高氨氮废水达标排放解决措施

王志敏,吴鳌三,侯茂林,贾 博

(浙江石油化工有限公司, 浙江岱山 316000)

浙江石油化工有限公司(简称浙江石化)气化装置采用华东理工大学多喷嘴对置式气化炉,6台气化炉4开2备,气化炉操作压力为6.5 MPa,气化温度为1 150～1 250 ℃,单炉设计投煤量为3 000 t/d,单炉有效气产量为20万 m3/h。

浙江石化气化装置一次性开车成功,开车以来运行情况整体良好,但外排灰水水质差、氨氮浓度及温度经常超标,虽然未造成装置减产或停车,但是对下游水处理装置运行影响较大。为了避免对污水处理单元造成较大冲击,改善外排灰水水质及调整各项指标迫在眉睫。

1 气化工艺流程及灰水水质情况

该多喷嘴对置式水煤浆气化装置工艺流程见图1,气化装置主要由制浆系统、气化系统、洗涤系统及黑水处理系统组成,其中黑水处理系统采用三级闪蒸(高压闪蒸、低压闪蒸、真空闪蒸)工艺。气化灰水水质分析数据见表1。

表1 灰水水质分析数据

图1 气化工艺流程

由表1可以看出:灰水pH较低,氨氮浓度及温度偏高,水量超设计值;尤其在夏季高温季节,灰水外排温度达到55 ℃,严重威胁高氨氮污水处理单元的正常运行。

2 存在的问题及原因分析

2.1 外排废水氨氮浓度高

原料煤中含0.8%(质量分数,下同)左右的氮元素,气化炉运行过程中导压管通入60 m3/h氮气。氮元素在气化炉内发生如下反应:

(1)

(2)

(3)

图2 气化炉系统内氮元素流转图

气化装置的氨氮有3种排放方式:(1) 随气化废水外排至污水处理单元;(2) 经净化汽提塔汽提后随气体排至硫回收单元;(3) 气化渣水闪蒸出部分气体后随闪蒸汽排至硫回收单元[4-5]。

分析废水中氨氮浓度高的原因为:(1) 外部氮元素进入系统内;(2) 现有净化汽提、汽化闪蒸后排氨手段不足以处理在气化炉内生成的氨氮,气化装置被迫将氨氮从废水中排放,导致废水中氨氮浓度超标;(3) 闪蒸凝液未进入汽提系统,直接排至系统中增加了系统水中的氨氮含量。

2.2 外排废水超温

造成外排废水超温的原因为:

(1) 气化装置所用原料煤更换频繁,煤中的灰分变化幅度大,灰水中悬浮物浓度、浊度、硬度波动大,尤其钙镁离子浓度及悬浮物浓度高,造成换热器管束结垢严重,换热器换热效果差。

(2) 循环冷却水温度高,供回水温差小。循环冷却水设计进水温度为33 ℃,回水温度为43 ℃,实际运行中供水温度为34.5～37.5 ℃,冷却水温差较低造成灰水换热后超温。

(3) 新增干化机后,澄清槽底流液温度由55 ℃加热到85 ℃,滤液短时间内返回澄清槽后溢流至灰水槽,增加额外的热量,造成灰水槽水温度上升。

(4) 废水换热器泄漏后堵漏较多,换热面积下降(见图3)。频繁清洗过程中管束与空气接触时间较长,碳钢材质易氧化,加之高压清洗水的冲刷,管束易发生泄漏。碳钢的耐腐蚀性差,气化炉掺烧石油焦后原料中硫含量增长明显(平均硫质量分数为2.34%),灰水pH明显降低,最低为5.0。灰水对管束的腐蚀造成管束泄漏增多,随着冷却器清洗、堵漏次数增多,冷却器有效换热面积大幅减少。

图3 废水换热器堵漏情况

2.3 外排废水超量

在装置运行过程中,为解决系统水质氨氮浓度高、硬度大等问题,被迫提高系统生产水补水量和外排水量,以进行水质的置换,但最终的结果是陷入外排水温度高、水量大的死循环。系统水平衡图见图4。

图4 系统水平衡图

3 解决措施

为解决上述水系统问题,经过对标学习及水平衡测算,进行了技术改造及生产操作调整:

(1) 配制滤液至磨煤水槽的管线,80～120 t/h干化机滤液用来制浆,减少生产水补水,同时减缓由于高温滤液直接进入灰水槽导致的灰水温度升高。

(2) 现场减少使用生产水,在冲洗地面、地沟等方面使用低压灰水替代生产水,可节约生产水约20 t/h。

(3) 更换废水换热器内芯。将4台废水冷却器内芯材质升级为不锈钢,并定期清理废水冷却器。正常运行时,每个框架投用1台废水冷却器,并定期清洗、切换。

(4) 增加外排灰水跨线。一、二框架废水外排线进行连通,在某一废水冷却器出现问题时,可通过连通线对废水进行降温后外排。

(5) 稳定煤质,严控煤中氮元素含量,导压管氮气量减至最低,以最大程度降低进入系统的氮元素。

(6) 将闪蒸凝液送至汽提处理后,低氨氮水返回灰水系统。

通过以上措施,目前浙江石化4台气化炉稳定运行,废水冷却器每个框架各投用1台,外排废水总质量流量为390～465 t/h,废水温度为40～44 ℃,平均氨氮质量浓度为400 mg/L左右,基本满足正常生产需要。

4 结语

灰水是煤气化装置的“血液”,直接影响气化装置的运行质量,同时影响下游水处理装置的运行。原料煤煤质、换热器性能、进入系统的各元素含量均会对灰水的水质、温度及排放量造成影响,因此需要在实际生产中不断积累经验、摸索研究、数据分析及共享,达到装置安全稳定长周期运行的目标。