多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置灰水濁度的控制

魏 靜, 茹祥會, 王權(quán)己, 馬行空

(新疆心連心能源化工有限公司 新疆昌吉 832205)

新疆心連心能源化工有限公司(以下簡稱新疆心連心能源公司)氣化裝置采用華東理工大學的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化工藝,共2 套氣化爐系統(tǒng)(1 開1 備)。 氣化裝置中的氣化爐、水洗塔、旋風分離器產(chǎn)生的黑水依次經(jīng)蒸發(fā)熱水塔(0.8 MPa)、低壓閃蒸罐(0.2 MPa)、真空閃蒸罐(-0.056 MPa)三級閃蒸濃縮后,黑水溫度降至80 ℃左右,然后通過靜態(tài)混合器與絮凝劑混合后進入澄清槽。 黑水經(jīng)沉降去除大量懸浮固體后,澄清槽上部較為干凈的灰水溢流進入灰水槽,灰水循環(huán)返回氣化系統(tǒng)使用,灰水循環(huán)量為250 t/h左右。 灰水水質(zhì)監(jiān)控指標中濁度表征的是灰水的清亮程度,濁度越低,一般灰水中的懸浮物越少,灰水系統(tǒng)懸浮物沉積壓力也越小,管道及設(shè)備的結(jié)垢速率越低。 由于藥劑選用、煤質(zhì)、外部廢水等原因引起的灰水濁度不穩(wěn)定,容易產(chǎn)生灰水管道結(jié)垢、蒸發(fā)熱水塔和水洗塔塔盤積灰等問題,造成水洗塔和蒸發(fā)熱水塔帶水,因進口濾網(wǎng)堵塞造成高溫熱水泵打量不足[1]。 為管控好灰水水質(zhì),減少氣化系統(tǒng)因結(jié)垢與污堵原因出現(xiàn)的非計劃停車,現(xiàn)場要求灰水濁度指標控制在小于30 NTU。

1 灰水濁度異常升高原因及處理措施

1.1 絮凝劑型號不匹配

新疆心連心能源公司氣化裝置在黑水處理過程中使用的絮凝劑為有機高分子絮凝劑,其主要成分為陽離子型聚丙烯酰胺。 聚丙烯酰胺是一種線型水溶性高分子,其主要與水中懸浮物通過電中和、架橋和纏繞形成絮團,具有用量少、絮凝效果好、絮凝沉降速率快、適用范圍廣等優(yōu)點[2]。

灰水藥劑供應商提供的絮凝劑往往有多個型號,需要根據(jù)實際黑水情況進行小試,選取匹配的絮凝劑型號。 新疆心連心能源公司從2019 年開始使用某企業(yè)供應的絮凝劑,共有7 個型號。 試用初期,根據(jù)實驗室試驗結(jié)果,選取了適用范圍較廣的2 號絮凝劑,灰水濁度可穩(wěn)定控制在20 NTU左右。 2020—2021 年,受疫情影響,煤礦采礦率低,氣化爐入爐煤的煤種平均每年更換15 次以上,換煤后常出現(xiàn)灰水濁度升高的情況。 分析原因后認為是煤質(zhì)不同,灰組成不同,黑水成分偏差較大,單一型號絮凝劑不能滿足絮凝沉降要求。因氣化煤質(zhì)變化導致絮凝劑絮凝效果變差、灰水濁度升高,需及時匹配合適的絮凝劑及用量,具體改進措施如下:

(1)氣化爐入爐煤更換的第二天,待黑水成分穩(wěn)定后取真空閃蒸罐底部的水樣,在實驗室對不同型號的絮凝劑進行匹配試驗,根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整絮凝劑型號及用量;

(2)建立摻燒煤種-絮凝劑型號數(shù)據(jù)庫,根據(jù)煤種及時調(diào)整絮凝劑型號及用量,避免因煤質(zhì)變化對水質(zhì)的影響。

1.2 分散劑型號及添加量的影響

2020 年初,為降低外排水中磷的含量,新疆心連心能源公司對灰水分散劑型號進行調(diào)整,將KH500 型低磷分散劑調(diào)整為KH600 型微磷分散劑,灰水濁度由10 NTU 升至20 NTU。 為明確灰水濁度升高的原因,2020 年1 月3 日和4 日分別取澄清槽和灰水槽的水樣進行濁度比對,澄清槽水樣濁度為15 NTU 左右,灰水槽水樣濁度為20 ～35 NTU,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 澄清槽和灰水槽的水樣濁度比對結(jié)果

黑水處理過程中添加了絮凝劑和分散劑,在澄清槽頂部取樣口處加入絮凝劑進行絮凝沉降,沉降后的澄清槽上清液進入灰水槽,在澄清槽與灰水槽溢流管處投加分散劑起阻垢、分散的作用?；宜蹆?nèi)接收的各路水均為濁度較低的凝液,不會使澄清槽溢流過來的水濁度升高,因此,澄清槽與灰水槽水樣存在的濁度偏差是由分散劑引起的。 為確認分散劑對水樣濁度的影響,取澄清槽上部溢流口處的清液,分別加入KH500 型、KH600 型分散劑80、100 mg/m3,在80 ℃恒溫6 h后測定清液的濁度,結(jié)果見表2。

表2 分散劑對澄清槽溢流清液濁度的影響

由表2 可知:加入分散劑會使澄清槽溢流清液的濁度升高,分散劑的加入量越大,濁度越高;在相同加藥量下,KH600 型分散劑對灰水濁度的影響比KH500 型的大。 為了使外排水中的磷含量達標,必須改用KH600 型微磷分散劑。 為保障分散劑更換后的阻垢效果,因濁度在指標范圍內(nèi),故暫不調(diào)整分散劑的用量。

1.3 分析儀器的影響

2020 年12 月27 日,灰水濁度由10 NTU 升至20 NTU 左右。 檢查中心化驗室的分析記錄,氣化灰水與水汽循環(huán)水的濁度數(shù)據(jù)在27 日均升高較多,具體見表3。

表3 中心化驗室濁度分析記錄

不同崗位水的濁度均在同一時間出現(xiàn)升高的情況,且3 個循環(huán)水水池循環(huán)量為15 000 m3/h左右,在短時間內(nèi)濁度不可能同時上漲幾倍,因此懷疑中心化驗室的分析結(jié)果出現(xiàn)偏差。 經(jīng)調(diào)查詢問得知,2020 年12 月25 日左右,中心化驗室水質(zhì)分析室的AQ4500 型便攜式濁度儀出現(xiàn)故障,灰水及循環(huán)水濁度分析改用三聚氰胺分析室的2100AN 型濁度分析儀。 為確定各濁度儀測量結(jié)果的偏差,當天白班取氣化裝置的灰水,用不同型號的濁度儀進行測量,結(jié)果脫鹽水崗位濁度儀測得的濁度為6.9 NTU,中水回用崗位濁度儀測得的濁度為15 NTU,三聚氰胺分析室濁度儀測得的濁度為24 NTU,同一水樣采用不同型號分析儀測得的結(jié)果偏差較大。 結(jié)合中心化驗室對三聚氰胺分析室濁度儀的標定結(jié)果(濁度為10 NTU 的標準溶液測量值為11 NTU,濁度為100 NTU 的標準溶液測量值為155 NTU),可以確定更換濁度儀是造成灰水濁度“升高”的主要原因。

改進措施:使用固定的濁度儀,并定期對儀器進行標定。

1.4 外來水水質(zhì)波動的影響

水煤漿氣化裝置接收并處理廠區(qū)各個崗位送來的廢水,如三聚氰胺廢液、低溫變換凝液、低溫甲醇洗廢液、事故池水等。 各路廢水成分復雜,其中存在很多影響絮凝效果的物質(zhì)。 2020 年新疆心連心能源公司新建甲醇項目開車,曾向澄清槽送甲醇廢液,其間灰水水質(zhì)出現(xiàn)異常,主要表現(xiàn)為灰水pH 由正常的8.2 左右降至5.6 左右,濁度持續(xù)上升至60 NTU 左右。 后將甲醇廢液去除,灰水水質(zhì)恢復正常。 另外,三聚氰胺廢液、低溫變換凝液、低溫甲醇洗廢液等3 路廢水設(shè)計去氣化澄清槽和磨煤水槽,但因這3 路廢水濁度較低,故將去磨煤水槽的管道閥門關(guān)閉,廢水全部送入氣化澄清槽,結(jié)果造成冬季灰水濁度大幅波動。

為考察廢水中各成分對絮凝劑絮凝效果的影響,在實驗室進行了試驗。 2019 年12 月10 日,取2 杯500 mL 黑水,向其中一杯加入1 mL 質(zhì)量分數(shù)為0.25%的氨水后,再加入絮凝劑,濁度為98.6 NTU;向另一杯中直接加入絮凝劑,濁度為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 質(zhì)量分數(shù)為99.9%的甲醇后,再加入絮凝劑,濁度為58.1 NTU;向另一杯中直接加入絮凝劑,濁度為28.7 NTU。 由試驗結(jié)果可知,氨水和甲醇均會破壞絮凝劑的絮凝效果。

因冬季蒸汽緊張,減少了三聚氰胺裝置中汽提塔的汽提蒸汽量,三聚氰胺廢水中的氨含量大幅波動;低溫變換凝液中的氨氮含量同樣受汽提塔汽提溫度的影響,而低溫甲醇洗廢水屬于高氨氮、高pH 廢水。 為避免各路外來廢水對絮凝劑絮凝效果的影響,外來廢水不再直接送入澄清槽,全部改送至磨煤水槽制備水煤漿。

1.5 工藝波動的影響

1.5.1 系統(tǒng)切換撈渣機的影響

2021 年10 月,系統(tǒng)大修開車后灰水濁度穩(wěn)定在20 NTU 左右。 10 月19 日,夜班灰水濁度突然升至42.3 NTU,此后繼續(xù)升高,最高至62.2 NTU。氣化車間立即將絮凝劑用量由4 mg/m3增至5 mg/m3,灰水濁度由60 NTU 降至40 NTU 左右。經(jīng)分析,造成灰水濁度上升的原因是10 月18 日A 系統(tǒng)撈渣機故障切換為B 撈渣機運行,B 撈渣機中的黑水由B 真空閃蒸罐底部直接進入澄清槽,這部分黑水沒有經(jīng)過絮凝沉降,造成灰水濁度升高。 隨后現(xiàn)場將B 系統(tǒng)靜態(tài)混合器絮凝劑閥門打開,灰水濁度在30 ～50 NTU 波動,并未恢復到20 NTU 左右。 直至11 月3 日,A 撈渣機檢修完成后,切換為A 撈渣機運行,灰水濁度恢復至20 NTU左右。 因此,裝置運行過程需要保證工藝穩(wěn)定,任何一個調(diào)整都可能給系統(tǒng)帶來影響。

改進措施:運行過程中保證系統(tǒng)穩(wěn)定,工藝介質(zhì)按設(shè)計流程及負荷投運。

1.5.2 真空閃蒸罐負壓波動

由于聚丙烯酰胺對溫度有一定的要求,通常水溫不得高于80 ℃,水溫過高會造成聚丙烯酰胺失效。 真空閃蒸罐控制負壓為0.056 MPa,對應黑水溫度為80 ℃。 由于黑水閃蒸氣中含有灰分,曾多次出現(xiàn)因灰分引起真空閃蒸罐負壓表引壓管堵塞,壓力顯示不準,造成控制真空閃蒸罐負壓的自調(diào)閥開度持續(xù)開大,實際真空度降低;也曾出現(xiàn)因蒸汽噴射器堵塞,造成真空閃蒸罐負壓波動,從真空閃蒸罐送至靜態(tài)混合器的水溫偏高,造成絮凝效果變差,灰水濁度升高。

改進措施:定期清理負壓表及蒸汽噴射器,蒸汽噴射器發(fā)生故障時應及時啟動真空泵。

1.6 其他因素的影響

1.6.1 收集池水質(zhì)差

2019 年4 月,氣化灰水濁度波動較大,現(xiàn)場取樣觀測灰水水質(zhì)發(fā)黑,水樣靜置30 min 后底部有黑色沉淀。 經(jīng)排查發(fā)現(xiàn),濁度波動與現(xiàn)場啟動收集池泵有關(guān),啟動收集池泵往澄清槽內(nèi)送水后,灰水濁度升高;若不啟動收集池泵,則灰水濁度穩(wěn)定。 現(xiàn)場調(diào)查后發(fā)現(xiàn),磨煤工段地溝與氣化工段地溝相連,磨煤二級篩淌漿造成地溝滿液,由于氣化工段與磨煤工段地溝之間的擋板較低,煤漿漫過擋板倒至氣化工段收集池,然后通過收集池泵打入澄清槽,大量煤漿瞬間進入澄清槽,絮凝劑無法將其全部絮凝沉降,部分煤漿便進入灰水槽。

改進措施:將磨煤工段與氣化工段之間的擋板加高,定期清理磨煤工段地溝與氣化工段收集池。

1.6.2 絮凝劑配制水溫過高

配制絮凝劑時,需打開脫鹽水管道閥門30 min左右。 新疆地區(qū)冬季氣溫低,為了防凍需要,脫鹽水管道設(shè)有0.5 MPa 蒸汽伴熱。 冬季伴熱設(shè)施投入使用后,管內(nèi)不流動的脫鹽水溫度較高,通常脫鹽水管道閥門剛打開時的水溫在100 ℃左右,用此脫鹽水配制的絮凝劑溶液絮凝效果差,將造成灰水濁度升高。

改進措施:配制絮凝劑溶液時,打開脫鹽水管道閥門,當絮凝劑槽內(nèi)液位漫過第二層槳葉時,打開攪拌器電源,再加入絮凝劑顆粒。

1.6.3 絮凝劑配制攪拌時間過長

配制聚丙烯酰胺絮凝劑溶液時,應注意提前將脫鹽水加到位并打開攪拌器,將藥品緩慢均勻地加入絮凝劑槽內(nèi),避免藥品投加過快或攪拌不充分形成“魚眼”。 由于聚丙烯酰胺絮凝劑正常溶解時間為0.5 ～2.0 h,現(xiàn)場操作人員常在配制絮凝劑溶液后忘記關(guān)閉絮凝劑槽攪拌器,導致絮凝劑攪拌時間過長。 長時間劇烈的機械剪切,會導致聚合物降解,影響使用效果。 因此,操作人員在絮凝劑完全溶解后,應及時關(guān)閉攪拌器。

2 結(jié)語

濁度是水煤漿氣化裝置灰水水質(zhì)的重要控制指標,可直接影響灰水系統(tǒng)的結(jié)垢速率,進而影響氣化系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行。 新疆心連心能源公司根據(jù)灰水濁度升高的原因,制定了相關(guān)的改進措施。 目前能夠在灰水濁度升高后及時進行調(diào)整,減緩了灰水系統(tǒng)的結(jié)垢速率,消除了因塔盤結(jié)垢造成水洗塔、蒸發(fā)熱水塔帶水的情況,保證了灰水系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行,同時減輕了現(xiàn)場操作人員清理灰垢的工作量,降低了高壓沖洗的費用。