煤气化过程高浓度酚氨污水化工处理流程开发、模拟与工业实施

论文摘要

煤气化工艺中产生的煤气洗涤污水中含有酚氨等高浓度难降解有机污染物,工业上通常采用化工分离和生化处理两段法来实现酚氨的回收和污水的净化排放。但是,现有的煤气化污水化工处理流程的酚回收效率较低,难以满足后续生化处理段的要求,从而导致最终排放不达标。针对煤气化污水水质的特点,本文采用ElecNRTL和NRTL热力学模型来分别描述现有流程中涉及的NH3-CO2-H2S-NaOH-PhOH-H2O和水-二异丙醚-苯酚-对苯二酚的多元极性复杂体系的热力学性质,并将这些数据结合ASPEN流程模拟软件对现有流程进行模拟分析。在流程模拟的基础上,结合工业现状,本文分析了现有流程存在的两个主要问题:萃取脱酚效果差和部分管线碳铵结晶问题。针对这两个问题,本文探讨了各种可能的解决方案。通过比较各个方案的优劣,最终提出了采用单塔汽提侧线脱氨技术替代原有的脱酸脱氨单元和采用MT替代原有的二异丙醚作为萃取剂这两个改进方案。前者目的是将污水的pH值从9左右降到6.5,使萃取在偏酸条件下进行,从而提高萃取脱酚效率,并且单塔汽提可以有效地抑制管线碳铵结晶的问题。后者是选择了一种对多元酚的分配系数更高的萃取剂,从而提高现有流程的脱酚效率。由于采用了新的萃取剂,需要重新确定萃取条件和相关参数。本文研究了MT萃取煤气化污水所适宜的温度和pH值,以及所需萃取相比和萃取级数。并对水-MT-苯酚-对苯二酚四元体系进行了液液相平衡研究,用NRTL方程关联得到新流程模拟所需的二元交互作用参数,为新流程的模拟开发提供数据基础。为了保证改造后的新流程能够有效地、稳定地运行,本文对新流程进行了稳态模拟。在此在基础上,设计并优化了新流程诸如塔板数、塔顶温度等各个设备和操作参数。并且在对新流程动态模拟的基础上,提出了合适的控制方案。处理量为130 t/hr的煤气化污水处理新流程目前已在中煤龙化哈尔滨煤化工公司得以成功工业实施。工业实施结果表明,和原有的工艺相比,新流程对CO2的脱除效率从60%提高到99%以上,对总酚的脱除效率从76 %提升到93 %。新流程的实施提高了有机污染物的脱除率,满足了后续生化处理的要求,并最终实现了污水的达标排放。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 煤气化污水的来源和危害
• 1.1.2 煤气化污水处理技术的研究进展
• 1.1.3 本论文研究的工业背景
• 1.2 化工流程模拟技术的研究
• 1.2.1 过程系统工程简介
• 1.2.2 过程系统模拟
• 1.2.3 流程系统模拟的算法
• 1.2.4 流程模拟软件的介绍
• 1.3 化工过程控制的研究
• 1.3.1 化工过程控制简介
• 1.3.2 过程控制的目的和特点
• 1.3.3 过程控制的设计要点
• 1.4 本论文的研究内容和工作框架
• 第二章 煤气化污水处理流程建模
• 2.1 流程描述
• 2.2 煤气化污水水质分析
• 2.2.1 煤气化污水水质分析方法
• 2.2.2 煤气化污水水质分析结果
• 2.3 煤气化污水热力学研究
• 2.3.1 污水体系的气液平衡模型
• 2.3.2 热力学方法的选择
• 2.4 精馏过程的建模
• 2.4.1 平衡级模型和非平衡级模型
• 2.4.2 Murphree塔板效率
• 2.5 萃取过程的计算
• 2.6 小结
• 第三章 现有煤气化污水处理流程的模拟与瓶颈分析
• 3.1 现有流程的模拟
• 3.1.1 流程模拟代表组分
• 3.1.2 模拟单元设备的模型选择
• 3.1.3 现有流程模拟结果
• 3.2 现有流程存在的问题
• 3.3 流程改造方案的讨论
• 3.3.1 改善流程萃取脱酚能力
• 3.3.2 改善流程中碳铵结晶问题
• 3.4 单塔加压侧线脱氨技术
• 3.4.1 工艺原理
• 3.4.2 改造方案的模拟结果
• 3.5 小结
• 第四章 萃取剂的选择与相关的液液相平衡研究
• 4.1 萃取剂的选择
• 4.1.1 萃取剂的初步筛选
• 4.1.2 萃取效果的比较
• 4.1.3 萃取剂的回收利用方式
• 4.2 萃取过程操作参数的确定
• 4.2.1 pH值
• 4.2.2 萃取操作温度
• 4.2.3 萃取相比
• 4.2.4 萃取级数
• 4.3 液液萃取相平衡研究
• 4.3.1 液液相平衡实验数据
• 4.3.2 液液相平衡数据的关联
• 4.4 小结
• 第五章 新流程的模拟、优化与设计
• 5.1 新流程的流程架构
• 5.2 污水汽提塔
• 5.3 萃取塔
• 5.4 溶剂汽提塔
• 5.5 溶剂回收塔
• 5.6 小结
• 第六章 新流程的控制系统设计
• 6.1 精馏塔动态模型的构建
• 6.1.1 精馏塔的控制要求和扰动分析
• 6.1.2 精馏塔的动态模型
• 6.2 污水汽提塔控制方案的确定
• 6.2.1 控制目标的确定
• 6.2.2 测量参数的选择
• 6.2.3 被控变量的选择
• 6.2.4 控制方案的选择
• 6.2.5 控制器设计
• 6.3 污水汽提塔控制方案的效果验证
• 6.4 小结
• 第七章 工业实施与结果分析
• 7.1 工业实施方案说明
• 7.1.1 概况
• 7.1.2 工艺方案指标
• 7.1.3 设备组成
• 7.1.4 工艺原理及流程图
• 7.1.5 工艺流程说明
• 7.2 工艺操作条件
• 7.3 主要装置规模
• 7.4 新流程控制系统运行情况
• 7.5 新流程处理效果分析
• 7.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢
• 附件