煤气化灰水提氨技术的探索与应用_赵蓉.pdf

氮肥与合成气第 51 卷第 2 期2023 年 2 月作者简介:赵蓉(1988)，女，助理工程师，主要从事煤气化生产控制工作;394582292 qqcom煤气化灰水提氨技术的探索与应用赵蓉，张波，李晓鹏(新疆天智辰业化工有限公司，新疆石河子832000)摘要:通过分析煤气化工艺，了解煤气化灰水中氨的来源，在碱性环境中，除去钙镁杂质，再采取正压汽提法脱除灰水中的氨，回收氨水作为锅炉脱硝处理剂。利用后工段产生的二氧化碳中和灰水 pH 后使灰水能够返回系统再利用，降低了后工段二氧化碳的排放量，提高了灰水利用率，实现煤化工清洁生产。关键词:煤气化;灰水;提氨;氨水中图分类号:X703文献标志码:B文章编号:2096-3548(2023)02-0031-03DOI:1019910/jcnkiISSN2096-3548202302012煤气化工艺是实现煤炭清洁、高效利用的良好途径，也是以煤为原料生产化工产品的主要途径之一。近年来，随着以煤制油、煤制乙二醇、煤制烯烃为主的新建、扩建项目大量落地，煤化工技术得到快速发展。煤炭资源的使用情况及分布状况决定了开发和使用现代化先进煤气化技术的必要性。发展具有清洁能源、煤炭能源化工一体化的新型洁净煤技术，是当前煤化工发展的主要方向。新疆天智辰业化工有限公司煤气化装置采用水煤浆气流床加压气化技术，气化炉采用四流道组合式烧嘴与膜式水冷壁相结合，以纯氧作为气化剂，在高温、高压下完成气化过程，粗煤气中有效气(CO+H2)含量高，碳转化率高，不产生焦油、萘和酚水等，是一种环境友好型的气化技术。1灰水中氨的来源及对系统的影响气化装置以水为媒介、以水煤浆为原料，在富氧环境中进行加压气化。原煤的元素分析显示，煤中的氮质量分数为 0.54%0.96%，在水煤浆气化过程中，氮气与气化产生的氢气合成产生少量的氨气。高温的合成气和灰渣在出气化炉燃烧室后，与灰水进行激冷降温，经过洗涤除尘后将含尘质量浓度小于 1 mg/m3的合成气送往下游工段，激冷水和洗涤黑水经过闪蒸、沉降除去灰渣后循环利用。氨极易溶于水，通过灰水的循环利用，煤气化产生的氨会在系统中富集1-2。在气化炉锁斗排渣过程中，溶解于灰水中的氨气随灰渣一起进入捞渣机，在粗渣干燥过程中大量挥发，造成现场环境氨氮含量超标。氨具有刺激性和毒性，由于嗅觉疲劳，员工对长期接触的低浓度氨不敏感，容易引起氨中毒，严重影响员工身体健康。氨对系统的影响主要是在煤气变换工段和低温甲醇洗工段。出气化洗涤塔的合成气由于温度高(232)，一部分氨会随合成气带至煤气变换工段和低温甲醇洗工段。随着合成气净化洗涤降温，氨被浓缩，在煤气变换工段的变换水冷器及低温甲醇洗工段的冷却器处以铵盐的形式结晶析出，附着在换热器列管上，影响换热器的换热效率，造成低温甲醇洗系统崩溃，合成气脱硫脱碳不合格，甚至结晶严重堵塞换热器，造成系统阻力过大，装置无法运行。目前气化装置低压灰水数据见表 1。2灰水提氨提出的背景国家规定废水排放氨质量浓度必须小于15 mg/L。根据灰水测样显示，气化灰水氨氮含量较高，污水处理难度大，气化多余灰水排放将会造成污水氨氮处理负荷加重3。新疆天智辰业化工有限公司有 3 套 200 MW的动力锅炉，锅炉脱硝技术采用选择性催化还原(SC)脱硝和选择性非催化还原(SNC)脱硝相组合的工艺，氨水作为还原剂大量用于锅炉的脱13氮肥与合成气第 51 卷第 2 期2023 年 2 月表 1低压灰水数据分析表序号化学需氧量(COD)/(mgL1)氨氮质量浓度/(mgL1)氯根质量浓度/(mgL1)碱度/(mmolL1)pH浊度/NTU悬浮物质量浓度/(mgL1)167121 1146221455238293435703200262121 1595222662620591634602300372734730829908640592125103000471211 1454820703303290026902900556061 0668950410287288426202400685101 1544713003290293429401900平均值69061 0190126357396691529652617硝工艺中。氨水来源主要为外购，这为系统氨的回收提供有利条件。综上所述，进行灰水提氨回收氨水，不仅可以保障气化系统高效稳定运行、改善现场环境、降低污水处理压力，而且生产 15%20%(质量分数，下同)氨水供动力分厂脱硝使用，可以实现废物利用、变废为宝的循环经济模式。3灰水提氨工艺根据煤气化灰水的性质，向其中加 pH 调节剂，调节溶液 pH 至碱性。根据氨水特性，在碱性环境下，溶液中游离的氨氮以水分子(NH3H2O)形式存在。然后加热含氨溶液，使其分解转化成氨气和水，在受热状态下，氨气从水中逃逸出来，以含氨水蒸气形式排出提氨塔，氨蒸汽经过冷凝和吸收塔收集浓缩至 15%20%的氨水，具体反应式为:NH4OHNH3H2O(1)NH3H2ONH3+H2O(2)提氨塔采用正压汽提的方法，由加药除硬、汽提、酸洗 3 个工序组成，其工艺流程见图 1。图 1工艺流程简图3.1除硬工序煤气化灰水与碱液和碳酸钠进入澄清池第一反应室内，灰水中携带的小颗粒在絮凝剂的作用下形成较大的絮粒，再被涡流提升到第二反应室中，经折流到澄清区进行固液分离，清水上升由集水槽排入灰水缓冲罐。泥渣在澄清区下部由刮泥机刮集到泥斗，通过池底排泥阀控制排出。除硬反应式为:CO23+Ca2+=CaCO3(3)2OH+Mg2+=Mg(OH)2(4)灰缓冲罐中的清液经提升泵升压后进入管道混合器，在管道混合器内与 30%烧碱混合，将灰水 pH 调节至 12 以上，然后通过布袋过滤器拦截灰水中杂质，随后送入汽提工序。3.2汽提工序经过过滤器的灰水经废水换热器与塔釜排出的除氨灰水换热后送至汽提塔。汽提塔塔顶操作压力为 90 kPa，操作温度为 95，塔釜操作温度为 114 左右。含氨氮灰水经废水进口分布器从汽提塔中部进入，0.5 MPa 的低压蒸汽进入提氨23氮肥与合成气第 51 卷第 2 期2023 年 2 月塔塔釜再沸器，加热提氨塔灰水。汽提塔提馏段采用抗堵塞塔内件，精馏段采用规整填料。提氨塔塔顶设有冷凝器将氨蒸汽冷却至 40 以下，进入吸收塔。吸收塔中的氨水一部分冷凝液作为塔顶回流液由氨水泵送回提氨塔，另一部分 15%氨水作为产品送出界区。在汽提塔塔釜中得到氨质量浓度低于 10 mg/L 的脱氨废水，经废水换热器回收热量降温至 8095 后送至灰水中和装置，使灰水与后工段送来的二氧化碳反应，将 pH 调至 7.5 左右后进入冲洗水槽。冲洗水槽中的灰水经冲洗水泵送至回用水换热器，温度降至 30 左右供气化系统补水和冲洗使用，多余的灰水送污水处理。汽提工序吸收塔放空汽经过尾气洗涤器回收逃逸氨水，产生的不凝气体经管道外排，回收的氨水送至提氨塔继续使用。3.3酸洗工序由于煤气化灰水含有一定量的悬浮物和钙镁离子，尽管已进行除硬处理，但是除氨灰水中仍然有残留的钙镁离子存在，在提氨塔中的提馏段和再沸器中，随着 pH 的上升、温度的提高，以及钙、镁离子的浓缩，在提氨塔内产生沉淀和结垢(见图 2)，因此必须设置酸洗系统对汽提系统进行定期在线清洗。(a)使用前(b)使用后图 2新旧塔盘对比图当系统运行一定时间后，必须使用 pH 为 2的柠檬酸或氨基磺酸对提氨塔和再沸器进行循环酸洗。由于酸洗运行时间有限，酸洗液中加有剥离剂、缓蚀剂和分散剂不会对汽提系统的设备和管道造成腐蚀。4存在的问题及改进措施(1)澄清池底部灰水浑浊，沉降分离难。根据观察，进入澄清池的灰水由低压灰水泵直接送入澄清池，其压力为 0.7 MPa，高压力的灰水直接进入静止的澄清池是造成澄清池水质浑浊的主要原因。为防止此事件再次发生，在澄清池入口加装缓冲槽。低压灰水泵送来的灰水先进缓冲槽进行折流减压后再进入沉清池，避免灰水对澄清池的冲击，延长了澄清池灰水静止沉降时间，提高了除硬效果。(2)过滤器布袋清洗频次高。除硬后的灰水经布袋过滤器送入进出料换热器和提氨塔。由于除硬灰水仍然含有少量钙镁杂质，杂质会被布袋过滤器拦截，造成过滤器堵塞，致使每班必须清洗布袋过滤器 1 次。为此，提出改进措施:改进澄清池，提高除硬效果;将布袋过滤器更换为砂滤罐，设置在线反冲洗，降低人员工作强度。(3)提氨灰水 pH 中和调节难。提氨后灰水 pH 高，污水处理困难较大。为方便灰水处理，且不增加其他物料、提高灰水利用率，引进后工段低温甲醇洗尾气，其二氧化碳体积分数高达 95%。二氧化碳能溶于水，与水反应生成碳酸，反应式4 为:CO2+2OH=CO23+H2O(5)(下转第 37 页)33氮肥与合成气第 51 卷第 2 期2023 年 2 月后的灰经手动插板排出系统。6关键技术处理电场飞灰堵塞的关键是确保空气干燥(电加热装置可以保障)，采用该喷嘴装置的目的是解决除尘灰仓下灰堵塞问题，减轻人工敲打灰斗等体力劳动，起到事半功倍的效果，其关键技术3-4 为:(1)采用经滤水器滤水后的压缩空气通过专用的喷嘴装置后，压缩空气产生射流对堵塞的灰产生扰动作用，加强对积灰的扰动，避免在下灰口产生灰的堆积问题。(2)提供的压缩空气压力为 0506 MPa，必须经过滤水器滤水，露点达到40。(3)采用普通碳钢制作，通过法兰连接固定在灰斗壁上。(5)必须将帆布罩罩在喷嘴装置喷嘴外面，以防止灰仓内的灰堵塞喷嘴装置的喷嘴孔。(6)喷嘴装置喷嘴外围尺寸为 20 mm，内径为 16 mm。(7)喷嘴装置开有 4 个喷嘴孔，其孔径为23 mm。7优化效果采用该优化技术，经过生产运行验证其效果良好。根据除尘器下灰情况，定期使用该装置不仅可以保证下灰畅通，而且可以减轻人工手动疏通灰仓堵塞的劳动强度。该装置可广泛应用于粒度较小且易发生结块堵塞的场合，通过该装置彻底解决了锅炉除尘器灰仓内飞灰堵塞问题。不仅保证了除尘系统正常运行，为安全环保作出了贡献，而且摆脱了以往人工手动敲打等劳动强度较大且效率很低方法的束缚，具有广泛推广应用价值。8结语通过实施优化方案，即在锅炉除尘器灰仓增加喷嘴防堵装置，以及采取加强检修、操作和巡检等措施，减少了灰仓堵塞故障率及停车检修频率，延长了锅炉除尘系统运行周期，不仅达到降低生产成本，提高经济效益的目的，还避免了因灰仓堵塞事故发生，影响锅炉除尘系统正常生产运行，提高了装置本质安全度，为环保、安全作出了贡献，产生了长远的社会效益。参考文献 1岳花婷 燃煤锅炉烟气指标优化改造小结J 氮肥与合成气，2022，50(3):7-9，12 2熊峰，钟胜 煤气除尘器自动输灰装置运行总结J 氮肥与合成气，2020，48(12):26-28 3单月惠 锅炉烟气脱硫除尘工程设计J 氮肥与合成气，2020，48(3):20-23 4宋竹根 备用锅炉受倒烟气热面腐蚀、除尘器堵灰的技术改进J 氮肥与合成气，2018，46(9):11，13(收稿日期2022-07-21)(上接第 33 页)在出水泵出口冷却器后设置文丘里抽引器，利用文丘里抽负压的原理，将二氧化碳和灰水混合使其 pH 调节至正常指标内。这既有效调节了灰水pH，满足了生产需要，又合理利用了后工段排放二氧化碳，为环保清洁生产和发展循环经济产业链作出贡献。5结语随着煤化工技术的发展和环保形式日益严峻，发展循环经济和清洁生产势在必行。采取正压汽提法脱除灰水氨氮，既满足灰水除氨环保要求，又产出合格的氨水供锅炉脱硝使用，同时降低了后工段二氧化碳的排放量，提高了灰水利用率，实现煤化工清洁生产，该脱氨技术也被检验认可而推广应用。参考文献 1程晓磊，张鑫 现代煤气化技术现状及发展趋势综述J煤质技术，2021，36(1):1-9 2牛忠义 煤气胡灰水提氨装置中加碱脱氨技术的应用分析 J 山西化工，2015，35(6):70-71，74 3王磊，彭文博，吴正雷，等 陶瓷膜-脱氨膜工艺处理气化灰水研究 J 广东化工，2020，47(5):78-80 4杨志强 现代煤气化技术发展趋势及应用综述J 化工管理，2017(2):165(收稿日期2022-08-15)73