IGCC电站煤气化废水脱氨工艺的优化改造.pdf

摘要介绍了华能天津 IGCC 示范电站煤气化污水处理单元的工艺流程、常规脱氨工艺流程及原理。针对煤气化废水常规脱氨工艺流程存在的蒸汽消耗量较多、废水进入后续系统时水温较高、脱氨提升泵内易发生碱结垢等问题，进行了取消注入蒸汽、采取常温脱氨工艺、优化 NaOH 溶液添加流程等改造。改造后，常温脱氨工艺氨氮去除率仍可达到 50%65%，污水水温降低 5 6，脱氨提升泵的故障率降低 85%，可节约蒸汽 24 t/d，2021 年的排污费用较 2020 年改造前减少约 47 万元。关键词IGCC 电站；煤气化废水；污水处理工艺；脱氨工艺；吹脱法文章编号：1005-9598(2023)-03-0076-03中图分类号：TQ085.4文献标识码：BIGCC 电站煤气化废水脱氨工艺的优化改造牛建伟，王高峰，康建邦，孙阳（华能（天津）煤气化发电有限公司，天津 300452）收稿日期：2023-01-26第一作者：牛建伟（1989），男，汉族，河南济源人，工程师，学士，2011 年本科毕业于东北电力大学环境工程专业，现从事IGCC 联合循环发电运行方面的工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.03.020引言整体煤气化联合循环发电（IGCC）+多联产被认为是目前最具发展前景的清洁煤技术，污染少、效率高，有利于综合利用煤炭资源，能在发电的同时生产甲醇、尿素等化工产品。华能（天津）煤气化发电有限公司负责建设和运营的华能天津 IGCC 示范电站是我国首座、世界第六座 IGCC 电站，该电站煤气化装置采用具有我国自主知识产权的两段式干煤粉气化炉。气化炉在生产过程中会产生大量煤气化废水（1 000 m3/d1 200 m3/d），废水中氨氮含量、固含量、COD 含量等较高，水质较差，夏季水温高。这些废水如果没有得到有效处理，会导致排污费用升高，若水质超标严重，会导致污水处理厂拒收废水，影响机组的安全稳定运行。为此，本文探究了污水处理单元脱氨塔的工艺流程，并于 2021 年 5 月进行了优化改造，保证了煤气化废水的安全环保排放，现将其介绍如下。1煤气化废水处理单元工艺1.1废水的主要来源煤气化废水主要来源于三个方面：气化炉采用液态排渣方式，液态渣在排放过程中需要激冷水对其进行冷却，渣水分离后会形成大量废水，即渣水；气化炉生产的合成气需要经过水洗去除杂质，在这个过程中会产生大量废水，即湿洗水；合成气在脱硫后进行硫磺精制，在这个过程中会产生部分废水，即含硫废水。这些废水被送往污水处理单元进行处理，达标后再送往污水处理厂。1.2污水处理单元工艺流程煤气化废水中的渣水和湿洗水需先经过初步处理，去除废水中的有害气体和大部分固体颗粒。渣水经水力旋流器排放至低压闪蒸罐，湿洗水经节流减压后排放至汽提塔给料罐。低压闪蒸罐内的渣水和汽提塔给料罐内的湿洗水经泵加压后进入汽提塔，进行酸性气体的汽提。0.35 MPa 的低压蒸汽进入汽提塔后自下而上与废水在填料床层充分接触，溶液中的 CO2、H2S、NH3、HCN、HCl 等气体被解吸出来，蒸汽和酸性气体混合物经过空冷器降温到 110 后气液分离，之后酸性气体送往硫回收装置进行处理，冷凝水送回汽提塔顶部循环汽提。汽提塔出口的酸性气体温度控制在135140，初步水处理系统的压力控制在 0.18MPa0.20 MPa。汽提后的废水经换热器冷却到 50 左右，与来自炉渣脱水仓的渣水一同进入澄清槽一侧。澄清引用格式：牛建伟，王高峰，康建邦，等.IGCC 电站煤气化废水脱氨工艺的优化改造J.煤化工，2023，51（3）：76-78.第 51 卷第 3 期2023 年 6 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.3Jun.2023第 51 卷第 3 期槽顶部的清水溢流至澄清槽溢流罐；沉淀的泥浆落入澄清槽底部，通过澄清槽底部泵送入泥浆罐并在其底部沉淀，然后通过泥浆泵送入陶瓷滤饼机，最终制成滤饼。澄清槽溢流罐内的水就是经过初步处理后的废水，这部分废水经泵加压后送至污水处理单元进行后续处理。污水处理单元工艺流程示意图见图 1。废水首先进入均质调节池，之后由原水提升泵送至除氟反应/沉淀池。通过均质调节池出水管道上的管道混合器投加一定量质量分数 20%的 CaCl2溶液、少量质量分数 10%的高分子混凝剂（PAC）、质量分数0.5%的高分子絮凝剂（PAM），使废水中的 F-与 Ca2+在除氟反应/沉淀池中反应，生成难溶于水的 CaF2沉淀，同时形成大块絮体，加速沉淀。除氟反应/沉淀池出水经脱氨提升泵送至脱氨塔，沉淀污泥自流进入污泥池。通过脱氨塔进水管道上的管道混合器投加一定量质量分数 20%的 NaOH 溶液，将 pH 值调整至 10.511.5，并通过汽水混合器加入低压蒸汽，使进水温度维持在 40 45，可脱除约 60%的氨氮。脱氨塔出水自流进入破氰反应池，首先在一段反应池投加一定量的 NaOH 溶液，将 pH 值调整至 10.511.5，加入质量分数 10%的 NaClO 溶液，维持溶液氧化还原电位在200 mV360 mV，并将 CN-氧化为 CNO-；其次在二段反应池投加质量分数 98%的浓 H2SO4溶液，将 pH 值调整至 7.58.5，加入质量分数 10%的 NaClO 溶液，维持氧化还原电位在 500 mV700 mV，进一步将 CNO-氧化为N2和 CO2。破氰反应池出水自流进入生化提升池。在生化提升池投加质量分数 10%的营养液，增加可生化 BOD，为下一步一体式 A/O 反应池的生化反应提供足够的碳源。生化提升池出水经生化提升泵送入一体式 A/O 反应池，进行生化处理。废水首先进入A/O 反应池的缺氧池，为使废水中的氨氮充分氧化，在 A/O 反应池配水槽中投加质量分数 20%的 NaOH 溶液，维持碱度在 70 mg/L（以 CaCO3计），利用微生物将废水中的有机氮转化为 NH3-N，与原水中的 NH3-N 一并进入好氧池；在空气条件下，废水中的 NH3-N 被硝化细菌转化为硝酸盐，再通过内循环回流到缺氧池进行反硝化，即将硝酸盐还原成气态氮，完成生化除氮反应，出水进入 A/O 反应池的沉淀池进行泥水分离。A/O反应池上清液自流进入监控池，若水质合格，将废水送界区外排放，若不合格，再将污水返回到均质调节池，重新进行处理；下层污泥由污泥泵送入污泥池，再由污泥泵送至辅助用房的污泥浓缩脱水机进行脱水处理后，由汽车外运。2常规脱氨工艺及存在的问题2.1常规脱氨工艺流程及原理常规脱氨工艺采用吹脱法，即在煤气化废水进入脱氨塔前，通过加入蒸汽将水温提高至 40 45，此时氨气在废水中的溶解度降低，进而提高脱氨塔的吹脱效率；为提高废水 pH 值，可在絮凝沉淀池内加入质量浓度 100 mg/L300 mg/L 的 NaOH 溶液。常规脱氨工艺的原理是利用废水中氨氮等挥发性物质的实际浓度与平衡浓度之间的差异，在碱性条件下使用空气吹脱，由于在吹脱过程中不断排出气体，改变了气相中的氨浓度，空气中氨的实际浓度始终小于该条件下的平衡浓度，最终使废水中溶解的氨不断穿过气液界面得以脱除。氨吹脱是一个传质过程，推动力来自空气中氨的分压与废水中氨浓度相当的平衡分压之间的压差，气体组分在液面的分压和液体内的浓度符合亨利定律，即成正比关系。当废水为中性时，NH3-N 主要以铵离子（NH4+）形式存在，当废水为碱性时，NH3-N 主要以游离氨（NH3）形式存在。吹脱时先在废水中加入碱，调节废水至碱性，将废水中的NH4+转化为 NH3，然后通入蒸汽或空气进行解吸，将废水中的 NH3由液相转化为气相，从而将 NH3-N 从废水中去除。常用空气或水蒸气作载气，前者称为空气吹脱，后者称为蒸汽吹脱。2.2存在的问题（1）为了提高进入脱氨塔废水的温度，需要往废水中加入蒸汽，一方面会增加蒸汽的消耗量和能量浪费，另一方面会提高废水进入后续系统时的水温。（2）为了保证氨氮的脱除效率，需要提高废水的 pH 值，通常是在絮凝沉淀池中加入 NaOH 溶液，由于 NaOH 溶液加入位置不当，导致脱氨提升泵内容易发生碱结垢，使得机泵故障率升高。均质调节池除氟反应/沉淀池脱氨塔破氰反应池污泥池污泥浓缩脱水机生化提升池营养液NaOH一体式A/O 反应池监控池污水处理厂图 1污水处理单元工艺流程示意图牛建伟等：IGCC 电站煤气化废水脱氨工艺的优化改造77-2023 年煤 化 工山西年内将全面关停 4.3 m 焦炉据山西省工信厅消息：为推动焦化行业高质量绿色发展，山西今年将全面关停、退出炭化室高度 4.3 m 焦炉，推动全行业节能降耗，延伸产业链条，全面建设国家绿色焦化产业基地。依托丰富的优质炼焦煤资源，山西省一直是全国最大的焦炭生产供应基地。2022 年全国焦炭总产量 4.73 亿 t，山西焦炭产量约为 9 800 万 t，占比超过 20%。由于发展起步较早，山西 4.3 m 焦炉占比较大，在国家环保和能耗“双控”产业政策倒逼之下，焦化产业调整升级势在必行。近年来，山西省加快关停淘汰 4.3 m 焦炉，在产的 4.3 m 焦炉从 146 户企业9 000 余万 t 产能，降至 2022 年底的 28 户企业 2 259 万 t 产能，4.3 m 焦炉占比由 62%降至 16%。（全国煤化工信息总站编辑整理）窑简讯窑Optimization of ammonia removal process for coal gasification wastewater of IGCC power plantNiu Jianwei,Wang Gaofeng,Kang Jianbang,Sun Yang(Huaneng(Tianjin)IGCC Power Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China)AbstractThe process flow of coal gasification sewage treatment unit of Huaneng(Tianjin)IGCC demonstration powerplant,conventional ammonia removal process and its principle were introduced.In view of the problems existed in theconventional ammonia removal process of coal gasification wastewater,such as high steam consumption,high watertemperature when wastewater entered the subsequent system,and easy alkali scaling in the deamination lifting pump,thesteam injection was cancelled,the normal temperature ammonia removal process was adopted,and the NaOH solution additionprocess was optimized.After the renovation,the removal rate of ammonia nitrogen by normal temperature ammonia removalprocess could still reach 50%-65%,the water temperature of the sew age could be reduced by 5 益-6 益,the failure rate of thedeamination lifting pump could be reduced by 85%,and 24 tons of steam could be saved per day.The pollution discharge costin 2021 was lowered by about 470 000 yuan compared with that before the transformation in 2020.Key wordsIGCC power plant;coal gasification wastewater;sewage treatment process;ammonia removal process;airstripping method of IGCC power plant3脱氨工艺的优化改造3.1取消废水中注入蒸汽流程，采取常温脱氨工艺在废水 pH11 的条件下，废水中离子态的氨氮可以转化为分子态的游离氨氮。根据亨利定律，在常温条件下通过吹脱可以有效脱除氨氮，因此取消废水中加入蒸汽的流程，可以起到节省蒸汽的效果；并可以降低废水水温，避免水温过高影响后续生化处理工艺，同时氨氮脱除效率仍可达到 50%65%，水温可以降低 5 6。3.2优化 NaOH 溶液添加流程在调节废水的 pH 值时，将 NaOH 溶液添加口的位置由原来的除氟反应/沉淀池调整至脱氨提升泵的出口管道上，可有效避免脱氨提升泵内碱结垢的问题，其故障率降低了 85%，提高了设备的可靠性。优化后的脱氨工艺流程示意图如图 2 所示。4改造效果改造后，煤气化废水处理采用常温脱氨工艺，取消了废水中注入蒸汽的流程，在保证其氨氮脱除效率在 50%65%的情况下，每天可节约蒸汽 24 t。通过对煤气化废水脱氨工艺的优化改造，解决了废水夏季水温高的问题，有效改善了水质，改造后 2021 年的排污费用比改造前 2020 年节省了约 47 万元。絮凝沉淀池煤气化废水碱液储罐碱液加药泵pH计PID 调节器吟脱氨塔出水口鼓风机脱氨提升泵管道混合器图 2优化后的脱氨工艺流程示意图78-