煤氣化裝置黑水澄清槽的設計計算

姜賽紅

(福州城建設計研究院有限公司 福建福州 350001)

煤氣化裝置黑水澄清槽的設計計算

姜賽紅

(福州城建設計研究院有限公司 福建福州 350001)

黑水澄清槽具有占地面積小、土建投資省、抗沖擊負荷能力強、適用性廣、效率高等特點，已在煤氣化裝置的黑水處理中獲得了一定的應用。針對當前黑水澄清槽應用模式存在的不足，基于DENSADEG高密度沉淀池的設計原理并結(jié)合具體應用實例，對其設計過程進行了分析和研究，不僅有助于用戶深入了解黑水澄清槽的設計和操作參數(shù)，而且有利于其運行和維護。

煤氣化裝置；黑水澄清系統(tǒng)；黑水澄清槽；高密度沉淀池；設計計算

我國缺油、少氣，但煤炭資源相對豐富，大力發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)、充分合理利用我國豐富的煤炭資源，是當前我國煤化工行業(yè)發(fā)展的一個重要方向?，F(xiàn)代煤化工屬于高耗水產(chǎn)業(yè)，作為龍頭和基礎的煤氣化裝置的節(jié)水減排對于發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)顯得尤為重要。以德士古、殼牌煤氣化技術為代表的第2代先進氣流床煤氣化裝置一般通過設置黑水澄清系統(tǒng)對裝置內(nèi)產(chǎn)生的黑水進行澄清處理后循環(huán)回用，從而達到節(jié)水減排的目的。煤氣化裝置黑水處理的關鍵在于黑水的澄清處理，而黑水澄清槽是進行黑水澄清處理的關鍵設備，對黑水澄清槽進行合理優(yōu)化的設計和使用，將極大地影響著黑水處理系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定運行，從而影響煤氣化裝置以及整個煤化工項目的長周期連續(xù)穩(wěn)定運行。

1 煤氣化裝置黑水澄清系統(tǒng)及黑水澄清槽

1.1 黑水澄清系統(tǒng)

氣流床煤氣化技術以其潔凈、高效、先進、大型化等諸多優(yōu)點，已廣泛應用于現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)。根據(jù)進料形式的不同，氣流床煤氣化技術可分為干法和濕法兩大類，而按照熱量回收方式又可分為廢鍋流程技術和激冷流程技術，但無論采用何種分類，氣流床煤氣化裝置都會設置相應的黑水澄清系統(tǒng)，用于處理煤氣化裝置內(nèi)產(chǎn)生的黑水，并將大部分處理后的黑水進行循環(huán)回用，從而達到節(jié)水減排的目標。

以激冷流程的氣流床煤氣化裝置為例，其黑水處理一般采用黑水閃蒸+澄清的處理方式。氣化爐、洗滌塔等排出的黑水先經(jīng)過閃蒸罐系統(tǒng)回收熱量，然后通過黑水澄清槽系統(tǒng)進行澄清處理，澄清后的灰水經(jīng)收集后，大部分用泵送回氣化裝置進行循環(huán)利用，少部分外排；澄清濃縮后的灰漿則送至灰漿過濾系統(tǒng)進行過濾，濾液同樣返回氣化裝置循環(huán)利用，濾餅則可送回氣化爐內(nèi)或送至燃煤鍋爐內(nèi)進行摻燒。典型的煤氣化裝置黑水澄清系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 典型的煤氣化裝置黑水澄清系統(tǒng)流程

由圖1可知，黑水澄清系統(tǒng)的核心和關鍵在于黑水澄清槽，其澄清效果直接影響返回系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用的灰水水質(zhì)，如澄清效果不好，返回系統(tǒng)的灰水含固量高，很容易造成管道和設備的結(jié)垢、堵塞和磨蝕，從而導致煤氣化裝置不能長周期穩(wěn)定運行。

1.2 黑水澄清槽

澄清槽又稱為澄清池、沉降槽、沉淀池等，是一種將絮凝反應過程與澄清分離過程綜合于一體，利用沉淀作用去除水中懸浮物的構(gòu)筑物或容器[1]。澄清槽按水流方式可分為豎流式、平流式和輻流式，按截除顆粒沉降距離又可分為一般沉淀和淺層沉淀。為了提高沉淀效率、減小澄清槽容積和占地面積，通常會在澄清槽內(nèi)設置斜板或斜管。目前，煤氣化裝置中常用的黑水澄清槽一般采用斜板(管)式，屬于典型的淺層沉淀，主要基于高密度沉淀池發(fā)展而來。

1.2.1 DENSADEG高密度沉淀池[2]

DENSADEG高密度沉淀池由法國德利滿公司研究開發(fā)，一般由絮凝區(qū)、推流區(qū)、沉淀區(qū)、濃縮區(qū)、泥渣回流系統(tǒng)和剩余泥渣排放系統(tǒng)組成，也可簡單分為反應區(qū)和澄清區(qū)兩大部分，其基本構(gòu)造如圖2所示。

反應區(qū)：可分為快速混凝攪拌反應池和慢速混凝推流式反應池兩大部分，依靠攪拌器的提升作用完成泥渣、藥劑和原水的快速凝聚反應，然后經(jīng)葉輪提升至推流反應區(qū)進行慢速絮凝反應，以結(jié)成較大的絮凝體。

澄清區(qū)：經(jīng)反應區(qū)絮凝后的污水進入斜管沉淀區(qū)進行沉淀、分離和澄清，澄清水通過集水槽收集后出水，沉淀物通過刮泥機刮至泥斗中，部分污泥經(jīng)容積式循環(huán)泵送至反應池進水管，剩余污泥排放。

DENSADEG高密度沉淀池的主要特點：①采用特殊的絮凝反應器設計，從絮凝區(qū)至沉淀區(qū)采用推流過渡，從沉淀區(qū)至絮凝區(qū)采用可控的外部泥渣回流，排泥濃度高，出水懸浮物含量低；②應用有機高分子絮凝劑，對原水水質(zhì)波動不敏感；③采用斜板(管)沉淀布置，表面負荷高，占地面積小。

由于DENSADEG高密度澄清池占地面積小、土建投資省、抗沖擊負荷能力強、適用性廣、效率高，已在給水處理、廢水處理以及工業(yè)污水處理中得到了較為廣泛的應用。

圖2 DENSADEG高密度沉淀池基本構(gòu)造

1.2.2 黑水澄清槽

煤氣化裝置黑水澄清槽是在高密度沉淀池的基本原理和構(gòu)造基礎上，經(jīng)過一定的優(yōu)化設計，將沉淀池的反應區(qū)與澄清區(qū)有效地融合在一起，形成一個綜合性整體，使其結(jié)構(gòu)更加簡單，體積縮小，占地面積和工程量也相應減少，從而降低了投資。常見的煤氣化裝置黑水澄清槽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 常見的煤氣化裝置黑水澄清槽結(jié)構(gòu)

從圖3可看出，煤氣化裝置黑水澄清槽主要分為混合攪拌區(qū)、絮凝反應區(qū)、引流布水區(qū)、斜板澄清區(qū)、澄清液收集區(qū)、灰漿沉降區(qū)、灰漿收集區(qū)和底部收集斗，采用進口黑水與絮凝劑混合攪拌、上部絮凝反應和斜板澄清、中部沉降、下部沉泥等工藝，最終實現(xiàn)對黑水的澄清處理。

2 黑水澄清槽的設計計算

黑水澄清系統(tǒng)既可對煤氣化裝置產(chǎn)生的黑水進行澄清處理以滿足后續(xù)廢水處理系統(tǒng)對進水的要求，又可將澄清處理后的灰水循環(huán)回用至煤氣化裝置內(nèi)，從而達到節(jié)水減排的目的。鑒于黑水澄清槽在煤氣化裝置中的重要作用，目前基本上是由專業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)進行研究設計和生產(chǎn)制造，用戶僅需提供待處理黑水的組成、流量等相關參數(shù)以及對處理后灰水的要求，即可由專業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)出滿足要求的黑水澄清槽并打包提供給用戶。在此模式下，不利于用戶對黑水澄清槽進行獨立運行和維護，因此，對黑水澄清槽的設計過程進行分析和研究，不僅有助于用戶深入了解黑水澄清槽的設計和操作參數(shù)，而且有利于其運行和維護。

2.1 輸入條件和輸出要求

以公稱投煤量2 000 t/d的干粉氣流床激冷流程的煤氣化裝置為例，其黑水澄清系統(tǒng)的輸入條件和輸出要求如下。

(1)輸入條件：黑水澄清槽設計黑水處理量為330 m3/h，黑水含固質(zhì)量分數(shù)1.5%～3.0%，黑水溫度70～80 ℃，黑水中固體微粒尺寸分布如表1所示。

(2)設計和輸出要求：黑水表觀停留時間4～5 h，出口灰水中含固質(zhì)量濃度≤100 mg/L，出口灰漿質(zhì)量分數(shù)10%～15%。

表1 煤氣化裝置黑水中固體微粒尺寸分布

2.2 設計計算

2.2.1 設備總體積的確定

根據(jù)黑水處理量及最大黑水表觀停留時間5 h考慮，則要求黑水澄清槽的容積為1 650 m3?？紤]到開停車等不確定工況，預留50%的設計余量，則黑水澄清槽總?cè)莘e按2 475 m3考慮設計。

2.2.2 設備規(guī)格尺寸的確定

黑水澄清槽各部分尺寸標示如圖4所示。

D.圓柱形槽體直徑H.槽體總高度H1.直筒段高度H2.下部圓臺高度H3.底部椎體高度H4.中間隔板高度a.攪拌池矩形截面寬度b.攪拌池矩形截面高度d.底部椎體直徑l.斜板長度圖4 黑水澄清槽各部分尺寸標示

根據(jù)目前已應用的黑水澄清槽經(jīng)驗，該設計能力下的黑水澄清槽圓柱形槽體直徑D一般在18～23 m，槽體總高度H一般在4～8 m，故假定D=23.0 m(R=11.5 m)，H1=5.5 m，H2=2.5 m，H3=1.0 m，H4=4.0 m，d=1.2 m(r=0.6 m)，計算并核驗黑水澄清槽總體積是否能夠滿足設備總?cè)莘e要求。

由圖4可知，黑水澄清槽總?cè)莘eV包含上部圓柱形筒體體積V1、下部圓臺體積V2以及底部圓錐體積V3。

V1=π×D2×H1/4=2 283.96(m3)

V2=π×(R2+r2+R×r)×H2/3 =365.05(m3)

V3=(π×d2/4)×(H3/3)=0.38(m3)

V=V1+V2+V3=2 649.39(m3)

V>2 475 m3，因此，該黑水澄清槽根據(jù)經(jīng)驗假定的尺寸能夠滿足設計要求。

2.2.3 混合攪拌池的計算

混合攪拌池的有效容積V4=Q×t。Q為混合攪拌池流量，包含黑水和絮凝劑流量，黑水流量為330 m3/h，絮凝劑流量一般為黑水流量的0.1%～0.5%，設計按最大量考慮，絮凝劑流量為1.65 m3/h，則Q=331.65 m3/h；t為攪拌混合的時間，一般取10～30 s，設計按30 s考慮。因此，V4=331.65×30/3 600=2.76(m3)。

2.2.4 絮凝反應區(qū)的計算

絮凝反應區(qū)采用平行折板結(jié)構(gòu)，水流沿折板豎向上下流動，多次轉(zhuǎn)折，以促進絮凝。

根據(jù)混凝動力學原理，一般情況下，絮凝時間T根據(jù)GT值(G為速度梯度)來確定。平行折板結(jié)構(gòu)的絮凝池的GT值一般控制大于2×104，平均G值在25～50 s-1，絮凝時間一般在8～16 min。

如圖4所示，絮凝池為半圓柱體，絮凝反應區(qū)水深H4按4.0 m計，扣除混合攪拌池容積，則絮凝反應區(qū)的有效容積V5=π×D2×H4/(4×2)-5.97=824.56(m3)。

則黑水在絮凝反應區(qū)的反應停留時間T=824.56/330=2.5(h)=150(min)。T>16 min，完全能夠滿足絮凝反應要求。

在實際操作中，由于黑水澄清槽在澄清水出水端設置了斜板澄清結(jié)構(gòu)，因此絮凝時間可大為縮短，一般只需3～5 min即可。

2.2.5 灰漿收集區(qū)的計算

根據(jù)沉淀池泥斗計算方法[1]，灰漿收集區(qū)計算如下。

黑水密度約為974.6 kg/m3，則黑水最大的質(zhì)量流量為321 618 kg/h，黑水中所含固體流量為9 648.54 kg/h，折固體質(zhì)量濃度為29 238 mg/L。

日最大灰渣量G=Q×(S1-S4)×0.086 4。Q為設計處理水量，S1為入口含固質(zhì)量濃度，S4為出口含固質(zhì)量濃度(100 mg/L)。則G=330×(29 238-100)×0.086 4/3 600=230.77(t)。

每日沉降的固體灰渣體積V0=100×G/[ρ×(100-P2)]。ρ為灰漿密度，一般在1.5～2.6 t/m3；P2為灰漿的含水質(zhì)量分數(shù)，根據(jù)輸出要求，取85%～90%。則V0=100×230.77/{(1.5～2.6)×[100-(85～90)]}=591.72～1 538.47(m3)。因此，灰漿收集區(qū)集泥量為24.66～64.10 m3/h。

現(xiàn)設計的黑水澄清槽灰漿收集區(qū)的集泥量為V2+V3=365.43(m3)，能夠滿足設計要求。如果采取間斷排泥，最大的排泥周期可達5.7～14.8 h。

2.2.6 斜板澄清區(qū)的計算[3]

斜板沉淀池水流方向主要有上向流(異向流)、下向流(同向流)和側(cè)向流(橫向流)3種類型(圖5)，其中上向流應用最廣，煤氣化裝置黑水澄清槽斜板澄清結(jié)構(gòu)也采用上向流形式。

圖5 斜板沉淀池水流方向示意

上向流的水力計算公式為Q=η×μ×(Af+A)，整理得Af+A=Q/(η×μ)。Q為進入黑水澄清槽的設計總水量(330 m3/h)，η為有效系數(shù)(一般為0.7～0.8，取0.75)，μ為顆粒沉降速度(混凝反應為0.3～0.6 mm/s，選取0.35 mm/s)，A為斜板澄清槽池底水平面積(為黑水澄清槽底部面積的一半)，Af為斜板水平投影水平面積總和。因此，Af+A=(330/3 600)/(0.75×0.35×10-3)=349.21(m2)，A=π×D2/(4×2)=207.63(m2)，則Af=349.21-207.63=141.58(m2)。

一般斜板長度l取1 000 mm，傾斜角θ取60°，斜板間距d取50 mm(一般為50～150 mm)，考慮斜板澄清區(qū)進口紊流、積泥等因素，取過渡區(qū)為300 mm，則斜板真正起作用的長度約700 mm。根據(jù)斜板水力計算公式[1]l=(1.33×v0-μ×sinθ)×d/(μ×cosθ)，經(jīng)整理得v0=[(l×μ×cosθ)/d+μ×sinθ]/1.33。v0為斜板板間流速，則v0=2.07 mm/s；清水區(qū)上升流速v=v0×sinθ=1.79(mm/s)；理論計算得到的清水區(qū)所需要的面積A′=Q/v=(330/3 600)/(1.79×10-3)=51.21(m2)。A′<207.63 m2，因此，所設計的清水區(qū)能夠滿足要求。

根據(jù)斜板沉淀池的設計要求，斜板上部的清水區(qū)高度不宜小于1.0 m，實際取1.2 m；斜板下部的布水區(qū)高度不宜小于1.5 m，實際取1.6 m。斜板澄清區(qū)高度示意見圖6。

圖6 斜板澄清區(qū)高度示意

斜板澄清區(qū)理論計算所需總高度H=0.300+1.200+0.866+1.600+0.800=4.766(m)。H<5.5 m，因此，黑水澄清槽設計高度完全能夠滿足要求。

3 結(jié)語

黑水澄清槽在煤氣化裝置的黑水處理系統(tǒng)中起著重要的作用，黑水澄清槽的合理優(yōu)化設計是黑水澄清系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的基本保證，也是實現(xiàn)煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運行的重要保障之一，同時對煤氣化裝置的節(jié)水減排具有重要的意義。由于黑水澄清槽具有占地面積小、土建投資省、抗沖擊負荷能力強、適用性廣、效率高等特點，已在煤氣化裝置的黑水處理中獲得了一定的應用，隨著其設計的不斷優(yōu)化及其工業(yè)化應用的日益成熟，必將得到進一步的推廣和應用。

[1] 中國市政工程東北設計研究院.給水排水設計手冊：第3冊 城鎮(zhèn)給水[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2] 蔣玖璐，李東升，陳樹勤.高密度澄清池設計[J].給水排水，2002(9)：27- 29.

[3] 牟占軍，楊偉，武朝軍.斜板沉淀池的設計計算[J].內(nèi)蒙古石油化工，1995(1)：29- 32.

DesignCalculationofBlackWaterClarifierinCoalGasificationUnit

JIANG Saihong

(Fuzhou City Construction Design & Research Institute Co., Ltd., Fuzhou 350001, China)

The black water clarifier has the characteristics of less occupied area, less construction investment, strong resist impact load capability, wide applicability and high efficiency so it has been applied to some extents in black water treatment of coal gasification unit. In connection with the shortcomings of current application pattern of black water clarifier, based on design principle of DENSADEG high density sedimentation tank and combining with applying examples, analysis and study are carried out of its design process. It not only helps users to understand the in- depth knowledge of the design and operation parameters of black water clarifier, but also is beneficial to its operation and maintaining.

coal gasification unit; black water clarifying system; black water clarifier; high density sedimentation tank; design calculation

姜賽紅(1982年—)，女，碩士，工程師，主要從事煤化工工藝設計；jsaihong@126.com

TQ545

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：1006- 7779(2017)03- 0041- 06

2017- 02- 19)