張 靜,曾洪駿,白帥康,許淑杰,孫瑞剛,閆永勤

(北京時(shí)代科儀新能源科技有限公司,北京 100085)

在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中,煤炭占據(jù)著十分重要的地位。因此,以煤炭為原料的化工產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的整個(gè)化工產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著突出地位[1]。然而,在煤化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí),相關(guān)的黑水排放等問題對(duì)環(huán)境造成的損害限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展,必須尋求有效的黑水處理方式,達(dá)到環(huán)境友好的效果。

煤化工黑水主要指煤氣化系統(tǒng)形成的帶有煤渣的固液混合物,混合物中大部分是水,具有高懸浮物、高溫、高堿、高硬度等特點(diǎn),且含有銨離子、氯離子、硫化氫等強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)[2];同時(shí),黑水中還有氣化反應(yīng)所產(chǎn)生的高硬度固體顆粒,質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)10%。由此可見,理化性質(zhì)、成分組成均十分復(fù)雜的黑水在處理時(shí)易出現(xiàn)問題,處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成損害。

為了解決黑水雜質(zhì),同時(shí)維持黑水中濁度、硬度在合理的平衡范圍內(nèi),并且在去除油污的同時(shí)不消耗水源,避免對(duì)環(huán)境造成污染,北京時(shí)代科儀新能源科技有限公司研發(fā)了黑水一體化凈水系統(tǒng),旨在通過閉環(huán)運(yùn)行方式將黑水的水質(zhì)控制在一定范圍內(nèi),達(dá)到降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染的目的。

1 現(xiàn)有黑水處理工藝

黑水處理是煤化工氣化工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一,主要是將來自激冷罐的激冷排放水和洗滌塔的高溫氣化洗滌水通過高壓、低壓、真空三級(jí)閃蒸降溫,進(jìn)行澄清處理后回用。根據(jù)黑水的實(shí)際水質(zhì)不斷補(bǔ)充新鮮水,并排出高濃污水,后續(xù)處理難度及成本很高。黑水處理工藝流程見圖1。

圖1 黑水處理工藝流程

1.1 工藝流程

來自激冷罐、洗滌塔約260 ℃的氣化黑水,依次通過高壓、低壓閃蒸降溫至130 ℃左右。產(chǎn)生的閃蒸汽大部分采用循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷凝,部分企業(yè)將其用作低壓汽提的加熱熱源等用途。

低壓閃蒸后約130 ℃的氣化黑水經(jīng)過真空閃蒸或者水冷,降溫至60～70 ℃,送入沉降槽。在沉降槽中,盡量實(shí)現(xiàn)固液分離,上層清液溢流進(jìn)入黑水槽;黑水槽中的部分黑水送至除氧器中經(jīng)蒸汽加熱后進(jìn)入洗滌塔作為洗滌粗合成氣用水循環(huán)使用。

1.2 存在的問題

(1) 冷卻水補(bǔ)水量大。以消耗原料煤52 t/h氣化爐氣化黑水處理為例[3],按每年運(yùn)行8 000 h計(jì)算,每年消耗冷卻水補(bǔ)水約35萬t。

(2) 易造成二次污染。黑水本身的理化性質(zhì)、成分組成是十分復(fù)雜的,同時(shí),黑水處理工藝本身需要添加一定量的化學(xué)試劑,也會(huì)生成一些副產(chǎn)物,極易造成二次污染[4]。

(3) 運(yùn)營(yíng)成本高。以消耗原料煤52 t/h氣化爐氣化黑水處理為例:按冷水能耗單價(jià)0.2元/t計(jì)算,每年冷卻水能耗費(fèi)用約700萬元;按工業(yè)水單價(jià)2元/t計(jì)算,每年冷卻水補(bǔ)水費(fèi)用約70萬元;另外,每年的檢修費(fèi)用約10萬元。處理后的氣化黑水對(duì)粗合成氣進(jìn)行激冷、洗滌,大量的煤泥渣等進(jìn)入氣化黑水,導(dǎo)致氣化黑水固含量較高,造成閃蒸罐、管道、閥門等嚴(yán)重結(jié)垢、磨損、腐蝕,需要定期檢修,增加運(yùn)營(yíng)成本。

2 黑水一體化凈水系統(tǒng)

該黑水一體化凈水系統(tǒng)是北京時(shí)代科儀新能源科技有限公司自主研發(fā)的黑水處理裝置,內(nèi)含一體化凈水裝置(見圖2)、水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng),主要應(yīng)用于煤化工氣化黑水的水質(zhì)處理,能夠控制水質(zhì)處于合理的區(qū)間。

圖2 一體化凈水裝置外型圖

一體化凈水裝置依靠回水的背壓進(jìn)行工作,無需配置循環(huán)泵,屬于固定式設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)無人值守。該一體化凈水裝置包括布水、反應(yīng)、沉淀、集水、污泥濃縮、污泥制塊6個(gè)主要單元,其主要原理為使用物理、化學(xué)方法使得水中的有害物質(zhì)得到持續(xù)分離和沉降,并作為泥塊排出,整體屬于一體化撬裝設(shè)備,沒有發(fā)生堵塞的可能性,使用壽命長(zhǎng),適用范圍廣。

一體化凈水裝置內(nèi)部流程見圖3。

圖3 一體化凈水裝置內(nèi)部流程圖

一體化凈水裝置前設(shè)置靜態(tài)管道混合器,水處理藥劑在加藥裝置內(nèi)配制完成,并由計(jì)量泵送至管道混合器內(nèi),混合器通過自身結(jié)構(gòu)的剪切、攪拌作用,使其混合均勻,然后進(jìn)入凈水裝置內(nèi)。

黑水在進(jìn)入一體化凈水裝置后,先進(jìn)入裝置底部的配水區(qū),進(jìn)行均勻布水,水流速度降低,并緩慢進(jìn)入高濃度絮凝區(qū),進(jìn)行徹底的混凝反應(yīng),在斜管導(dǎo)流區(qū)的導(dǎo)流作用下,污水沿斜管傾斜方向往上流動(dòng),進(jìn)入沉降區(qū)內(nèi)。

通過斜管澄清后的水則匯集至裝置底部的清水區(qū),并由連通管返至裝置頂部的清水層,后續(xù)流回水池。

沉積下來的污泥被推到凈水裝置的泥漿槽內(nèi),當(dāng)一體化凈水裝置運(yùn)行一定時(shí)間后,根據(jù)中央控制柜給出的控制信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)排泥(周期可調(diào)),進(jìn)行泥餅制作。整個(gè)裝置不存在反洗工序,不產(chǎn)生高濃度的反洗水,不存在濾料堵塞的可能性,對(duì)黑水處理具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

該黑水一體化凈水系統(tǒng)能夠持續(xù)去除固體顆粒物、懸浮物、油污、膠體、鈣鎂離子,維持水池中的濁度、硬度在合理平衡范圍內(nèi),處理過程無需反洗,不消耗額外水源。該系統(tǒng)具有處理效果好、無需另外補(bǔ)水、自動(dòng)化運(yùn)行、軟件系統(tǒng)監(jiān)控、泥餅可回收利用、適用水質(zhì)廣泛、運(yùn)行方便和成本低的優(yōu)勢(shì)。

3.1 處理效果好

系統(tǒng)采用高效的處理技術(shù),與傳統(tǒng)工藝技術(shù)相比具有絮凝時(shí)間短、雜質(zhì)顆粒去除率高的特點(diǎn),可使沉淀出水水質(zhì)一直保持良好的狀態(tài),而且能適應(yīng)各種原水的水溫和濁度。

3.2 無需另外補(bǔ)水

裝置不存在反沖洗階段,過程中不消耗水源,不產(chǎn)生廢水。

3.3 自動(dòng)化運(yùn)行

一體化凈水裝置依靠回水的背壓進(jìn)行工作,本身達(dá)到了全自動(dòng)運(yùn)行的效果,屬于固定式設(shè)備,無需對(duì)凈水裝置進(jìn)行操作管理,可以實(shí)現(xiàn)無人值守,值班人員只需要定時(shí)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)即可。

3.4 軟件系統(tǒng)監(jiān)控

該系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集分析、工況異常報(bào)警等功能,可以對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行全方位管理。同時(shí)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)無人值守、智能化運(yùn)行。

3.5 泥餅可回收利用

泥餅可以回收利用于:建工建材制備,如骨料、膠凝材料、墻體材料、免燒磚等;土壤改良、水體修復(fù)等;殘?zhí)祭?如殘?zhí)继豳|(zhì)、循環(huán)摻燒等;高附加值材料制備,如催化劑載體、橡塑填料、陶瓷材料、硅基材料等。

3.6 適用水質(zhì)廣泛

該系統(tǒng)水質(zhì)、水量的突然變化對(duì)絮凝沉淀效果沒有影響,仍能得到理想的出水水質(zhì)。此外,系統(tǒng)對(duì)循環(huán)冷卻水、微污染水及低溫低濁水也具有很好的處理效果,尤其對(duì)處理礦井水效果非常明顯。

3.7 運(yùn)行方便

系統(tǒng)運(yùn)行初期不需要復(fù)雜的啟動(dòng)調(diào)試,各部分安裝完畢、投藥運(yùn)行1 h即可得到理想的出水水質(zhì)。

3.8 成本低

整個(gè)工藝無需另設(shè)反沖洗水泵、電動(dòng)閥門或空壓機(jī)等電氣設(shè)備,不需要電費(fèi)投資,降低了制水成本。

4 市場(chǎng)應(yīng)用潛力

黑水一體化凈水系統(tǒng)可以針對(duì)各種煤化工企業(yè)的實(shí)際情況和環(huán)保要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置,以滿足處理效果和資源利用效率的要求。同時(shí),隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新,該系統(tǒng)還可以不斷優(yōu)化和改進(jìn),提高處理效率和可靠性,為煤制合成氨企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

中國(guó)合成氨行業(yè)根據(jù)合成氨制備原理劃分,原材料主要分為煤炭、天然氣及焦?fàn)t氣,其中煤炭約占76%。

由此可見,煤化工企業(yè)數(shù)量眾多,黑水一體化凈水系統(tǒng)的應(yīng)用潛力巨大。

5 結(jié)語(yǔ)

水資源危機(jī)是當(dāng)今世界面臨的重要問題,水資源的嚴(yán)重匱乏已經(jīng)成為制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。為了實(shí)現(xiàn)煤化工黑水的在線凈化,節(jié)省煤化工企業(yè)的水資源消耗,從工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)布置等諸多因素進(jìn)行了綜合性的周全考慮,自主研發(fā)了黑水一體化凈水系統(tǒng),包含一體化凈水裝置搭配水質(zhì)在線監(jiān)控處理系統(tǒng),主要應(yīng)用于煤制合成氨工藝氣化黑水的水質(zhì)處理。

黑水一體化凈水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,性能卓越,能夠在維持水池中的濁度、硬度在合理平衡范圍內(nèi)的同時(shí),去除固體顆粒物、懸浮物、油污、膠體等雜質(zhì),同時(shí)又不消耗水源,不產(chǎn)生廢水,是煤化工企業(yè)黑水處理的首選產(chǎn)品。