煤气化灰水电化学处理技术介绍及其应用

第6期2017年11月中氮肥M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressNo. 6Nov. 2017煤气化灰水电化学处理技术介绍及其应用傅承1肖东2,周俊波1陈宝生2,金志娜2,夏子辉2,何燕南2(1.北京化工大学，北京100029; 2.北京京润环保科技股份有限公司，北京100085)[摘要]近年来新型煤气化技术应用广泛，但其工艺系统运行过程中会产生大量的气化灰水，这些气化灰水温度高，且含大量C a2+、M g2+，易造成系统结垢和堵塞。

利用电化学处理技术（即电絮凝技术）对气化灰水进行处理研究，并对电化学处理技术与煤气化工艺系统中现有灰水处理工艺进行对比分析，探讨其处理效果、运行成本及应用前景。

结果表明，电化学处理技术在悬浮物、浊度平均去除率达到90%以上的情况下，硬度去除率也能达到60. 5%，处理后的灰水完全符合系统回用的标准。

[关键词]煤气化；气化灰水；电化学处理技术；药剂絮凝处理技术；试验研究；应用[中图分类号]T Q546. 5 [文献标志码]B[文章编号]1004 -9932(2017)06 -0067 -03〇引言煤炭是我国的主要能源，蕴藏量居世界第三 位[1]。

2016年，中国原煤产量34. 1x l08t，煤 炭消耗量占能源消费总量的62.0%。

近年来，我国新上煤化工项目以坑口布局为主，多分布在 西北、华北地区，并且与水资源（我国水资源 的分布格局为“东多西少、南富北贫”呈逆向 分布——我国北方地区煤炭资源量占全国总量的 90%以上，而其水资源量仅占全国总量的21% [2]。

2012年，煤气化行业新鲜水消耗量占 煤化工行业新鲜水总消耗量的比例高达43% [3]，因此亟需通过水处理工艺技术的应用减少新鲜水 的消耗。

近年来，在多方力量的推动和协作下，我国 开发出多种类型的煤气化炉并得到大量应用，但 这些煤气化工艺与其他国内外煤气化工艺一样，气化过程中会产生含有大量细碎煤渣的污水，这 些污水经过高温闪蒸、真空闪蒸处理后，成为 “黑水”，之后经加药絮凝沉降，出水成为“灰 水”，污水的循环利用系统被称作渣水系统。

气 化黑水具有高温、高悬浮物、高浊度等特点，同时黑水中会携带大量Ca2+、M g2+，而现有的药 剂絮凝处理技术对水中Ca2+、M g2+的去除效果 差，只有靠加入大量的高温分散剂、阻垢剂予以[收稿日期]2017-04-08[作者简介]傅承（1991一）男，河北赵县人，北京化工大学动力工程及工程热物理专业在读硕士研究生。

缓解，而即使这样气化灰水中的Ca2+、M g2+浓 度仍然较高，易造成后续设备与管路结垢、堵 塞，且大量循环使用后灰水总硬度不断升高，使 系统在高结垢倾向下运行[-5]；同时，为维持系 统盐分浓度的稳定，需外排大量污水，并补充等 量的新鲜水。

本文利用电化学处理技术对某套航天粉煤气 化系统（航天炉）气化灰水处理进行研究，即用电絮凝技术代替药剂絮凝处理技术对气化灰水 进行处理，并与现有气化工艺系统的灰水处理工 艺进行对比分析，探讨其处理效果、运行成本及 应用前景。

1电化学处理技术的工作原理在煤气化灰水电化学处理设备反应池中设置 电化学反应器，采用金属铁或铝合金材料，通过 对反应器加电，使原位产生Fe3+或Al3+，Fe3+或Al3+进入水中与OH-结合生成Fe(OH)或 A1(0H)以及其他单核羟基配合物、多核羟基 配合物和聚合物等[6_8]，电极原位产生絮凝核，絮凝核具有极强的吸附性，形成的胶核滑动层带 负电，易吸附水中的Ca2+、M g2+等结垢性离子，提高硬度的去除率[-2]。

同时，在离子进入电 场后，其内部电荷重新进行分配，发生离子极化 现象，流动过程中正、负电荷相互吸引，重新组 合成新的粒子，在不断曝气的搅拌作用下，粒子 相互吸引、碰撞，最终能成长为原来粒径103〜104倍的粒子，粒径由100 ~ 1 000 A 增大至0.1• 68 •中氮肥第6期〜lmm〇2电化学处理技术对气化灰水处理效果的分析采用电化学处理技术对气化灰水进行处理试验，气化灰水采用气化系统中沉降槽的出水，试验设备进水量为3 m3/h，每天运转8 h，设备溢流出水经絮凝后，污泥从设备底部排放，系统中所加入的药剂起调节灰水pH、碱度的作用。

因试验的不稳定性以及水量较小，其出水与排污水分别进入渣水系统回用。

灰水处理试验分为两个阶段：第一阶段不向水中补充碱度；第—*阶段，为提高硬度的去除率，向水中补充一定的碱度。

本试验对进出水的总硬度、C a2+含量、M g2+含量、悬浮物含量和浊度等5个指标分别进行了测定，数据均为第三方检测机构的检测结果。

具体检测结果及分类分析如下。

2.1 悬浮物含量、浊度检测结果分析气化灰水进水悬浮物含量波动较大，在l〜109 m g/L之间，平均值为42. 6 m g/L;出水悬浮物含量稳定在6〜17 m g/L之间，平均值为11. 4 m g/L，悬浮物的平均去除率为73. 2%，去除效果较好。

气化灰水进水浊度也不稳定，在2〜80 NTU之间波动，浊度平均为32.4 NTU;出水浊度平均值为3.4 NTU，去除率平均为90%。

从试验数据可以看出，沉降槽出水（即电化学处理系统进水）的悬浮物含量、浊度波动较大，但煤气化灰水电化学处理系统对进水的悬浮物含量和浊度波动有着良好的耐冲击性，即使进水中悬浮物含量和浊度波动很大，出水中悬浮物含量和浊度也可稳定在一定范围内，能够保证较好的去除效果，达到系统回用水水质指标要求。

虽然现有的加药絮凝工艺也能达到类似的效果，但其产水水质指标波动较大，很不稳定，后续设备与管路有产生污堵的隐患。

22硬度检测结果分析试验分为两个阶段，1〜7组数据为第一阶段试验硬度检测结果，8〜14组数据为第二阶段试验硬度检测结果，过程中气化灰水总硬度变化情况见图1。

由图1可以看出：气化灰水（即电化学处理系统进水）总硬度一般均会低于气化黑水，平均值为1 10m g/L;经过电絮凝一体化设备处理后，灰水总硬度明显下降，出水总硬度平均值降为564 m//L，C a2+、M/+平均去除率达52.0%(其中，第一试验阶段硬度平均去除率为35.7%，第二试验阶段硬度平均去除率为60.5%)。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14试验阶段图1试验过程中气化灰水总硬度变化情况试验过程中，气化灰水中总硬度以钙硬为主，进水中C a2+含量平均值为396 m//L，M/2+含量平均值仅为23.8 m//L，钙硬占到总硬度的85%以上；出水中C a2+含量平均值为169 m//L，C a2+平均去除率达57.4%，其中，第一阶段C a2+平均去除率为35.0%，第二阶段C a2+的平均去除率为714%，即碱度上升后C a2+去除率上升了1倍以上，提高碱度可有效降低灰水中C a2+的浓度；电絮凝一体化设备出水M/+含量平均值为11.0 m//L，平均去除率为48. 9%，其中，第一阶段M/+的平均去除率为32. 5%，第二阶段M/+的平均去除率为52. 5%，碱度上升后M/+的去除率也得到一定的提升。

以上数据表明，基于电化学处理技术的电絮凝一体化设备对总硬度中各种结垢性离子均有较好的去除效果，且出水水质较为稳定，能有效缓解系统的结垢倾向。

3气化灰水电化学处理技术的应用某套航天粉煤气化系统有气化炉3台（两开一备）单套气化系统渣水循环量为20m3/h (排污量为60 m3/h，补水量也为60 m3/h)，因其现有2个大型沉降槽不便更换，故提出了一个对系统灰水进行旁路处理的改进方案：将沉降槽出水中的120m3/h气化灰水送入电化学除硬除浊一体化设备进行处理，之后再与沉降槽未经处理的出水混合，并适当稳定pH后回到原煤气化灰水系统中，使系统灰水硬度稳定在600 m//L第5期傅承等：煤气化灰水电化学处理技术介绍及其应用• 69 •这一气化系统可以承受的指标范围内；同时，由于该装置能有效降低系统灰水的硬度，故可将系统的补、排水量由原来的60m3/h降至20m3/h。

采用药剂絮凝处理技术或电化学处理技术的系统水平衡及硬度平衡情况的对比见图2。

(a)药剂絮凝处理系统泥饼外运(b)电化学处理系统图2 2种系统水平衡及硬度平衡的对比4电化学处理系统运行费用分析若使用电化学絮凝一体化设备替代现有的药剂絮凝工艺设备，为维持系统C a2+、M g2+及盐分浓度稳定的排污水量能够减为原来的1/3,系统需补充的脱盐水水量也降为原来的1/3,大大节省了运行费用。

此外，煤气化系统一直维持在较高的温度下运行，据现场了解，将每吨2°C 的软水加热到80 °C所需要的热量大约为20 k g 原煤燃烧所产生的热量，系统补水减少后，其热量消耗也相应减少。

药剂絮凝处理系统与电化学处理系统的年运行费用的对比见表1(费用中未包含对后续水处理系统建设投资及运行费用的影响，以及系统因结垢堵塞而停车清理与开车所产生的费用）。

表12种系统的年运行费用对比 万元项目药剂絮凝处理系统电化学处理系统药剂费110180排污水费21672补充水费9632热量消耗费760256总费用1190540注：①年运行时间按8000 h计算；②排污水处理费用按2元/m3计算，补充水按4.5元/m3计算，煤价按800元/t计算；③药剂费为厂家承包价格，据现场了解，药剂絮凝处理系统每年实际药剂费远高于/0万元。

5结论(1)电化学絮凝一体化技术对气化灰水的总硬度、。

^+、麗^ +平均去除率分别为60.5%、7/4%、52.5%，与传统药剂絮凝处理技术相比，硬度去除率大大提高；电化学絮凝一体化技术对浊度和悬浮物平均去除率分别为9%、73.2%，与药剂絮凝处理技术相比，其出水水质更加稳定；同时，在系统进入新的平衡后，可以大幅减小灰水硬度去除的难度，减少运行成本。

(2)电化学处理技术相较于传统的药剂絮凝处理技术，减小了整个系统灰水的硬度，能够缓解系统的结垢倾向，利于系统的长周期运行;同时，电化学处理技术减少了系统水量的排放和补充，从而减少了煤气化系统的水资源消耗；系统达到同现有沉降槽相同沉降效果所需的沉降时间大大缩减，约为传统药剂絮凝处理技术的一半，从而大大节省了气化装置的占地面积。

(3)虽然应用电化学处理技术药剂费用略有增加，但由于系统水质的改善，总体运行费用是大幅下降的（年运行费用可节省约650万元），并且还会降低后续污水的处理费用。

本次试验为进一步开展工程试验及应用提供了有参考价值的参数，同时也为各类煤气化系统循环用水的处理提供了一种新的思路，预计有较好的应用推广前景。

此外，目前我们还在开发并推广一种新型专利技术，即不向水中引入其他如c r、s〇4' NCV等阴离子，而是直接向水中加入H+调节灰水的pH，从而可有效避免系统中不必要阴离子含量的增加。