碎煤加壓氣化污水深度處理與回用技術(shù)研究

牛國明，丁明公，劉金亮，黃海燕

（天脊煤化工集團股份有限公司，山西 長治 047507）

碎煤加壓氣化是世界上開發(fā)應(yīng)用較早的一種煤氣化技術(shù)，原來主要適合氣化年青煤種，生產(chǎn)城市煤氣。天脊煤化工集團股份有限公司（簡稱天脊集團）20世紀80年代從國外引進該技術(shù)并用于合成氨生產(chǎn)，在世界上尚屬首例。碎煤加壓氣化屬移動床氣化爐，生產(chǎn)過程中蒸汽和氧氣混合形成的氣化劑進入氣化爐，從下往上依次經(jīng)過灰層、燃燒層、氣化層、干餾層、干燥層，最后煤氣從爐體上部排出。

由于爐內(nèi)反應(yīng)溫度較低，造成爐內(nèi)蒸汽分解率低，加之反應(yīng)后的煤氣經(jīng)過上部干餾、干燥區(qū)，出口煤氣中除夾帶煤粉外，還含有焦油、輕油、酚類、氨、有機物等大量干餾產(chǎn)物，造成煤氣化過程中產(chǎn)生的污水量大、污染物濃度高、成分復(fù)雜、可生化性差，很難處理，是國內(nèi)外公認的技術(shù)難題，不僅對天脊集團的正常生產(chǎn)造成了嚴重影響，也大大制約了碎煤加壓氣化技術(shù)在煤化工領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

為此，天脊集團于2005年開始，分步組織開展了碎煤加壓氣化污水深度處理與回用技術(shù)的研究，提出了“物化處理+生化處理+深度處理”的處理工藝，并進行了十余年的技術(shù)應(yīng)用實踐，從而有效地實現(xiàn)了煤氣化污水的深度處理與回用，對選擇碎煤加壓氣化技術(shù)新建或改、擴建煤化工項目的企業(yè)都具有一定的借鑒作用。

1 原碎煤加壓氣化煤氣水處理工藝及存在問題

原引進碎煤加壓氣化煤氣水處理工藝流程示意圖見圖1。來自煤制氣、粗煤氣變換和粗煤氣冷卻的高壓煤氣水經(jīng)冷卻后，進入膨脹器/焦油分離器，解析氣自膨脹器頂部排出，焦油從焦油分離器底部排出，煤氣水進入煤氣水貯槽。一部分煤氣水用高壓煤氣水泵加壓，分別回用于制氣和粗煤氣冷卻、粗煤氣變換工序；另一部分用低壓煤氣水泵送到輕油分離器，分離出的輕油作為副產(chǎn)品回收。輕油分離器分離出的煤氣水經(jīng)煤氣水泵送至活性炭脫酚/氨回收裝置，該工段包括雙介質(zhì)過濾器、脫酸氣體塔、酸氣洗滌塔、總解析塔、氨解析塔、氨精制塔、活性炭吸附器及焚燒爐等一系列裝置，將煤氣水中的酸性氣體、酚、氨脫除，并回收氨，最后煤氣水被送至生化裝置處理后外排。

實際運行中，該煤氣水處理工藝存在的主要問題：

（1）煤氣水中的焦油、粉塵分離不徹底，經(jīng)常使裝置設(shè)備、管道發(fā)生堵塞，無法長周期運行；

（2）煤氣水回用洗滌煤氣流程設(shè)計簡單粗放，洗滌效果差，造成后續(xù)煤氣變換及冷卻裝置設(shè)備、管道頻繁堵塞，影響裝置高負荷連續(xù)穩(wěn)定運行；

（3）煤氣水中輕油分離回收工藝條件不合理，加之油乳化現(xiàn)象嚴重，輕油分離回收困難；

（4）原設(shè)計活性炭脫酚/氨回收裝置在實際運行中由于煤種變化，導(dǎo)致廢水中酚含量低，氨濃度不穩(wěn)定，原裝置無法正常運行，被迫停運，造成進后續(xù)生化處理裝置污水N-NH3含量嚴重超標；

（5）原生化處理裝置能力小，排放的污水指標時有超標，無法實現(xiàn)達標排放。

2 新煤氣化污水深度處理及回用工藝流程

2.1 碎煤加壓氣化煤氣水深度處理與回用的難點

碎煤加壓氣化煤氣水要實現(xiàn)深度處理與回用，需要解決以下問題：如何提高煤氣水中焦油、粉塵的分離效果；如何提高煤氣水回用洗滌煤氣的效果，減少后續(xù)裝置設(shè)備管道的堵塞；如何回收煤氣水中的氨，降低其N-NH3含量，滿足后續(xù)生化工藝要求；如何減少初級煤氣水中油類及懸浮物，提高裝置的過水能力；如何解決生化裝置處理能力小、不能達標排放，特別是生化處理后出水達不到鍋爐用脫鹽水指標、不能實現(xiàn)有效回用等。

2.2 新煤氣水深度處理與回用工藝流程選擇及應(yīng)用

考慮原煤氣水處理工藝存在問題，結(jié)合深度處理與回用的目標，天脊集團開發(fā)了“物化處理+生化處理+深度處理”組合工藝[1]，設(shè)計了“閃蒸分離、輕油分離、氣浮過濾、中壓汽提、一級好氧生化、MBR膜生化、反滲透+陰陽床+混床離子交換”綜合處理工藝流程，新的煤氣水深度處理與回用工藝流程示意圖見圖2。

圖2 新的煤氣水深度處理與回用工藝流程示意圖

2.2.1 對焦油、煤粉進行二次沉降：在原一級沉降分離的基礎(chǔ)上，串聯(lián)焦油二級分離器（閃蒸/分離），使煤氣水的停留沉降時間延長，提高了溶解可燃氣的釋放、煤粉及焦油的分離效果（得到初級煤氣水）。

2.2.2 增設(shè)含油煤氣水閃蒸槽，進一步釋放壓力，提高了溶解工藝氣閃蒸及油、水分離效果，不僅使輕油的回收率大大提高，也有效地緩解了后續(xù)生化處理裝置的壓力。

2.2.3 增加部分回流式加壓溶氣氣浮裝置，使冷卻至常溫的初級煤氣水在氣浮裝置進一步去除乳化油和懸浮物，使煤氣水中的油質(zhì)量濃度從600 mg/L降到80 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度從300 mg/L降到50 mg/L（得到一級煤氣水）。

2.2.4 經(jīng)氣浮處理的煤氣水進雙介質(zhì)過濾裝置進行二級處理，使煤氣水中的油質(zhì)量濃度降到＜20 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度降到＜30 mg/L，不但減輕了過濾裝置的堵塞，而且實現(xiàn)了裝置連續(xù)運行（得到二級煤氣水）。

2.2.5 經(jīng)過濾后的二級煤氣水加壓送至煤氣水汽提塔，以中壓蒸汽作為汽提劑對煤氣水進行汽提，汽提出的含氨飽和蒸汽作為氣化劑的補充送入氣化爐，氨在氣化爐燃燒區(qū)高溫分解，轉(zhuǎn)化為N2，蒸汽進入還原區(qū)參與煤氣化反應(yīng)，實現(xiàn)二次利用，達到了污染治理與節(jié)能降耗的雙重目的，汽提后的煤氣水中N-NH3質(zhì)量濃度＜100 mg/L，滿足后續(xù)生化處理條件（得到終級煤氣水）。

為論證汽提氣作為氣化劑的補充對氣化反應(yīng)的影響，天脊集團聯(lián)合有關(guān)高校進行了相關(guān)研究，主要包括：（1）對煤制氣平衡組成變化的影響以及對反應(yīng)平衡的影響；（2）對反應(yīng)速率的影響；（3）汽提氣作氣化劑的爆炸危險問題。

最終研究結(jié)論：將煤氣水汽提氣用作氣化爐的氣化劑，工藝技術(shù)是可行的，其工藝技術(shù)及裝備經(jīng)精心設(shè)計，能夠保證安全生產(chǎn)。

2.2.6 對碎煤加壓氣化煤氣水處理及回用流程進行升級改造，在分步處理的同時，對煤氣水進行分級回用：即用最潔凈的煤氣水（終級煤氣水）來洗滌粗煤氣冷卻工段的變換氣，用含氨煤氣水（二級煤氣水）來洗滌濕煤氣，用洗滌了濕煤氣的煤氣水來洗滌粗煤氣，構(gòu)成了“凈水洗滌凈氣、臟水洗滌臟氣”的煤氣水逆流循環(huán)利用工藝（改造后的廢水逆流循環(huán)洗滌煤氣流程示意圖見圖3），提高了氣化爐出口及后續(xù)變換、冷卻系統(tǒng)煤氣洗滌效果，也提高了煤氣水的重復(fù)利用率。

2.2.7 在原一級生化裝置增加一個1 000 m3的調(diào)節(jié)池，并配有曝氣管，起到水質(zhì)混勻調(diào)節(jié)作用；增加煤氣水冷卻降溫系統(tǒng)和污泥回流系統(tǒng)，提高生化處理效果。經(jīng)中壓汽提后的終級煤氣水送一級生化裝置，同生活污水、甲醇再生污水及合成氨地坪水混合，一起進行生化處理，其出水COD質(zhì)量濃度＜200 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度＜60 mg/L。

圖3 改造后的廢水逆流循環(huán)洗滌煤氣流程示意圖

2.2.8 新增MBR膜生化、RO反滲透和離子交換工藝裝置，將一級生化處理后的煤氣水及其他生產(chǎn)、生活污水進一步深度處理后，作為鍋爐給水，實現(xiàn)回用。

考慮MBR膜生化裝置的進水特點及出水水質(zhì)要求（見表1），開發(fā)了預(yù)處理+膜處理+后處理工藝流程[2]，完整的流程為：淺層氣浮+水解酸化+A/O+MBR膜生化+臭氧氧化+活性炭過濾。

表1 MBR膜生化裝置進水水質(zhì)及出水指標要求

為了將MBR膜生化出水進一步深度處理，并作為鍋爐給水回用于生產(chǎn)，又開發(fā)了RO反滲透工藝，同時決定新建1套日處理生化出水12 000 t，日產(chǎn)脫鹽水11 040 t的純水裝置。

鑒于MBR膜生化出水水質(zhì)較新鮮水水質(zhì)復(fù)雜、又含有其他污染物，RO反滲透處理裝置的預(yù)處理工藝分三級處理，即：多介質(zhì)過濾、自清洗過濾、超濾；同時為滿足處理后水質(zhì)達到高壓鍋爐用水指標的要求，在反滲透處理基礎(chǔ)上，再增加陰陽床加混床離子交換后處理工藝。

3 實施后效果

項目實施后，煤氣水焦油分離、輕油分離、氣浮過濾、中壓汽提、一級好氧生化等裝置運行穩(wěn)定，氣浮裝置懸浮物去除率92.13%、COD去除率11.40%；雙介質(zhì)過濾器懸浮物去除率36.36%、COD去除率11.44%；中壓汽提COD去除率79.53%、氨氮去除率97.36%；一級好氧生化裝置出口污水中N-NH3質(zhì)量濃度46.63 mg/L、COD質(zhì)量濃度119.42 mg/L，滿足MBR膜生化裝置進水指標要求。

MBR膜出水水質(zhì)見表2，超濾+反滲透+離子交換裝置出水水質(zhì)見表3。由表2、表3可知，新建MBR生化處理和RO反滲透+陰陽床+混床離子交換深度處理裝置投運后，COD、氨氮、總磷、油類等污染物指標達到了回用水質(zhì)要求。

表2 MBR膜出水水質(zhì)

表3 超濾+反滲透+離子交換裝置出水水質(zhì)

4 結(jié) 語

天脊集團針對碎煤加壓氣化污水污染物濃度高、成分復(fù)雜、可生化性差的特殊性，提出了實現(xiàn)深度處理及有效回用的技術(shù)方案并應(yīng)用于實際生產(chǎn)，較好地解決了制約碎煤加壓氣化技術(shù)在我國傳統(tǒng)及現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題，生態(tài)環(huán)境效益顯著，對選擇碎煤加壓氣化技術(shù)新建或改、擴建煤化工項目的企業(yè)都具有借鑒作用。