CN107098525A - 黑水耦合处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黑水耦合处理装置，该装置主要包括用于脱除黑水中的固体颗粒形成灰水的固液分离单元和用于脱除灰水中的矿物质的灰水蒸发单元。本发明还公开了一种黑水耦合处理方法，步骤包括：1)用固液分离工艺分离黑水中的固体颗粒，形成灰水；2)用蒸发工艺分离所述灰水中的矿物质，获得净化灰水。本发明通过将固液分离工艺和蒸发工艺有效组合应用于煤气化装置黑水的处理，相比现有的黑水处理工艺，不仅提高了黑水处理装置运行的安全性、稳定性，而且简化了工艺流程，减少了装置的占地面积和布置、操作、维护的难度，降低了黑水处理的成本。

Description

黑水耦合处理装置及方法

技术领域

本发明涉及煤化工领域，特别是涉及煤气化装置黑水的处理。

背景技术

我国富煤、贫油、少气的基本国情，决定了无论是当前还是将来，煤炭的经济、高效、清洁利用，对于保证经济社会和生态环境的可持续发展、国家能源安全都具有至关重要的作用。煤气化技术，特别是气流床煤气化技术，是现代煤炭清洁转化的核心技术之一，是煤基化学品(甲醇、二甲醚、天然气等)、煤基液体燃料、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢等过程工艺的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术。

典型的激冷气流床煤气化技术工艺流程是：由煤制成浆料泵送，或煤粉气力输送，与氧气在气化炉中高温、还原气氛下发生部分氧化反应生成合成气。合成气的主要成分为氢气和一氧化碳，还有少量的水蒸汽、二氧化碳、硫化氢、甲烷和氮气，以及由残碳和原料中的灰分组成的液渣。热合成气与液渣一道通过气化炉内部的激冷系统再进入气化炉激冷室。激冷水来自下游粗合成气洗涤系统并通过激冷水泵的增压黑水。从气化炉激冷室排出的饱和粗合成气再进入洗涤塔，进一步脱除固体颗粒后离开气化装置，洗涤后的黑水从洗涤塔底部送到黑水处理单元。在激冷室中，合成气中的液态炉渣接触水后被固化并脆裂，粗颗粒的炉渣经破渣机破碎后从激冷室排出，小颗粒的炉渣随气化黑水排出，排至黑水处理单元。

目前典型的黑水处理工艺流程如图1所示，黑水处理单元采取的工艺是逐级闪蒸。黑水闪蒸的目的是回收黑水中的热量，同时也分离溶解的气体，以降低黑水温度和提高固体浓度。根据气化压力的不同和具体项目的特点，闪蒸级数通常为2－4级：高压(1级)或低压(2级)和真空闪蒸(3级或4级)。高压闪蒸产生的酸性气在加热灰水后送出界区待进一步回收利用。低压闪蒸气作为热源送入除氧槽，真空闪蒸气进一步水冷后的尾气排出界外。逐级闪蒸后的黑水送入黑水沉淀和过滤单元，得到较为干净的灰水和排出界外的渣饼。大部分灰水送入除氧槽进一步循环利用，少部分排出界外。这种黑水处理工艺的缺点是：1)流程较长，设备较多，占地面积大，布置难度较高；2)因为真空闪蒸气的热量需要依靠循环水移除，因此能耗较高，循环水消耗大；3)由于灰水中的溶解性杂质，比如氯根和硬度等，并没有脱除，随着装置的运行将逐渐在系统中累积，导致气化和黑水系统结垢、堵塞和磨损，维护和操作难度更大，对气化装置的长周期稳定运行带来了很大的压力；4)外派的灰水量大，系统需要补充的新鲜水和脱盐水量更多；5)需要另外增加水质处理药剂来缓解黑水和灰水系统的结垢和磨损问题，增加了装置的运行成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种黑水耦合处理装置，它占地面积小，操作和维护简单，成本低。

为解决上述技术问题，本发明的黑水耦合处理装置，包括用于脱除黑水中的固体颗粒形成灰水的固液分离单元和用于脱除灰水中的矿物质的灰水蒸发单元。

本发明要解决的技术问题之二是提供一种利用上述黑水耦合处理装置处理黑水的方法。

为解决上述技术问题，本发明的黑水耦合处理方法，包括以下步骤：

1)用固液分离工艺分离黑水中的固体颗粒，形成灰水；

2)用蒸发工艺分离所述灰水中的矿物质，获得净化灰水。

黑水中的固体主要由煤和氧气反应后的灰份和未反应完的残碳组成。黑水中的固含量和具体组成随气化工艺(比如干法或湿法气化等)和具体气化装置的运行工况(比如煤质和气化温度等)的不同可能存在较大的不同，残碳可以在百分之几到几十之间变化(干基)。因此，黑水固液分离的工艺方法也会有所不同，可以选择过滤、水力或机械分离和沉降中的一种或多种工艺的组合，比如过滤、水力漩流+过滤、水力漩流+过滤+沉降等。黑水固液分离的目的是把黑水中含有的占黑水质量1-3wt％的固体颗粒基本脱除，使固液分离后得到的灰水中的悬浮固含量不高于100ppm，同时滤饼顺利排出界区。

灰水蒸发单元主要包括蒸发器和冷凝器。蒸发工艺可以采用单效蒸发工艺和多效蒸发工艺(根据二次蒸汽的利用情况，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种工艺称为单效蒸发工艺；若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种工艺称为多效蒸发工艺)。蒸发的推动力可以是装置可用的低等级的蒸汽或气体，也可以采用风机或热泵等机械设备对二次蒸汽进行压缩。

本发明将固液分离工艺和灰水蒸发工艺有效组合应用于煤气化装置黑水的处理，相比现有的闪蒸+沉降+过滤的黑水处理工艺，具有以下优点和有益效果：

1.本发明的固液分离单元采用过滤工艺或漩流加过滤组合工艺实现固液分离，相比目前的工艺，可以简化工艺流程，减少占地面积(占地面积可以减少25％)，降低装置布置、操作和维护的难度和工作量。

2.本发明的灰水蒸发单元将蒸发器有机整合到气化灰水系统，充分利用灰水中的热量，利用蒸发来脱除灰水中的矿物质，特别是脱除会对气化装置的设计和运行带来负面影响的氯根和钙镁离子等，可以给气化装置的设计和运行带来以下有益效果：

1)由于净化后的灰水几乎不含氯根，因此，气化装置水系统的氯根浓度很低，在设计上不需要选择高等级的设备、管道和阀门材料(比如双相刚材料等)，这样一方面降低了装置的造价，另一方面也避免了运行上由于氯根带来的材料腐蚀风险，有利于装置的安全稳定运行。

2)由于净化后的灰水硬度很低，使得气化装置水系统的硬度得以降低，从而可以有效缓解系统中因结垢导致的堵塞和磨损问题，降低装置的操作、维护难度和工作量。

3)充分利用了黑水的热量，通过单效或多效蒸发系统获得了净化灰水，不需要循环冷却水来冷却真空闪蒸气，从而降低了冷却水消耗和相应装置的能耗和运行成本；另一方面，由于不再需要添加灰水分散剂系统来净化灰水，从而也减少了投资和运行的成本。

4)净化后的灰水可以返回系统循环使用，替代新鲜水作为制浆补水和替代脱盐水作为除氧槽补水，因此可以大大减少系统的水耗。

附图说明

图1是目前典型的黑水闪蒸处理工艺流程示意图。

图2是本发明实施例的黑水耦合处理工艺流程示意图。

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图及具体实施例，对本发明详述如下：

实施例1

本实施例处理的黑水来自原煤单炉进料规模为1500t/d、气化压力为6.5Mpag的激冷气化工艺，黑水的规格如表1所示：

表1实施例1处理的黑水的规格

黑水处理装置，主要包括两个串联的工艺单元：固液分离单元和灰水蒸发单元。其中，固液分离单元主要包括水力漩流器、粗过滤器和精密过滤器。水力漩流器的下部为圆锥形容器。

黑水处理流程，请参见图2所示，来自高压/低压闪蒸的黑水以一定速度沿切线方向进入水力漩流器，获得旋转运动，产生很大的离心力。在离心力的作用下，黑水中较粗的颗粒抛向器壁，并以螺旋线的轨迹向下运动，到达水力漩流器底部，和部分黑水一起排出。另一部分黑水和少部分较细的颗粒呈内螺旋线的轨迹由水力漩流器顶部的溢流管排出。

水力漩流器底部排出的颗粒和黑水进入粗过滤器。在粗过滤器中，固体基本被脱除，并以滤渣的形式排出界外进一步处理；含部分细小颗粒的滤液可以作为制浆补水送入制浆水槽，也可以循环回到水力漩流器入口。

从水力漩流器顶部溢流的黑水及其夹带的部分细小颗粒进入精密过滤器。在精密过滤器，黑水中的固体被过滤出来，黑水将穿过过滤元件(比如布袋或过滤管)，形成灰水。灰水中的固含量要求不超过100ppm，如果大于此要求，可以通过调整精细过滤器过滤元件的孔隙等来确保灰水的固含量。过滤出来的细小颗粒排出界区进一步处理。

从精密过滤器出来的固含量不超过100ppm的高温灰水接着进入灰水蒸发单元。本实施例的灰水蒸发单元采用单效蒸发工艺，核心设备为单效蒸发器(蒸发器的主要部件为加热室和蒸发室)，辅助部件包括冷凝器和除沫器等。高温灰水在蒸发器的加热室中通过间接加热(热源可以是外加的蒸汽，也可以用机械风机作为推动力)沸腾气化，然后通过冷凝形成蒸馏液，即净化灰水；而溶解在灰水中的矿物质由于不能冷凝，将随少量灰水一起外排，形成浓度约5％的浓盐水。

本实施例中，进入灰水蒸发单元前的灰水和从灰水蒸发单元出来的净化灰水的主要组成如表2所示。

表2灰水和净化灰水的规格

从表2可以看出，经过灰水蒸发单元净化后的灰水，基本不含对气化装置运行不利的氯根和钙离子(相同规格的黑水若采用常规的黑水闪蒸工艺处理，所得灰水中的氯根和钙离子的浓度分别为300ppm、500ppm，与处理前的黑水几乎相同)，硬度很低。除少部分灰水需要外排以控制气化水系统中的氨氮和化学需氧量，大部分净化灰水可以回收，用以替换新鲜水作为制浆补水和替换脱盐水作为除氧槽补水(每个气化装置可以节约40-50m³/h的新鲜水和脱盐水)，实现净化灰水的循环利用，灰水的回收率可以达到95％。此外，由于充分利用了黑水的热量，有效减少了常规蒸发工艺需要的外加热量，以及原有的闪蒸工艺需要的大量的循环水消耗(本实施例的黑水耦合处理工艺相比常规黑水闪蒸工艺可以节约循环水1000t/h)。

Claims (10)

1.黑水耦合处理装置，其特征在于，包括用于脱除黑水中的固体颗粒形成灰水的固液分离单元和用于脱除灰水中的矿物质的灰水蒸发单元。

2.根据权利要求1所述的黑水耦合处理装置，其特征在于，所述固液分离单元包括水力漩流器、粗过滤器和精密过滤器。

3.根据权利要求1所述的黑水耦合处理装置，其特征在于，所述水力漩流器下部为圆锥形容器。

4.根据权利要求1所述的黑水耦合处理装置，其特征在于，所述黑水中的固体颗粒的含量为1-3wt％；所述灰水的固含量不超过100ppm。

5.根据权利要求1所述的黑水耦合处理装置，其特征在于，所述灰水蒸发单元包括蒸发器和冷凝器。

6.黑水耦合处理方法，其特征在于，步骤包括：

1)用固液分离工艺分离黑水中的固体颗粒，形成灰水；

2)用蒸发工艺分离所述灰水中的矿物质，获得净化灰水。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)，所述黑水中的固体颗粒的含量为1-3wt％。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)，所述灰水的固含量不超过100ppm。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)，固液分离工艺包括过滤、水力或机械分离和沉降中的一种工艺或多种工艺的组合。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)，蒸发工艺包括单效蒸发工艺或者多效蒸发工艺。