一体化净水系统在煤化工黑水处理领域的应用

张 静,曾洪骏,白帅康,许淑杰,孙瑞刚,闫永勤

(北京时代科仪新能源科技有限公司,北京 100085)

在我国的能源结构中,煤炭占据着十分重要的地位。因此,以煤炭为原料的化工产业在我国的整个化工产业中占据着突出地位[1]。然而,在煤化工产业快速发展的同时,相关的黑水排放等问题对环境造成的损害限制了其进一步的发展。为了实现绿色、可持续发展,必须寻求有效的黑水处理方式,达到环境友好的效果。

煤化工黑水主要指煤气化系统形成的带有煤渣的固液混合物,混合物中大部分是水,具有高悬浮物、高温、高碱、高硬度等特点,且含有铵离子、氯离子、硫化氢等强腐蚀性物质[2];同时,黑水中还有气化反应所产生的高硬度固体颗粒,质量分数可高达10%。由此可见,理化性质、成分组成均十分复杂的黑水在处理时易出现问题,处理不当会对环境造成损害。

为了解决黑水杂质,同时维持黑水中浊度、硬度在合理的平衡范围内,并且在去除油污的同时不消耗水源,避免对环境造成污染,北京时代科仪新能源科技有限公司研发了黑水一体化净水系统,旨在通过闭环运行方式将黑水的水质控制在一定范围内,达到降低生产成本、减少环境污染的目的。

1 现有黑水处理工艺

黑水处理是煤化工气化工艺中最重要的环节之一,主要是将来自激冷罐的激冷排放水和洗涤塔的高温气化洗涤水通过高压、低压、真空三级闪蒸降温,进行澄清处理后回用。根据黑水的实际水质不断补充新鲜水,并排出高浓污水,后续处理难度及成本很高。黑水处理工艺流程见图1。

图1 黑水处理工艺流程

1.1 工艺流程

来自激冷罐、洗涤塔约260 ℃的气化黑水,依次通过高压、低压闪蒸降温至130 ℃左右。产生的闪蒸汽大部分采用循环冷却水进行冷凝,部分企业将其用作低压汽提的加热热源等用途。

低压闪蒸后约130 ℃的气化黑水经过真空闪蒸或者水冷,降温至60～70 ℃,送入沉降槽。在沉降槽中,尽量实现固液分离,上层清液溢流进入黑水槽;黑水槽中的部分黑水送至除氧器中经蒸汽加热后进入洗涤塔作为洗涤粗合成气用水循环使用。

1.2 存在的问题

(1) 冷却水补水量大。以消耗原料煤52 t/h气化炉气化黑水处理为例[3],按每年运行8 000 h计算,每年消耗冷却水补水约35万t。

(2) 易造成二次污染。黑水本身的理化性质、成分组成是十分复杂的,同时,黑水处理工艺本身需要添加一定量的化学试剂,也会生成一些副产物,极易造成二次污染[4]。

(3) 运营成本高。以消耗原料煤52 t/h气化炉气化黑水处理为例:按冷水能耗单价0.2元/t计算,每年冷却水能耗费用约700万元;按工业水单价2元/t计算,每年冷却水补水费用约70万元;另外,每年的检修费用约10万元。处理后的气化黑水对粗合成气进行激冷、洗涤,大量的煤泥渣等进入气化黑水,导致气化黑水固含量较高,造成闪蒸罐、管道、阀门等严重结垢、磨损、腐蚀,需要定期检修,增加运营成本。

2 黑水一体化净水系统

该黑水一体化净水系统是北京时代科仪新能源科技有限公司自主研发的黑水处理装置,内含一体化净水装置(见图2)、水质在线监控系统,主要应用于煤化工气化黑水的水质处理,能够控制水质处于合理的区间。

图2 一体化净水装置外型图

一体化净水装置依靠回水的背压进行工作,无需配置循环泵,属于固定式设备,可以实现无人值守。该一体化净水装置包括布水、反应、沉淀、集水、污泥浓缩、污泥制块6个主要单元,其主要原理为使用物理、化学方法使得水中的有害物质得到持续分离和沉降,并作为泥块排出,整体属于一体化撬装设备,没有发生堵塞的可能性,使用寿命长,适用范围广。

一体化净水装置内部流程见图3。

图3 一体化净水装置内部流程图

一体化净水装置前设置静态管道混合器,水处理药剂在加药装置内配制完成,并由计量泵送至管道混合器内,混合器通过自身结构的剪切、搅拌作用,使其混合均匀,然后进入净水装置内。

黑水在进入一体化净水装置后,先进入装置底部的配水区,进行均匀布水,水流速度降低,并缓慢进入高浓度絮凝区,进行彻底的混凝反应,在斜管导流区的导流作用下,污水沿斜管倾斜方向往上流动,进入沉降区内。

通过斜管澄清后的水则汇集至装置底部的清水区,并由连通管返至装置顶部的清水层,后续流回水池。

沉积下来的污泥被推到净水装置的泥浆槽内,当一体化净水装置运行一定时间后,根据中央控制柜给出的控制信号进行自动排泥(周期可调),进行泥饼制作。整个装置不存在反洗工序,不产生高浓度的反洗水,不存在滤料堵塞的可能性,对黑水处理具有很强的适应性。

3 系统优势

该黑水一体化净水系统能够持续去除固体颗粒物、悬浮物、油污、胶体、钙镁离子,维持水池中的浊度、硬度在合理平衡范围内,处理过程无需反洗,不消耗额外水源。该系统具有处理效果好、无需另外补水、自动化运行、软件系统监控、泥饼可回收利用、适用水质广泛、运行方便和成本低的优势。

3.1 处理效果好

系统采用高效的处理技术,与传统工艺技术相比具有絮凝时间短、杂质颗粒去除率高的特点,可使沉淀出水水质一直保持良好的状态,而且能适应各种原水的水温和浊度。

3.2 无需另外补水

装置不存在反冲洗阶段,过程中不消耗水源,不产生废水。

3.3 自动化运行

一体化净水装置依靠回水的背压进行工作,本身达到了全自动运行的效果,属于固定式设备,无需对净水装置进行操作管理,可以实现无人值守,值班人员只需要定时进行水质监测即可。

3.4 软件系统监控

该系统具备远程实时监控、数据采集分析、工况异常报警等功能,可以对整套系统进行全方位管理。同时对相关设备进行运行状态监测,实现无人值守、智能化运行。

3.5 泥饼可回收利用

泥饼可以回收利用于:建工建材制备,如骨料、胶凝材料、墙体材料、免烧砖等;土壤改良、水体修复等;残碳利用,如残碳提质、循环掺烧等;高附加值材料制备,如催化剂载体、橡塑填料、陶瓷材料、硅基材料等。

3.6 适用水质广泛

该系统水质、水量的突然变化对絮凝沉淀效果没有影响,仍能得到理想的出水水质。此外,系统对循环冷却水、微污染水及低温低浊水也具有很好的处理效果,尤其对处理矿井水效果非常明显。

3.7 运行方便

系统运行初期不需要复杂的启动调试,各部分安装完毕、投药运行1 h即可得到理想的出水水质。

3.8 成本低

整个工艺无需另设反冲洗水泵、电动阀门或空压机等电气设备,不需要电费投资,降低了制水成本。

4 市场应用潜力

黑水一体化净水系统可以针对各种煤化工企业的实际情况和环保要求进行设计和配置,以满足处理效果和资源利用效率的要求。同时,随着技术的不断进步和创新,该系统还可以不断优化和改进,提高处理效率和可靠性,为煤制合成氨企业的可持续发展提供有力保障。

中国合成氨行业根据合成氨制备原理划分,原材料主要分为煤炭、天然气及焦炉气,其中煤炭约占76%。

由此可见,煤化工企业数量众多,黑水一体化净水系统的应用潜力巨大。

5 结语

水资源危机是当今世界面临的重要问题,水资源的严重匮乏已经成为制约我国国民经济发展的一个重要因素。为了实现煤化工黑水的在线净化,节省煤化工企业的水资源消耗,从工艺设计、现场布置等诸多因素进行了综合性的周全考虑,自主研发了黑水一体化净水系统,包含一体化净水装置搭配水质在线监控处理系统,主要应用于煤制合成氨工艺气化黑水的水质处理。

黑水一体化净水系统运行稳定、可靠,性能卓越,能够在维持水池中的浊度、硬度在合理平衡范围内的同时,去除固体颗粒物、悬浮物、油污、胶体等杂质,同时又不消耗水源,不产生废水,是煤化工企业黑水处理的首选产品。