǒng)回用。

(2) 氣化灰水除硬產(chǎn)水加酸調(diào)整pH至7.0～8.0后可進(jìn)入污水終端處理回用，若考慮除硬產(chǎn)水的回用還需要配套除化學(xué)需氧物裝置和污水零排放裝置。

(3) 除硬產(chǎn)水返回氣化灰水系統(tǒng)回用時，可通過調(diào)整灰水循環(huán)流程，改善進(jìn)入磨煤水槽的灰水水質(zhì)，避免將鈉離子引入氣化爐燃燒室侵蝕高鉻磚。

(4) 除硬產(chǎn)水污水終端回用流程復(fù)雜、一次性設(shè)備投資大，若已配套相應(yīng)裝置可選擇此回用路徑；除硬產(chǎn)水氣化灰水系統(tǒng)回用流程相對簡單，選擇此路徑時應(yīng)注意耐火磚的使用情況和氣化灰水系統(tǒng)的pH變化。