某煤氣化裝置采用GE水煤漿氣化工藝，產(chǎn)生的灰水中氨氮含量在380mg/L左右。為減輕下游污水處理裝置處理負荷，設(shè)計了一套污水預(yù)處理單元，用于處理來自水煤漿氣化來的含氨氮灰水(處理量約為灰水總量的35%左右)。該部分灰水經(jīng)煤氣化污水預(yù)處理裝置后(處理后灰水中氨氮含量在150mg/L左右)，再與未處理的約65%灰水總量混合?；旌虾蠡宜邪钡恳罂刂圃?00mg/L以內(nèi)，以滿足下游污水處理裝置生化需求。該污水預(yù)處理裝置于2017年投產(chǎn)運行。期間，為降低運行費用和檢維修費用，優(yōu)化了裝置運行模式，由原來設(shè)計的2個系列同時運行改為1個系列運行，另一個系列備用。這就對污水預(yù)處理裝置運行提出了更高要求。在實際運行過程中，裝置出水溫度及氨氮指標(biāo)波動較大，運行周期在35天左右，造成檢修強度高并對下游污水處理裝置構(gòu)成運行壓力。為此，通過研究裝置運行機理，對存在的問題進行分析，找出引起灰水外排氨氮不穩(wěn)定的原因，并采取相應(yīng)的優(yōu)化控制措施。
一、流程及原理
1.1 污水沉降
某煤氣化污水預(yù)處理單元由沉淀、汽提和冷卻等三個工序組成。沉淀工序主要是用來降低煤氣化來灰水中的懸浮物及鈣鎂離子，以減緩汽提過程塔板的結(jié)垢。沉淀工序的主要設(shè)備為斜板沉降池。如圖1。
在微溶電解質(zhì)溶液中，有關(guān)離子濃度摹之乘積稱為離子積。對于微溶電解質(zhì)AnBm來說，溶液中[A]n[B]m稱為它的離子積。
對于微溶電解質(zhì)物質(zhì)AnBm來說，溶液中C(A)C(B)稱為它的溶度積，用符號Ksp表示。C(A)、C(B)分別為A離子和B離子的摩爾濃度。
根據(jù)沉淀的溶解和生成原理，按照溶度積Ksp規(guī)則，當(dāng)溶液中離子積[A]n[B]m<溶度積Ksp時，是未飽和溶液，如果溶液中有固體存在，將繼續(xù)溶解，直至飽和為止;當(dāng)溶液中離子積[A]n[B]m=溶度積Ksp時，是飽和溶液，達到動態(tài)平衡;當(dāng)溶液中離子積[A]n[B]m>溶度積Ksp時，將會有AnBm沉淀析出，直至成為飽和溶液。例如，灰水中微溶電解質(zhì)Mg(OH)2的溶度積Ksp=[Mg2+][OH-]，在常溫下約為1.8X10-11?；宜形⑷茈娊赓|(zhì)Mg(OH)2的離子積為[Mg2+][OH-]2。
綜合以上溶度積規(guī)則，為了使灰水中鈣鎂離子化合物濃度下降，必須通過控制OH--離子濃度，使得微溶電解質(zhì)溶液中離子積[Mg2+][OH-]2大于溶度積常數(shù)Ksp(即[Mg2+][OH-]2>1.8X10")，就會有沉淀生成，進而降低進汽提塔等設(shè)備管線中灰水的硬度。
1.2 氨根離子轉(zhuǎn)氨水化合物
沉淀工序另外一個重要作用就是將氣化裝置來污水在斜板沉降池攪拌池混凝攪拌器及絮凝攪拌器的攪拌作用下，與濃度為20%的氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)。
灰水中NH4+和OH-是不能共存的。NH4+與OH-形成的化合物是一水合氨NH3•H2O。
生成的一水合氨是弱電解質(zhì)，因此NH4+與OH-比有二者結(jié)合生成NH3•H2O的趨向。生產(chǎn)NH3•H2O越多，經(jīng)汽提塔處理后越有利于灰水中氨氮濃度的下降。
1.3 污水汽提
經(jīng)斜板沉降池沉降和反應(yīng)后，灰水由提升泵升壓后，經(jīng)二級噴射器與閃蒸汽混合加熱到80°C后，進入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔出水經(jīng)一級噴射給料泵提升后，進入一級噴射器與閃蒸汽混合混合加熱到110°C后，進入二級閃蒸塔。二級閃蒸塔出水經(jīng)汽提塔給料泵提壓后從汽提塔中部的廢水進口分布器進入。
低壓蒸汽從汽提塔底部進入。汽提塔提憾段采用抗堵塔內(nèi)件，精憾段采用散堆填料。塔頂設(shè)置氨水冷凝器和水冷器。
夾帶一水合氨(NH3•H2O)的灰水進入汽提塔。在汽提塔中，利用低壓蒸汽對灰水進行加熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，方程式如下：
反應(yīng)過程產(chǎn)生氨氣實際上是加熱破壞了NH3•H2O而使NH3逸出。汽提塔通過回流液收集逸出的氨氣形成氨水，再通過收集氨水至回流罐，一部分作為副產(chǎn)品外送，一部分作為塔頂回流液返回汽提塔。
1.4 污水冷卻
污水經(jīng)汽提后，流經(jīng)污水空冷器，通過對空冷器管束強制通風(fēng)冷卻，污水溫度得以下降;該股污水再經(jīng)污水冷卻換熱器冷卻至40°C以內(nèi)，外送下游污水處理裝置。
二、沉降優(yōu)化
2.1提升沉降時間增強絮凝沉降效果
運用沉降原理來解決凈水問題為人們所熟知。絮凝沉降是礦業(yè)和煤化工等領(lǐng)域進行固液分離的重要技術(shù)之一。沉降工藝是指在重力作用下懸浮固體在水中的分離過程，即固相物質(zhì)在液相中的遷移。通過對氣化裝置來灰水取樣分析，分別記錄垂直沉降1min、3min、5min、7min后的上層清液體積。清水分離率與垂直沉降時間的關(guān)系如圖2。在1~5min內(nèi)清水分離率變化明顯，隨著時間的推移，清水分離率變化漸漸變緩慢。
通過垂直沉降實驗，有效沉降時間是制約清水分離率的關(guān)鍵因素。所以，提升有效沉降時間是解決灰水沉降的有效手段。
通過清理斜板沉降池內(nèi)的淤泥，增加斜板沉降池的體積來提升灰水在斜板沉降池內(nèi)的停留時間，從而達到“空間換時間”的目的，延長有效沉降時間，灰水沉降效果明顯。清理斜板沉降池后，灰水絮凝沉降效果在汽提塔運行效果中得以顯現(xiàn)，汽提塔壓差明顯趨于平穩(wěn)。
2.2 提升堿度降低灰水硬度
根據(jù)污水在斜板沉降池的設(shè)計原理，要使灰水中析出沉淀或要使沉淀更完全，就必須創(chuàng)造強堿性條件，使其離子積大于溶度積，灰水中鈣鎂離子在斜板沉降池以沉淀的形式沉積，汽提塔塔盤堵塞速率下降，進而延長污水預(yù)處理裝置的運行周期。
在污水預(yù)處理裝置運行實踐中，我們改變加入斜板沉降池內(nèi)的堿量，并收集了經(jīng)斜板沉降池后灰水中硬度指標(biāo)。設(shè)定兩個時間段，1月9日~1月12日為一個時間段(T1)，2月9日~2月12日為一個時間段(T 2)。每日取3個時間點的灰水硬度值。時間段T1的平均硬度在460以上，實踐段T2的平均硬度在200以下。
通過實踐表明，在微溶電解質(zhì)溶液中，加入含有同離子的強電解質(zhì)NaOH時，微溶電解質(zhì)多相平衡將向沉淀的方向移動，降低了灰水中的硬度(圖3)。
根據(jù)裝置運行數(shù)據(jù)，隨著斜板沉降池岀口灰水硬度的下降，出口灰水中氨氮指標(biāo)在同步下降(圖4)。
2.3 提升堿度提高氨根離子轉(zhuǎn)化率
通過研究NH4+與OH-生成一水合氨NH3•H2O的反應(yīng)機理，提升Ok濃度有利于反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行。
灰水與氫氧化鈉生產(chǎn)的NH3•H2O越多，為汽提塔提供更多的一水合氨，越有利于灰水中氨氮濃度的下降。
三、汽提塔操作優(yōu)化
汽提過程脫氨氮就是用蒸汽和灰水在汽提塔內(nèi)直接接觸，將灰水中的一水合氨NH3•H2O分解成揮發(fā)性的氨，氨氮由液相擴散到氣相。
某煤氣化污水預(yù)處理裝置就是運行此法的典型案例。汽提過程在一篩板塔內(nèi)用低壓蒸汽加熱，蒸汽與灰水在篩板塔塔盤上逆流接觸。塔頂出來的游離氨經(jīng)回流液吸收，生產(chǎn)濃度一定的工業(yè)用氨水，避免了稀氨水的排放。
在操作過程中，我們注意到塔頂氣在帶壓狀態(tài)下溫度較低時，少量的NH3和CO2會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)氨基甲酸氨，反應(yīng)方程式如下：
此反應(yīng)為可逆反應(yīng)。氨基甲酸氨沉積結(jié)晶后會堵塞出塔頂管線和回流罐頂部氣相管線，制約裝置汽提塔平穩(wěn)運行。所以，選擇合適的操作壓力，保證塔內(nèi)溫度不低于生成氨基甲酸氨的最高溫度，就能使其分解。經(jīng)過摸索，我們將回流罐壓力控制在15kPa左右，出氨水換熱器溫度控制在65〜80°C之間，可有效汽提塔操作的平穩(wěn)性。
四、換熱系統(tǒng)操作優(yōu)化
依據(jù)管殼式換熱器的穩(wěn)態(tài)傳熱方程：Q=K•A•△t
式中，Q—熱負荷，K—總傳熱系數(shù)，A—換熱面積;△t—平均溫差。
在換熱面積A—定的工況下，要使管殼式換熱器發(fā)揮最大的作用，需要提升總傳熱系數(shù)K或提升平均溫差△t。管殼式換熱器帶走的熱負荷取決于總傳熱系數(shù)與平均溫差的乘積K•△t。
對于管層的介質(zhì)流速，兩個管殼式換熱器并聯(lián)時要低于串聯(lián)時，那么總傳熱系數(shù)要下降。
對于管層介質(zhì)與冷源溫差，兩個管殼式換熱器并聯(lián)時要高于串聯(lián)時，那么平均溫差△t會上升。
為了使出污水冷卻換熱器的溫度低于40℃，結(jié)合以上換熱關(guān)鍵參數(shù)分析，我們對流程現(xiàn)有換熱器的流程進行了串聯(lián)和并聯(lián)實踐。
2月23日11時，污水(廢水)岀預(yù)處理裝置的溫度為39.9°C，此時廢水冷卻器2組換熱單元為并聯(lián)模式。2月23日11時10分，將廢水冷卻器2組換熱單元由并聯(lián)模式改為串聯(lián)模式，污水處預(yù)處理裝置的溫度升至40.4-41.1°C之間，并趨平穩(wěn)。2月23日16時29分，將廢水冷卻器2組換熱單元由串聯(lián)模式改為并聯(lián)模式，污水處預(yù)處理裝置的溫度降至39.1-39.7°C之間(圖5)。
實踐表明，污水預(yù)處理單元廢水換熱器的2組換熱器采用并聯(lián)模式較串聯(lián)模式效果好。主要是由于污水水量走換熱器的管層，冷熱介質(zhì)平均溫差對換熱效果的影響比傳熱系數(shù)對換熱效果的影響大，并聯(lián)模式時總傳熱系數(shù)與平均溫差的乘積積K•△t較串聯(lián)時大(K并•△t 并> K串•△t 串)，從而提升了管殼式換熱器的熱負荷(Q并>Q串)，最大限度地發(fā)揮了廢水換熱器的換熱效果。
五、結(jié)論
提高堿度斜板沉降池混合池內(nèi)的堿度，讓進入斜板沉降池前攪拌池的灰水pH值控制在12以上;保持汽提塔回流和塔頂外送，在壓差平穩(wěn)的前提下盡可能加足品質(zhì)穩(wěn)定的低壓蒸汽;務(wù)必穩(wěn)定運行外送氨水泵及回流罐的壓力，調(diào)節(jié)回流量要緩慢;對于處理水量較大的2組廢水冷卻器，并聯(lián)模式比串聯(lián)模式能發(fā)揮更好的作用。
2020年該污水預(yù)處理裝置連續(xù)運行周期突破了60天。運行周期內(nèi)，混合后的灰水外送溫度在40℃以內(nèi)，氨氮含量在300mg/L以內(nèi)，各項運行指標(biāo)穩(wěn)定，滿足了下游污水處理裝置需求。同時，年檢修費用大幅度下降。以上一些實踐，期望對同類型裝置有所借鑒意義。( >
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