柳鋼焦化廠磷酸法氨回收工藝控制及故障分析

李磊(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)公司焦化廠 廣西 柳州545002)

引言

柳鋼焦化廠焦?fàn)t煤氣脫氨目前有兩種工藝，一種是飽和器法硫酸洗氨生產(chǎn)硫酸銨工藝，另一種則是弗薩姆(PHOSAM)法磷酸脫氨工藝，用磷酸脫除焦?fàn)t煤氣中的氨，回收生成8%～18%的濃氨水作為燒結(jié)尾氣脫硫的氨源。磷酸脫氨工藝自2010年投用以來(lái)取得了顯著的效果，檢修維護(hù)成本大大降低，生產(chǎn)環(huán)境得到改善，對(duì)節(jié)能減排更是具有重要意義。

一、工藝原理及工藝控制

目前柳鋼焦化廠采用冷態(tài)法磷酸洗氨，工藝的原料為35～55℃的煤氣。其中含氨量為6～10g/m3，產(chǎn)品中煤氣含氨為0.08～0.1g/m3，生產(chǎn)的氨水濃度可在8～18%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

1.系統(tǒng)工藝原理

該系統(tǒng)工藝原理主要利用磷酸銨鹽的化學(xué)性質(zhì)即磷酸二氫銨(NH4H2PO4)、磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、磷酸銨((NH4)3PO4)均為白色晶體，可溶于水。磷酸二氫銨十分穩(wěn)定，在130℃以上分解。磷酸氫二銨不很穩(wěn)定，在70℃時(shí)即可分解，磷酸銨在常溫下即可分解。因此系統(tǒng)溶液中主要含有磷酸二氫銨和磷酸氫二銨。可利用以下式概括，即：

2.系統(tǒng)的工藝控制

(1)氨的吸收

氨吸收主要是由化學(xué)平衡控制，即壓力、溫度和摩爾比。相對(duì)而言溫度、壓力影響較小，因此在一定溫度下，氨的吸收主要取決于(NH4)2HPO4的含量，即磷銨溶液液面的氨分壓。所以控制銨鹽的總量，一銨和二銨的質(zhì)量比十分重要。一般噴灑液中含磷銨量約為41%，NH3/H3PO4(摩爾比)為1.1～1.3。[1]因此，吸收工序主要控制入塔貧液量以及貧液的摩爾比。如果溶液量減少，裝置運(yùn)行成本降低，經(jīng)濟(jì)性好。但富液摩爾比升高，當(dāng)超過(guò)1.8時(shí)，吸收過(guò)程中酸分將增加，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕性加劇。

(2)系統(tǒng)水平衡

控制系統(tǒng)水平衡的目的是控制H3PO4濃度，磷酸酸度對(duì)溶液結(jié)晶點(diǎn)和密度有較大影響，密度減小，影響除油器的操作，密度升高，溶液結(jié)晶點(diǎn)升高，引起結(jié)晶堵塞。磷酸酸度為35%時(shí)，溶液結(jié)晶點(diǎn)升高到40℃。酸度為30%時(shí)，溶液相對(duì)密度為1.2～1.3，結(jié)晶點(diǎn)小于25℃。水平衡的控制主要是調(diào)節(jié)進(jìn)入吸收塔中的貧液溫度，間接控制煤氣出口溫度。通過(guò)不同溫度下出口的煤氣帶出的水量來(lái)控制系統(tǒng)的水平衡。但是隨著煤氣溫度的升高，出口煤氣中氨的含量會(huì)略有上升。另一調(diào)控手段是控制進(jìn)解吸塔的富液溫度，主要是貧富液換熱器后出冷凝冷卻器的富液溫度。在冷凝冷卻器中，第一次換熱后的富液會(huì)和解吸塔出塔氨氣進(jìn)行換熱，從而可以控制更多的水分隨氨氣離開(kāi)系統(tǒng)。但是此方法會(huì)影響氨產(chǎn)品的濃度。同時(shí)此法也會(huì)受到冷凝冷卻器以及解吸塔給料泵的能力的限制。因此，在工藝控制中較少采用此法。

(3)富液解吸

解吸效率對(duì)出塔貧液有重大影響。解吸的控制最主要調(diào)節(jié)的是進(jìn)入解吸塔的蒸汽量。進(jìn)塔蒸汽量隨著富液流量的變化而變化。進(jìn)塔富液流量增加，進(jìn)入解吸塔的中壓蒸汽量也隨之增加。壓力降低，解吸效率也會(huì)降低。蒸汽用量增加，解吸塔壓力會(huì)升高，會(huì)造成設(shè)備腐蝕程度加劇。解吸塔壓力的穩(wěn)定需要有穩(wěn)定的進(jìn)塔富液流量、蒸汽量。在蒸汽量波動(dòng)較小時(shí)，解吸塔壓力的波動(dòng)可以通過(guò)氨水流量調(diào)節(jié)閥來(lái)控制。即閥門(mén)關(guān)小時(shí)，提高冷凝冷卻器底部氨水液位，從而減小冷卻水與上部氨氣的接觸面積，從而減小氨氣的冷凝量，進(jìn)而控制解吸塔的壓力。但是此方法只是對(duì)解吸塔壓力的微調(diào)，塔壓的穩(wěn)定主要還是靠蒸汽量。

(4)氨水濃度調(diào)節(jié)

氨水濃度與系統(tǒng)中貧富液摩爾比、含氨量以及解吸塔頂部溫度等參數(shù)相關(guān)。本系統(tǒng)溶液參考值在富液摩爾比1.5～1.6，貧液摩爾比1.32±0.05，貧液含氨量小于6.3，塔頂溫度為185±5℃時(shí)，各參數(shù)對(duì)氨水濃度的調(diào)節(jié)主要參考表1。

其中對(duì)氨水流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)是在貧富液摩爾比需要調(diào)節(jié)的情況下濃度發(fā)生變化后進(jìn)行的，不宜頻繁調(diào)節(jié)。

表1:各參數(shù)對(duì)氨水濃度的調(diào)節(jié)

二、系統(tǒng)故障及原因分析

1.系統(tǒng)結(jié)晶堵塞導(dǎo)致系統(tǒng)停產(chǎn)

系統(tǒng)結(jié)晶部位主要是在給料槽出口即氨水管路。造成結(jié)晶的原因主要是系統(tǒng)發(fā)生液泛帶出大量的磷銨富液與氨水混合經(jīng)過(guò)氨水冷卻器后溫度太低所致。通過(guò)前述水平衡的控制調(diào)節(jié)中講述，酸度對(duì)溶液結(jié)晶有重大影響。磷銨溶液進(jìn)入到氨水，提高了酸度，當(dāng)換熱后溫度降到40℃以下，發(fā)生結(jié)晶，堵塞管道，導(dǎo)致系統(tǒng)被動(dòng)停產(chǎn)。因此防止系統(tǒng)發(fā)生液泛是控制氨水溶液結(jié)晶的最主要手段。

系統(tǒng)液泛主要表現(xiàn)形式為解吸塔壓差增大即阻力升高，進(jìn)入給料槽的氨水量明顯增加。因?yàn)橐悍喊l(fā)生后，汽泡阻滯了溶液自上而下的流動(dòng)，相當(dāng)于是在塔內(nèi)形成了斷塔盤(pán)，從而使富液不能流暢的向下流動(dòng)而是轉(zhuǎn)向氨氣出口管出去，造成給料槽氨水量增加的假象。引起液泛發(fā)生的主要原因有以下3個(gè)方面：(1)系統(tǒng)前端除油不好，導(dǎo)致有較多的焦油進(jìn)入塔內(nèi)，在塔盤(pán)上附著，使解吸塔阻力增加；(2)系統(tǒng)中的酸性氣體過(guò)多。當(dāng)富液摩爾比過(guò)高，溶液的PH大于7時(shí)，煤氣中的酸性氣體被吸收成揮發(fā)銨鹽。當(dāng)溶液進(jìn)入解吸塔被加熱后，由于酸性氣體的逸出而產(chǎn)生發(fā)泡液泛；(3)蒸汽。一般來(lái)說(shuō)，蒸汽量過(guò)大會(huì)產(chǎn)生液泛。如果蒸汽量過(guò)小，富液因從冷凝冷卻器器中得到的熱量太少而使進(jìn)料溫度太低，溶液在塔中得不到蒸發(fā)所需的熱量而積聚在塔板上，致使塔壓差升高，也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似液泛現(xiàn)象。蒸汽壓力的不穩(wěn)定 ，也會(huì)造成解吸塔的液泛。

針對(duì)以上原因我們采取了以下措施：(1)嚴(yán)格控制富液的摩爾比小于1.75、磷酸酸度大于25，保持富液較高比重，以保證焦油和溶液的良好分離，并保證溶液呈酸性，以盡量減少吸收酸性氣體。(2)加強(qiáng)除焦油器的操作。當(dāng)溶液中焦油量大時(shí)，可提高除焦油器液位并及時(shí)從焦油槽中撇出焦油。定期對(duì)除焦油器和焦油槽進(jìn)行清掃，以減少進(jìn)入解吸塔富液中的焦油量。(3)提高分離器的酸性氣體排出量，即提高進(jìn)分離器的富液溫度，以減少富液中酸性氣體量。(4)穩(wěn)定解吸塔加熱蒸汽壓力和保證適當(dāng)?shù)恼羝髁俊?5)在溶液槽中連續(xù)加入適量消泡劑，減少溶液的發(fā)泡。

2.系統(tǒng)換熱器堵塞

圖2:換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

換熱器的堵塞是本系統(tǒng)遇到的最多的故障，最多時(shí)平均每周1次，頻率較高。換熱器堵塞的主要原因是前端除油沒(méi)有做好，導(dǎo)致系統(tǒng)含油量高。當(dāng)焦油進(jìn)入到解吸塔內(nèi)后經(jīng)過(guò)195℃的高溫分解后剩下的重油會(huì)形成瀝青狀的粘結(jié)物質(zhì)，加之系統(tǒng)內(nèi)含有的煤粉、焦粉等物質(zhì)，經(jīng)過(guò)換熱器溫度降低后形成較硬的渣，堵塞換熱器管道，造成系統(tǒng)被動(dòng)停產(chǎn)。另外，由于貧富液換熱器原設(shè)計(jì)為U形管式換熱器臥式安裝，封頭用隔板隔成三室，貧液冷卻過(guò)程經(jīng)過(guò)三室四程，相當(dāng)于要經(jīng)過(guò)兩道U型彎道，由于存在U形且溫差較大，彎管處易堵難清。針對(duì)以上問(wèn)題我們采取了以下措施：(1)除與控制液泛相同，加大了對(duì)除油器的操作外，加強(qiáng)了對(duì)前端電捕焦油器的操作，盡量減少進(jìn)入吸收系統(tǒng)的焦油量。(2)將焦油槽出口管抬高，防止過(guò)多的焦油渣被抽入分離器進(jìn)入解吸塔。(3)對(duì)解吸塔實(shí)行定期排渣制度，防止過(guò)多的硬質(zhì)焦油渣形成。(4)出塔貧液管增加過(guò)濾系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)焦油渣的清除。(5)控制溶液流量，對(duì)于系統(tǒng)減產(chǎn)，溶液流量最低不能低于正常流量的40%。(6)換熱器重新進(jìn)行選型。將換熱器內(nèi)列管改為直管，并做立式安裝，富液路內(nèi)設(shè)折流板，貧液側(cè)封頭仍用隔板隔成三室，換熱效果好，取消了U型彎道，大大減小了堵塞的幾率，降低了清洗成本(換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖2)。通過(guò)采取以上措施后系統(tǒng)堵塞頻率明顯降低。

結(jié)束語(yǔ)

1.柳鋼焦?fàn)t煤氣磷酸脫氨工藝經(jīng)過(guò)一系列的完善與優(yōu)化后，運(yùn)行穩(wěn)定，出現(xiàn)的問(wèn)題得到了有效解決，對(duì)燒結(jié)煙氣脫硫具有重要的促進(jìn)作用。

2.焦?fàn)t煤氣磷酸脫氨生產(chǎn)氨水工藝比飽和器硫酸銨工藝更節(jié)能環(huán)保，特別是與燒結(jié)煙氣脫硫?yàn)榕涮坠こ蹋跓Y(jié)廠用水需求足夠的情況下，本廠的飽和器硫酸銨工藝已可以完全淘汰。

[1]何建平；李輝，《煉焦化學(xué)產(chǎn)品回收技術(shù)》，冶金工業(yè)出版社，2006年4月第一版，P133.

[2]彭光文，《焦?fàn)t煤氣磷酸脫氨工藝的完善與優(yōu)化》，2012.11，P2.