煤气化装置黑水澄清槽的设计计算

Design Calculation of Black Water Clarifier in Coal Gasification Unit

姜赛红 Saihong JIANG

福州城建设计研究院有限公司福建福州 350001 Fuzhou City Construction Design & Research Institute Co., Ltd., Fuzhou 350001, China

摘要：

黑水澄清槽具有占地面积小、土建投资省、抗冲击负荷能力强、适用性广、效率高等特点，已在煤气化装置的黑水处理中获得了一定的应用。针对当前黑水澄清槽应用模式存在的不足，基于DENSADEG高密度沉淀池的设计原理并结合具体应用实例，对其设计过程进行了分析和研究，不仅有助于用户深入了解黑水澄清槽的设计和操作参数，而且有利于其运行和维护。

关键词：

煤气化装置; 黑水澄清系统; 黑水澄清槽; 高密度沉淀池; 设计计算;

Abstract：

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.

Keyword：

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

我国缺油、少气，但煤炭资源相对丰富，大力发展现代煤化工产业、充分合理利用我国丰富的煤炭资源，是当前我国煤化工行业发展的一个重要方向。现代煤化工属于高耗水产业，作为龙头和基础的煤气化装置的节水减排对于发展现代煤化工产业显得尤为重要。以德士古、壳牌煤气化技术为代表的第2代先进气流床煤气化装置一般通过设置黑水澄清系统对装置内产生的黑水进行澄清处理后循环回用，从而达到节水减排的目的。煤气化装置黑水处理的关键在于黑水的澄清处理，而黑水澄清槽是进行黑水澄清处理的关键设备，对黑水澄清槽进行合理优化的设计和使用，将极大地影响着黑水处理系统能否正常稳定运行，从而影响煤气化装置以及整个煤化工项目的长周期连续稳定运行。

1 煤气化装置黑水澄清系统及黑水澄清槽

1.1 黑水澄清系统

气流床煤气化技术以其洁净、高效、先进、大型化等诸多优点，已广泛应用于现代煤化工产业。根据进料形式的不同，气流床煤气化技术可分为干法和湿法两大类，而按照热量回收方式又可分为废锅流程技术和激冷流程技术，但无论采用何种分类，气流床煤气化装置都会设置相应的黑水澄清系统，用于处理煤气化装置内产生的黑水，并将大部分处理后的黑水进行循环回用，从而达到节水减排的目标。

以激冷流程的气流床煤气化装置为例，其黑水处理一般采用黑水闪蒸+澄清的处理方式。气化炉、洗涤塔等排出的黑水先经过闪蒸罐系统回收热量，然后通过黑水澄清槽系统进行澄清处理，澄清后的灰水经收集后，大部分用泵送回气化装置进行循环利用，少部分外排；澄清浓缩后的灰浆则送至灰浆过滤系统进行过滤，滤液同样返回气化装置循环利用，滤饼则可送回气化炉内或送至燃煤锅炉内进行掺烧。典型的煤气化装置黑水澄清系统流程如图 1所示。

图 1

典型的煤气化装置黑水澄清系统流程

由图 1可知，黑水澄清系统的核心和关键在于黑水澄清槽，其澄清效果直接影响返回系统内循环利用的灰水水质，如澄清效果不好，返回系统的灰水含固量高，很容易造成管道和设备的结垢、堵塞和磨蚀，从而导致煤气化装置不能长周期稳定运行。

1.2 黑水澄清槽

澄清槽又称为澄清池、沉降槽、沉淀池等，是一种将絮凝反应过程与澄清分离过程综合于一体，利用沉淀作用去除水中悬浮物的构筑物或容器^[1]。澄清槽按水流方式可分为竖流式、平流式和辐流式，按截除颗粒沉降距离又可分为一般沉淀和浅层沉淀。为了提高沉淀效率、减小澄清槽容积和占地面积，通常会在澄清槽内设置斜板或斜管。目前，煤气化装置中常用的黑水澄清槽一般采用斜板(管)式，属于典型的浅层沉淀，主要基于高密度沉淀池发展而来。

1.2.1 DENSADEG高密度沉淀池^[2]

DENSADEG高密度沉淀池由法国德利满公司研究开发，一般由絮凝区、推流区、沉淀区、浓缩区、泥渣回流系统和剩余泥渣排放系统组成，也可简单分为反应区和澄清区两大部分，其基本构造如图 2所示。

图 2

DENSADEG高密度沉淀池基本构造

反应区：可分为快速混凝搅拌反应池和慢速混凝推流式反应池两大部分，依靠搅拌器的提升作用完成泥渣、药剂和原水的快速凝聚反应，然后经叶轮提升至推流反应区进行慢速絮凝反应，以结成较大的絮凝体。

澄清区：经反应区絮凝后的污水进入斜管沉淀区进行沉淀、分离和澄清，澄清水通过集水槽收集后出水，沉淀物通过刮泥机刮至泥斗中，部分污泥经容积式循环泵送至反应池进水管，剩余污泥排放。

DENSADEG高密度沉淀池的主要特点：①采用特殊的絮凝反应器设计，从絮凝区至沉淀区采用推流过渡，从沉淀区至絮凝区采用可控的外部泥渣回流，排泥浓度高，出水悬浮物含量低；②应用有机高分子絮凝剂，对原水水质波动不敏感；③采用斜板(管)沉淀布置，表面负荷高，占地面积小。

由于DENSADEG高密度澄清池占地面积小、土建投资省、抗冲击负荷能力强、适用性广、效率高，已在给水处理、废水处理以及工业污水处理中得到了较为广泛的应用。

1.2.2 黑水澄清槽

煤气化装置黑水澄清槽是在高密度沉淀池的基本原理和构造基础上，经过一定的优化设计，将沉淀池的反应区与澄清区有效地融合在一起，形成一个综合性整体，使其结构更加简单，体积缩小，占地面积和工程量也相应减少，从而降低了投资。常见的煤气化装置黑水澄清槽结构如图 3所示。

图 3

常见的煤气化装置黑水澄清槽结构

从图 3可看出，煤气化装置黑水澄清槽主要分为混合搅拌区、絮凝反应区、引流布水区、斜板澄清区、澄清液收集区、灰浆沉降区、灰浆收集区和底部收集斗，采用进口黑水与絮凝剂混合搅拌、上部絮凝反应和斜板澄清、中部沉降、下部沉泥等工艺，最终实现对黑水的澄清处理。

2 黑水澄清槽的设计计算

黑水澄清系统既可对煤气化装置产生的黑水进行澄清处理以满足后续废水处理系统对进水的要求，又可将澄清处理后的灰水循环回用至煤气化装置内，从而达到节水减排的目的。鉴于黑水澄清槽在煤气化装置中的重要作用，目前基本上是由专业的生产企业进行研究设计和生产制造，用户仅需提供待处理黑水的组成、流量等相关参数以及对处理后灰水的要求，即可由专业的生产企业生产出满足要求的黑水澄清槽并打包提供给用户。在此模式下，不利于用户对黑水澄清槽进行独立运行和维护，因此，对黑水澄清槽的设计过程进行分析和研究，不仅有助于用户深入了解黑水澄清槽的设计和操作参数，而且有利于其运行和维护。

2.1 输入条件和输出要求

以公称投煤量2 000 t/d的干粉气流床激冷流程的煤气化装置为例，其黑水澄清系统的输入条件和输出要求如下。

(1) 输入条件：黑水澄清槽设计黑水处理量为330 m³/h，黑水含固质量分数1.5%~3.0%，黑水温度70~80 ℃，黑水中固体微粒尺寸分布如表 1所示。

表 1

煤气化装置黑水中固体微粒尺寸分布

粒径/μm	分布率/%(质量分数)
≤5	10
≤10	20
≤50	50
≤90	70
≤250	90
＞250	10

(2) 设计和输出要求：黑水表观停留时间4~5 h，出口灰水中含固质量浓度≤100 mg/L，出口灰浆质量分数10%~15%。

2.2 设计计算

2.2.1 设备总体积的确定

根据黑水处理量及最大黑水表观停留时间5 h考虑，则要求黑水澄清槽的容积为1 650 m³。考虑到开停车等不确定工况，预留50%的设计余量，则黑水澄清槽总容积按2 475 m³考虑设计。

2.2.2 设备规格尺寸的确定

黑水澄清槽各部分尺寸标示如图 4所示。

图 4

黑水澄清槽各部分尺寸标示

根据目前已应用的黑水澄清槽经验，该设计能力下的黑水澄清槽圆柱形槽体直径D一般在18~23 m，槽体总高度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)，计算并核验黑水澄清槽总体积是否能够满足设备总容积要求。

由图 4可知，黑水澄清槽总容积V包含上部圆柱形筒体体积V₁、下部圆台体积V₂以及底部圆锥体积V₃。

$ \begin{array}{l} {V_1} = \pi \times {D^2} \times {H_1}/4 = 2283.96({{\rm{m}}^3})\\ {V_2} = \pi \times \left( {{R^2}{\rm{ + }}{r^2} + R \times r} \right) \times {H_2}/3\\ = 365.05({{\rm{m}}^3})\\ {V_3} = (\pi \times {{\rm{d}}^2}/4) \times (H/3) = 0.38({m^3})\\ V = {V_1} + {V_1} + {V_3}\\ V = {V_1} + {V_2} + {V_3} = 2649.39({{\rm{m}}^3}) \end{array} $

V>2 475M³，因此，该黑水澄清槽根据经验假定的尺寸能够满足设计要求。

2.2.3 混合搅拌池的计算

混合搅拌池的有效容积V₄=Q×t。Q为混合搅拌池流量，包含黑水和絮凝剂流量，黑水流量为330 m³/h，絮凝剂流量一般为黑水流量的0.1%~0.5%，设计按最大量考虑，絮凝剂流量为1.65 m³/h，则Q=331.65 m³/h；t为搅拌混合的时间，一般取10~30 s，设计按30 s考虑。因此，V₄=331.65×30/3 600=2.76(m³)。

混合搅拌池的截面近似圆矩形，根据经验，矩形截面宽度a取1.5 m，高度b取2.0 m，则其当量直径为D₁=[(4×a×b)/π]^1/2=1.95(m)。因此，混合搅拌池的实际容积V₄′=(π×D₁²/4)×b=5.97(m³)。V₄′＞2.76 m³，能够满足设计要求。

2.2.4 絮凝反应区的计算

絮凝反应区采用平行折板结构，水流沿折板竖向上下流动，多次转折，以促进絮凝。

根据混凝动力学原理，一般情况下，絮凝时间T根据GT值(G为速度梯度)来确定。平行折板结构的絮凝池的GT值一般控制大于2×10⁴，平均G值在25~50 s^-1，絮凝时间一般在8~16 min。

如图 4所示，絮凝池为半圆柱体，絮凝反应区水深H₄按4.0 m计，扣除混合搅拌池容积，则絮凝反应区的有效容积V₅=π×D²×H₄/(4×2)-5.97=824.56(m³)。

则黑水在絮凝反应区的反应停留时间T=824.56/330=2.5(h)=150(min)。T＞16 min，完全能够满足絮凝反应要求。

在实际操作中，由于黑水澄清槽在澄清水出水端设置了斜板澄清结构，因此絮凝时间可大为缩短，一般只需3~5 min即可。

2.2.5 灰浆收集区的计算

根据沉淀池泥斗计算方法^[1]，灰浆收集区计算如下。

黑水密度约为974.6 kg/m³，则黑水最大的质量流量为321 618 kg/h，黑水中所含固体流量为9 648.54 kg/h，折固体质量浓度为29 238 mg/L。

日最大灰渣量G=Q×(S₁-S₄)×0.086 4。Q为设计处理水量，S₁为入口含固质量浓度，S₄为出口含固质量浓度(100 mg/L)。则G=330×(29 238-100)×0.086 4/3 600=230.77(t)。

每日沉降的固体灰渣体积V₀=100×G/[ρ× (100-P₂)]。ρ为灰浆密度，一般在1.5~2.6 t/m³；P₂为灰浆的含水质量分数，根据输出要求，取85%~90%。则V₀=100×230.77/{(1.5~2.6)× [100-(85~90)]}=591.72~1 538.47(m³)。因此，灰浆收集区集泥量为24.66~64.10 m³/h。

现设计的黑水澄清槽灰浆收集区的集泥量为V₂+V₃=365.43(m³)，能够满足设计要求。如果采取间断排泥，最大的排泥周期可达5.7~14.8 h。

2.2.6 斜板澄清区的计算^[3]

斜板沉淀池水流方向主要有上向流(异向流)、下向流(同向流)和侧向流(横向流)3种类型(图 5)，其中上向流应用最广，煤气化装置黑水澄清槽斜板澄清结构也采用上向流形式。

图 5

斜板沉淀池水流方向示意

上向流的水力计算公式为Q=η×μ×(A_f+A)，整理得A_f+A=Q/(η×μ)。Q为进入黑水澄清槽的设计总水量(330 m³/h)，η为有效系数(一般为0.7~0.8，取0.75)，μ为颗粒沉降速度(混凝反应为0.3~0.6 mm/s，选取0.35 mm/s)，A为斜板澄清槽池底水平面积(为黑水澄清槽底部面积的一半)，A_f为斜板水平投影水平面积总和。因此，A_f+A=(330/3 600)/(0.75×0.35×10^-3)=349.21(m²)，A=π×D²/(4×2)=207.63(m²)，则A_f=349.21-207.63=141.58(m²)。

一般斜板长度l取1 000 mm，倾斜角θ取60°，斜板间距d取50 mm(一般为50~150 mm)，考虑斜板澄清区进口紊流、积泥等因素，取过渡区为300 mm，则斜板真正起作用的长度约700 mm。根据斜板水力计算公式^[1]l=(1.33×v₀-μ×sinθ)×d/(μ×cosθ)，经整理得v₀=[(l×μ×cosθ)/d+μ×sinθ]/1.33。v₀为斜板板间流速，则v₀=2.07 mm/s；清水区上升流速v=v₀×sinθ=1.79(mm/s)；理论计算得到的清水区所需要的面积A′=Q/v=(330/3 600)/(1.79×10^-3)=51.21(m²)。A′＜207.63 m²，因此，所设计的清水区能够满足要求。

根据斜板沉淀池的设计要求，斜板上部的清水区高度不宜小于1.0 m，实际取1.2 m；斜板下部的布水区高度不宜小于1.5 m，实际取1.6 m。斜板澄清区高度示意见图 6。

图 6

斜板澄清区高度示意

斜板澄清区理论计算所需总高度H=0.300 +1.200+0.866+1.600+0.800=4.766(m)。H＜5.5 m，因此，黑水澄清槽设计高度完全能够满足要求。

3 结语

黑水澄清槽在煤气化装置的黑水处理系统中起着重要的作用，黑水澄清槽的合理优化设计是黑水澄清系统正常运转的基本保证，也是实现煤气化装置长周期稳定运行的重要保障之一，同时对煤气化装置的节水减排具有重要的意义。由于黑水澄清槽具有占地面积小、土建投资省、抗冲击负荷能力强、适用性广、效率高等特点，已在煤气化装置的黑水处理中获得了一定的应用，随着其设计的不断优化及其工业化应用的日益成熟，必将得到进一步的推广和应用。

ckwx 参考文献

中国市政工程东北设计研究院.给水排水设计手册:第3册城镇给水[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

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牟占军,杨伟,武朝军.斜板沉淀池的设计计算[J].内蒙古石油化工,1995(1):29-32.