水煤漿氣化灰水處理絮凝劑選型方法

張蓬勃 王保剛 馬 航 徐 林

陜西延長石油興化化工有限公司 陜西 興平 713100

1 概況

黑水除灰工藝一般采用絮凝沉降法，經(jīng)過降溫后的黑水加入絮凝劑，使細(xì)灰絮凝成團(tuán)，比重加大，在水中沉降分離出清澈的水。目前市場上的絮凝劑產(chǎn)品很多，可分為微生物絮凝劑、無機(jī)絮凝劑、有機(jī)高分子絮凝劑三大系列。

面對種類繁多的絮凝劑產(chǎn)品，一般由供貨廠家根據(jù)產(chǎn)品性質(zhì)推薦試用，絮凝效果好，繼續(xù)使用。絮凝效果不好，灰水含灰量較多，水質(zhì)渾濁發(fā)灰，更換產(chǎn)品繼續(xù)試用，直到達(dá)到理想效果。這種方法費(fèi)時、盲目，給用戶帶來很多麻煩。將黑水樣送至專業(yè)實驗室進(jìn)行絮凝劑型號篩選，黑水樣靜置時間過長，灰渣沉淀堆積，溫度過低，實驗前需加熱攪拌，費(fèi)時費(fèi)力且實驗效果不一定理想。介紹一種簡單，易操作，出結(jié)果快，在灰水處理生產(chǎn)裝置現(xiàn)場就可進(jìn)行的絮凝劑選型方法。

2 生產(chǎn)工藝流程

陜西延長石油興化化工有限公司大化工以煤為原料，采用西北化工研究院自主開發(fā)的多元料漿氣化技術(shù)，年生產(chǎn)合成氨30 萬t，甲醇30 萬t。生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

煤漿濃度為58%～60%的合格水煤漿由高壓煤漿泵加壓后與空分來的純氧（≥99.6%）經(jīng)工藝燒嘴一起噴入氣化爐內(nèi)，在1350～1400℃、6.5MPa(G)的工況下，在氣化爐的燃燒室煤漿進(jìn)行燃燒，與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成有效氣成分為CO+H2的粗合成氣。生成的粗合成氣、未轉(zhuǎn)化組分及部分液態(tài)熔渣一起并流順著氣化爐下降管進(jìn)入下部的激冷室。

粗合成氣通過激冷室的水浴直接進(jìn)行冷卻，熔渣激冷后破碎，大部分細(xì)灰留在水中。冷卻后的粗合成氣通過上升管上升到激冷室上部，經(jīng)上部折流板折流，將粗合成氣中的水分分離出來，再從氣化爐的合成氣出氣口引出。粗合成氣經(jīng)氣液分離器、文丘里洗滌器進(jìn)入洗滌塔除塵、降溫后送入下游工序。

灰水循環(huán)泵將洗滌塔下部的灰水送入黑水過濾器，過濾掉大顆?；以?，然后再進(jìn)入激冷環(huán)，變成激冷水，沿下降管內(nèi)壁形成一層水膜向下流入激冷室。大部分煤灰及殘?zhí)恳曰以问綇墓に嚉庵谐ィ衷?jīng)破渣機(jī)破碎后進(jìn)入鎖斗循環(huán)系統(tǒng)，通過撈渣機(jī)裝車外運(yùn)。

氣化爐激冷室底部的黑水和氣液分離器分離的黑水經(jīng)過節(jié)流減壓后進(jìn)入氣化高溫?zé)崴?，洗滌塔底部的黑水?jīng)過節(jié)流減壓后進(jìn)入洗滌高溫?zé)崴?。在氣化和洗滌高溫?zé)崴髦?，通過降低壓力使黑水閃蒸，一部分黑水閃蒸成為蒸汽與來自變換工序汽提塔的冷凝液在塔板上接觸進(jìn)行洗滌，洗掉閃蒸氣中夾帶的細(xì)灰，洗滌后的閃蒸氣進(jìn)入灰水加熱器與來自除氧水槽的灰水換熱，高閃氣冷卻降溫后，進(jìn)入高壓閃蒸分離器，分離出的冷凝液依靠壓差送至除氧水槽，分離出的高閃氣經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥送往變換汽提塔。

氣化高溫?zé)崴骱拖礈旄邷責(zé)崴鞯撞康暮谒?jīng)液位調(diào)節(jié)進(jìn)入低溫?zé)崴?，再次?jīng)過減壓、降溫后，閃蒸出的低壓氣體一部分作為熱源送往除氧水槽，另一部分經(jīng)過水冷器冷卻，凝液回收至灰水槽。

低溫?zé)崴鞯撞亢谒M(jìn)入真空閃蒸器，黑水在真空條件下進(jìn)一步閃蒸濃縮。含有細(xì)渣混合物的黑水經(jīng)澄清槽進(jìn)料泵送往澄清槽。閃蒸氣從真空閃蒸器頂部出來經(jīng)真空閃蒸冷凝器冷卻后，進(jìn)入真空閃蒸分離器，分離出的冷凝液經(jīng)真空凝液泵送往除氧水槽，分離出的閃蒸氣用真空泵抽走。來自真空閃蒸系統(tǒng)的黑水及細(xì)渣混合物由澄清槽進(jìn)料泵送入靜態(tài)混合器進(jìn)入澄清槽。在靜態(tài)混合器上游入口處加入絮凝劑，以加速澄清槽黑水中細(xì)渣的沉降分離。渣水經(jīng)澄清槽底料泵送往真空帶式過濾機(jī)進(jìn)行真空過濾，濾液在濾液槽中收集后，通過濾液泵送入澄清槽，濾餅裝車外運(yùn)。澄清后僅含有極少量細(xì)灰的灰水，由澄清槽頂部的溢流堰溢流進(jìn)入灰水槽，灰水經(jīng)低壓灰水泵返回系統(tǒng)循環(huán)使用。

3 絮凝劑的性能實驗

3.1 絮凝劑產(chǎn)品初選

查閱絮凝劑的相關(guān)資料，對各種絮凝劑的絮凝性能進(jìn)行了初步分析。以煤氣化灰水處理的黑水為研究對象，各煤氣化企業(yè)普遍使用聚丙烯酰胺絮凝劑，聚丙烯酰胺為白色粉末或者小顆粒狀物，化學(xué)式（C3H5NO）n，分子量1×104～2×107，密度為1.302g/ cm3（23℃），由丙烯酰胺單體經(jīng)自由基引發(fā)聚合而成的水溶性線型高分子聚合物，具有良好的絮凝性。根據(jù)供貨商提供的絮凝劑種類，以及系統(tǒng)工藝參數(shù)、設(shè)備材質(zhì)及結(jié)構(gòu)，初步選擇3850、4024、5005、5020、5116 五種型號的陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品作為試驗用絮凝劑。

3.2 絮凝性能評定方法

常用的絮凝劑性能評定方法主要是燒杯沉降試驗法。該方法實用、簡便，具有科學(xué)性、先進(jìn)性和可行性[1]。結(jié)合化工生產(chǎn)的實際條件和實驗設(shè)備的局限性，本實驗最優(yōu)的絮凝劑性能評定方法宜選擇燒杯沉降試驗法。

3.3 應(yīng)用范圍

只對煤氣化灰水處理的黑水在加入絮凝劑后絮團(tuán)沉降情況，上清液澄清度進(jìn)行評定，從而快速篩選出適合黑水特性的絮凝劑產(chǎn)品型號，而對其他性能不作研究。實際生產(chǎn)運(yùn)行中，黑水溫度在65～70℃，黑水的成分根據(jù)煤種和氣化爐運(yùn)行情況而變化，沉降時間受水量和澄清槽直徑限制，對此類影響絮凝效果的因素暫不考慮。

3.4 原理

根據(jù)試驗?zāi)康?，選定試驗用水，加入所要評定的絮凝劑，攪拌后靜置，取其上清液測定濁度值，以評定絮凝劑的絮凝沉降性能。

3.5 試驗用水

以煤氣化灰水處理的黑水為研究對象，尋求符合黑水特性的絮凝劑，以達(dá)到最優(yōu)的絮凝效果。因此，試驗用水選擇煤氣化灰水處理的黑水。

3.6 實驗儀器

燒杯100mL、200mL，玻璃棒，注射器1ml，移液管，濁度儀。

3.7 實驗貯備液

（1）絮凝劑溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%）：稱取五種待選絮凝劑各0.2g，取5 個燒杯各量取200ml 純凈水（純凈水比較方便取用，因此本實驗選擇純凈水作溶劑，也可以用去離子水，蒸餾水，脫鹽水），將稱量好的五種絮凝劑依次加入各燒杯，給對應(yīng)的燒杯依次編號3850、4024、5005、5020、5116 樣品，用玻璃棒順時針攪拌，直到絮凝劑完全溶解，備用。根據(jù)自己的需要可將配置好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的絮凝劑溶液分別裝入瓶子，依次編號3850、4024、5005、5020、5116 樣品，方便攜帶。

（2）黑水：用水桶在運(yùn)行系統(tǒng)的真空閃蒸器黑水出口管線導(dǎo)淋閥處取一桶黑水備用。

3.8 實驗步驟

實驗時絮凝劑的添加比例過小或過大，都會使實驗現(xiàn)象對比不明顯，影響實驗結(jié)果。為了使實驗現(xiàn)象對比明顯，便于觀察，本實驗將絮凝劑的添加比例定為1ppm。

（1）取5 個燒杯，分別量取100ml 的黑水（量取黑水前將桶內(nèi)黑水搖勻），依次編號3850、4024、5005、5020、5116 水樣，備用。

（2）用注射器分別吸取1mL3850、4024、5005、5020、5116 絮凝劑溶液樣品，快速依次注入相對應(yīng)的3850、4024、5005、5020、5116 水樣（注射器方便操作，節(jié)約加入絮凝劑的時間，也可以用移液管，盡量在最短時間內(nèi)將絮凝劑加入水樣）。

（3） 用玻璃棒順時針依次攪拌3850、4024、5005、5020、5116 水樣，5 個水樣的攪拌圈數(shù)要相同，在攪拌過程中能看到燒杯內(nèi)產(chǎn)生大量黑色絮團(tuán)，水樣漸漸變清澈（有條件的可以用多聯(lián)攪拌器攪拌）。

（4）觀察各水樣樣品的絮凝沉降效果。

（5）靜置10min，取3850、4024、5005、5020、5116 水樣上清液，測量濁度值。

3.9 試驗結(jié)果的評價

絮凝劑選型首要考慮加入絮凝劑后，水質(zhì)清澈，濁度低，且絮團(tuán)沉降時間短者最優(yōu)。

測量各水樣濁度值用濁度儀直接測量，插好濁度儀電源，打開開關(guān)，將取好的3850、4024、5005、5020、5116 水樣上清液依次裝入測量皿，再把測量皿放入濁度儀內(nèi)，蓋好蓋子，待屏幕顯示的數(shù)值穩(wěn)定時，記錄該水樣的濁度值，注意更換水樣時應(yīng)將測量皿沖洗干凈，以免影響測量結(jié)果。

4 結(jié)果和討論

3850、4024、5005、5020、5116 水樣加入對應(yīng)的絮凝劑攪拌均勻后，可直接觀察到黑水中的懸浮物絮凝成團(tuán)，緩慢沉降，黑水逐漸變清澈。

5005 水樣絮團(tuán)沉降時間最短，5116 水樣絮團(tuán)沉降時間最長。用移液管分別取3850、4024、5005、5020、5116 水樣上清液，經(jīng)濁度計測量其濁度值，結(jié)果見表1。

表1 3850、4024、5005、5020、5116 水樣濁度值

從表1 的測量結(jié)果可以看出4024 水樣濁度值最小，5005 水樣濁度值最大，說明4024 水樣加入對應(yīng)的絮凝劑后，比其他樣品的絮凝沉降效果好，水質(zhì)清澈。

5005 水樣加入對應(yīng)的絮凝劑后，絮團(tuán)沉降時間最短，但是水樣濁度最高，水質(zhì)渾濁，不可選。4024 水樣濁度值最低，且絮團(tuán)沉降時間只比5005 水樣慢2s，綜合考慮選擇4024 型號的絮凝劑產(chǎn)品。