焦化廠蒸氨節(jié)能工藝的研究

吳 玲

(山西焦煤集團五麟煤焦開發(fā)有限責任公司，山西 汾陽 032200)

引 言

煤炭焦化行業(yè)作為煤炭加工的一個程序，在高溫蒸餾的作用下煤炭中的氨、氫等元素合成氨隨著荒煤氣排放出來。含氨氣的荒煤氣經(jīng)冷凝鼓風流程后，其中的氨氣與冷凝過程中的水分子形成冷凝氨水。冷凝氨水有兩部分的用途，一部分用于循環(huán)再利用對焦爐煤氣的冷卻處理，稱為循環(huán)氨水；另一部分作為廢水排放。其中，作為廢水排放的氨水含有NH3、H2S、CO2和HCN，無法直接生化處理，對環(huán)境污染嚴重[1]。而當前所采用的蒸氨工藝處理含氨廢水存在耗能大、成本高等問題。因此，需對焦化廠排放含氨廢水的蒸氨工藝進行節(jié)能優(yōu)化。

1 蒸氨工藝理論分析

蒸氨工藝的主要目的是將廢水中的氨通過蒸餾的方法將其中游離的氨轉(zhuǎn)移到蒸汽中，進而實現(xiàn)對廢水中氨氮的脫除處理。蒸氨工藝包括兩個步驟，分別為銨鹽的轉(zhuǎn)化和氨的傳質(zhì)。

1.1 銨鹽的轉(zhuǎn)化理論

在實際蒸氨工藝操作中，通常向含氨廢水中加入一定量的堿性氫氧化鈉實現(xiàn)將固定氨到游離氨的轉(zhuǎn)化[2]。當反應溫度為25 ℃時，游離氨在含氨廢水中的比例與pH值變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 含氨廢水中游離氨的比例隨pH值的變化規(guī)律

如圖1所示，當pH在11左右時，實現(xiàn)了固定氨到游離氨的全部轉(zhuǎn)化。

1.2 氨的傳質(zhì)過程

蒸氨法的實質(zhì)就是在堿性氣相介質(zhì)的作用下，將含氨廢水中的液相氨轉(zhuǎn)化為氣相，從而達到降低含氨廢水中氨氮濃度的目的。從而在轉(zhuǎn)化過程中存在氣體和液體的傳質(zhì)現(xiàn)象。目前，可應用于液氨到氣氨轉(zhuǎn)化的傳質(zhì)理論包括有雙膜理論、滲透論、表面更新論等。在實際生產(chǎn)中，通?；陔p膜理論實現(xiàn)液氨到氣氨的轉(zhuǎn)化，包括有分子擴散和渦流擴散[3]。

其中，分子擴散為當廢水中游離氨的濃度較高時，會從廢水表面溢出，而且隨著溫度的升高所溢出的游離氨越多，從而實現(xiàn)了水和氨的分離。渦流擴散為在蒸氨過程中，游離氨以氣泡的形式在廢水中上升，形成液面的流動。

因此，蒸氨工藝中氨的傳質(zhì)需考慮分子擴散和渦流擴散的影響因素。

2 蒸氨工藝研究

間歇蒸餾操作作為蒸氨工藝中相對簡單的環(huán)節(jié)，其傳質(zhì)過程穩(wěn)定，所需設(shè)備也簡單。本節(jié)對間歇蒸試驗的工藝特征進行研究[4]。本次試驗采用試驗水和模擬水進行對比。其中，試驗水為含氨廢水，模擬水為加入一定量的NH4Cl，調(diào)制為3 500 mg/L的試驗水。本次試驗，加入不等量固態(tài)NaOH實現(xiàn)分析在不同pH值下的游離氨的轉(zhuǎn)化效率。本次試驗所采用設(shè)備如表1所示。

表1 間歇蒸氨試驗設(shè)備

試驗方法：將1 L模擬氨水進行加熱處理，待液體沸騰后，分別在沸騰后的0、5、10、15、20、30、40、50 min的時刻取10 mL的液體并置于密閉瓶中。對比采樣前、后反應器的質(zhì)量，并對密閉瓶中液體冷卻至室溫后的氨氮濃度和pH值進行測定。

經(jīng)上述試驗操作可得如下結(jié)論：

1) 當廢水中總氨濃度一定時，隨著pH值的升高，對含氨廢水中的除氨效率越大，且除氨效率最佳pH值為11。

2) 含氨廢水中除氨率隨著廢水蒸發(fā)量的增加而增加，但其增長速度不斷減小。當蒸發(fā)量小于100 g時，除氨效率增長效果顯著。當蒸發(fā)量大于100 g時除氨效率增長緩慢甚至區(qū)域平穩(wěn)是由于傳質(zhì)速度下降所導致的。

3 蒸氨工藝的節(jié)能設(shè)計和效果驗證

經(jīng)實驗研究可知，在實際蒸氨過程中，由于游離氨的不斷分離導致廢水中氨的濃度降低，進而使得氨的傳質(zhì)速度降低。為了保證氨的傳質(zhì)效率，常通過增大蒸汽量保證出水氨氮的濃度滿足要求，進而增大能量的消耗。因此，可通過減少含氨廢水在低濃度段蒸汽時的能耗實現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)。故，將吹脫法應用于處理低濃度的含氨廢水[5]。

3.1 吹脫法研究

吹脫法的試驗裝置與蒸氨裝置相類似，其主要包含有模擬氨水的升溫系統(tǒng)和吹脫系統(tǒng)。吹脫試驗裝置如圖2所示。

結(jié)合理論分析和試驗經(jīng)驗的基礎(chǔ)，得出吹脫試驗的最佳參數(shù)。其中，要求蒸氨塔的進水溫度不得小于90 ℃；綜合分析吹脫效果及成本，將進水pH值控制在14左右，將蒸氨進水的pH值控制在11.2左右；將吹脫過程中氣液比控制在2 000。

圖2 吹脫試驗裝置示意圖

3.2 蒸氨-吹脫節(jié)能工藝的設(shè)計

吹脫工藝作為當前解決耗能大的問題，設(shè)計如圖3所示的蒸氨工藝與吹脫工藝相結(jié)合的工藝流程圖。

圖3 蒸氨-吹脫工藝流程示意圖

如圖3所示，蒸氨-吹脫工藝主要包含有加堿、換熱、蒸氨、吹脫以及吸收5個步驟。其中，加堿的主要作用為通過NaOH實現(xiàn)對含氨廢水pH值的調(diào)節(jié)；換熱的主要作用是將低濃度、高溫度的蒸氨廢水采用換熱器將其溫度控制在75 ℃左右；蒸氨為對換熱后的含氨廢水進行蒸餾操作，實現(xiàn)游離氨的從廢水中的分離；吹脫的作用為低濃度含氨廢水通過吹脫塔將其濃度達到目標濃度；吸收的作用為將排放出的氨氣采用稀硫酸進行吸收凈化，并對塔底排出的硫酸銨溶液進行回收利用。

3.3 蒸氨-吹脫節(jié)能效果驗證

為驗證蒸氨-吹脫工藝的節(jié)能效果，在實驗室中對蒸氨-吹脫工藝和蒸氨工藝的耗能進行對比分析。本次試驗設(shè)定：廢水中所含氨的質(zhì)量濃度為3 500 mg/L；進水流量為150 g/min，要求處理后所排出廢水中氨的質(zhì)量濃度小于200 mg/L。試驗對比結(jié)果如表2所示：

表2 蒸氨-吹脫工藝與蒸氨工藝的耗能對比

如表2所示，基于蒸氨-吹脫工藝不僅可降低出水中氨的濃度，還能夠降低處理每噸氨水時消耗蒸汽的量，具體數(shù)值為49 kg。按照每噸水蒸氣的價格為100元，即每處理1 t氨水，可節(jié)約費用為4.9元。

某焦化廠每年所產(chǎn)氨水的總量為100萬t。則，采用蒸氨-吹脫工藝后每年可節(jié)約費用為4.9元/t×100萬t=490萬元。

4 結(jié)語

焦化作為對煤炭處理的一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在處理煤炭過程中會產(chǎn)生一定量的氨水，氨水由于其所含物質(zhì)的復雜性，無法對其進行生化處理，導致其中所含的氨造成對環(huán)境的嚴重污染。而在日常對含氨廢水的處理需消耗大量的電能。結(jié)合理論分析和試驗的思路可知，蒸氨-吹脫工藝能夠達到對除氨工作的節(jié)能生產(chǎn)，且每處理1 t氨水可節(jié)約費用為4.9元。