水煤浆气化灰水处理絮凝剂选型方法

张蓬勃 王保刚 马 航 徐 林

陕西延长石油兴化化工有限公司 陕西 兴平 713100

1 概况

黑水除灰工艺一般采用絮凝沉降法，经过降温后的黑水加入絮凝剂，使细灰絮凝成团，比重加大，在水中沉降分离出清澈的水。目前市场上的絮凝剂产品很多，可分为微生物絮凝剂、无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂三大系列。

面对种类繁多的絮凝剂产品，一般由供货厂家根据产品性质推荐试用，絮凝效果好，继续使用。絮凝效果不好，灰水含灰量较多，水质浑浊发灰，更换产品继续试用，直到达到理想效果。这种方法费时、盲目，给用户带来很多麻烦。将黑水样送至专业实验室进行絮凝剂型号筛选，黑水样静置时间过长，灰渣沉淀堆积，温度过低，实验前需加热搅拌，费时费力且实验效果不一定理想。介绍一种简单，易操作，出结果快，在灰水处理生产装置现场就可进行的絮凝剂选型方法。

2 生产工艺流程

陕西延长石油兴化化工有限公司大化工以煤为原料，采用西北化工研究院自主开发的多元料浆气化技术，年生产合成氨30 万t，甲醇30 万t。生产工艺流程见图1。

图1 工艺流程

煤浆浓度为58%～60%的合格水煤浆由高压煤浆泵加压后与空分来的纯氧（≥99.6%）经工艺烧嘴一起喷入气化炉内，在1350～1400℃、6.5MPa(G)的工况下，在气化炉的燃烧室煤浆进行燃烧，与氧气发生部分氧化反应，生成有效气成分为CO+H2的粗合成气。生成的粗合成气、未转化组分及部分液态熔渣一起并流顺着气化炉下降管进入下部的激冷室。

粗合成气通过激冷室的水浴直接进行冷却，熔渣激冷后破碎，大部分细灰留在水中。冷却后的粗合成气通过上升管上升到激冷室上部，经上部折流板折流，将粗合成气中的水分分离出来，再从气化炉的合成气出气口引出。粗合成气经气液分离器、文丘里洗涤器进入洗涤塔除尘、降温后送入下游工序。

灰水循环泵将洗涤塔下部的灰水送入黑水过滤器，过滤掉大颗粒灰渣，然后再进入激冷环，变成激冷水，沿下降管内壁形成一层水膜向下流入激冷室。大部分煤灰及残炭以灰渣形式从工艺气中除去，粗渣经破渣机破碎后进入锁斗循环系统，通过捞渣机装车外运。

气化炉激冷室底部的黑水和气液分离器分离的黑水经过节流减压后进入气化高温热水器，洗涤塔底部的黑水经过节流减压后进入洗涤高温热水器。在气化和洗涤高温热水器中，通过降低压力使黑水闪蒸，一部分黑水闪蒸成为蒸汽与来自变换工序汽提塔的冷凝液在塔板上接触进行洗涤，洗掉闪蒸气中夹带的细灰，洗涤后的闪蒸气进入灰水加热器与来自除氧水槽的灰水换热，高闪气冷却降温后，进入高压闪蒸分离器，分离出的冷凝液依靠压差送至除氧水槽，分离出的高闪气经过压力调节阀送往变换汽提塔。

气化高温热水器和洗涤高温热水器底部的黑水经液位调节进入低温热水器，再次经过减压、降温后，闪蒸出的低压气体一部分作为热源送往除氧水槽，另一部分经过水冷器冷却，凝液回收至灰水槽。

低温热水器底部黑水进入真空闪蒸器，黑水在真空条件下进一步闪蒸浓缩。含有细渣混合物的黑水经澄清槽进料泵送往澄清槽。闪蒸气从真空闪蒸器顶部出来经真空闪蒸冷凝器冷却后，进入真空闪蒸分离器，分离出的冷凝液经真空凝液泵送往除氧水槽，分离出的闪蒸气用真空泵抽走。来自真空闪蒸系统的黑水及细渣混合物由澄清槽进料泵送入静态混合器进入澄清槽。在静态混合器上游入口处加入絮凝剂，以加速澄清槽黑水中细渣的沉降分离。渣水经澄清槽底料泵送往真空带式过滤机进行真空过滤，滤液在滤液槽中收集后，通过滤液泵送入澄清槽，滤饼装车外运。澄清后仅含有极少量细灰的灰水，由澄清槽顶部的溢流堰溢流进入灰水槽，灰水经低压灰水泵返回系统循环使用。

3 絮凝剂的性能实验

3.1 絮凝剂产品初选

查阅絮凝剂的相关资料，对各种絮凝剂的絮凝性能进行了初步分析。以煤气化灰水处理的黑水为研究对象，各煤气化企业普遍使用聚丙烯酰胺絮凝剂，聚丙烯酰胺为白色粉末或者小颗粒状物，化学式（C3H5NO）n，分子量1×104～2×107，密度为1.302g/ cm3（23℃），由丙烯酰胺单体经自由基引发聚合而成的水溶性线型高分子聚合物，具有良好的絮凝性。根据供货商提供的絮凝剂种类，以及系统工艺参数、设备材质及结构，初步选择3850、4024、5005、5020、5116 五种型号的阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂产品作为试验用絮凝剂。

3.2 絮凝性能评定方法

常用的絮凝剂性能评定方法主要是烧杯沉降试验法。该方法实用、简便，具有科学性、先进性和可行性[1]。结合化工生产的实际条件和实验设备的局限性，本实验最优的絮凝剂性能评定方法宜选择烧杯沉降试验法。

3.3 应用范围

只对煤气化灰水处理的黑水在加入絮凝剂后絮团沉降情况，上清液澄清度进行评定，从而快速筛选出适合黑水特性的絮凝剂产品型号，而对其他性能不作研究。实际生产运行中，黑水温度在65～70℃，黑水的成分根据煤种和气化炉运行情况而变化，沉降时间受水量和澄清槽直径限制，对此类影响絮凝效果的因素暂不考虑。

3.4 原理

根据试验目的，选定试验用水，加入所要评定的絮凝剂，搅拌后静置，取其上清液测定浊度值，以评定絮凝剂的絮凝沉降性能。

3.5 试验用水

以煤气化灰水处理的黑水为研究对象，寻求符合黑水特性的絮凝剂，以达到最优的絮凝效果。因此，试验用水选择煤气化灰水处理的黑水。

3.6 实验仪器

烧杯100mL、200mL，玻璃棒，注射器1ml，移液管，浊度仪。

3.7 实验贮备液

（1）絮凝剂溶液（质量分数0.1%）：称取五种待选絮凝剂各0.2g，取5 个烧杯各量取200ml 纯净水（纯净水比较方便取用，因此本实验选择纯净水作溶剂，也可以用去离子水，蒸馏水，脱盐水），将称量好的五种絮凝剂依次加入各烧杯，给对应的烧杯依次编号3850、4024、5005、5020、5116 样品，用玻璃棒顺时针搅拌，直到絮凝剂完全溶解，备用。根据自己的需要可将配置好的质量分数0.1%的絮凝剂溶液分别装入瓶子，依次编号3850、4024、5005、5020、5116 样品，方便携带。

（2）黑水：用水桶在运行系统的真空闪蒸器黑水出口管线导淋阀处取一桶黑水备用。

3.8 实验步骤

实验时絮凝剂的添加比例过小或过大，都会使实验现象对比不明显，影响实验结果。为了使实验现象对比明显，便于观察，本实验将絮凝剂的添加比例定为1ppm。

（1）取5 个烧杯，分别量取100ml 的黑水（量取黑水前将桶内黑水摇匀），依次编号3850、4024、5005、5020、5116 水样，备用。

（2）用注射器分别吸取1mL3850、4024、5005、5020、5116 絮凝剂溶液样品，快速依次注入相对应的3850、4024、5005、5020、5116 水样（注射器方便操作，节约加入絮凝剂的时间，也可以用移液管，尽量在最短时间内将絮凝剂加入水样）。

（3） 用玻璃棒顺时针依次搅拌3850、4024、5005、5020、5116 水样，5 个水样的搅拌圈数要相同，在搅拌过程中能看到烧杯内产生大量黑色絮团，水样渐渐变清澈（有条件的可以用多联搅拌器搅拌）。

（4）观察各水样样品的絮凝沉降效果。

（5）静置10min，取3850、4024、5005、5020、5116 水样上清液，测量浊度值。

3.9 试验结果的评价

絮凝剂选型首要考虑加入絮凝剂后，水质清澈，浊度低，且絮团沉降时间短者最优。

测量各水样浊度值用浊度仪直接测量，插好浊度仪电源，打开开关，将取好的3850、4024、5005、5020、5116 水样上清液依次装入测量皿，再把测量皿放入浊度仪内，盖好盖子，待屏幕显示的数值稳定时，记录该水样的浊度值，注意更换水样时应将测量皿冲洗干净，以免影响测量结果。

4 结果和讨论

3850、4024、5005、5020、5116 水样加入对应的絮凝剂搅拌均匀后，可直接观察到黑水中的悬浮物絮凝成团，缓慢沉降，黑水逐渐变清澈。

5005 水样絮团沉降时间最短，5116 水样絮团沉降时间最长。用移液管分别取3850、4024、5005、5020、5116 水样上清液，经浊度计测量其浊度值，结果见表1。

表1 3850、4024、5005、5020、5116 水样浊度值

从表1 的测量结果可以看出4024 水样浊度值最小，5005 水样浊度值最大，说明4024 水样加入对应的絮凝剂后，比其他样品的絮凝沉降效果好，水质清澈。

5005 水样加入对应的絮凝剂后，絮团沉降时间最短，但是水样浊度最高，水质浑浊，不可选。4024 水样浊度值最低，且絮团沉降时间只比5005 水样慢2s，综合考虑选择4024 型号的絮凝剂产品。