用溶氨器替代傳統工藝配制氨水

(上?；ヂ摥h保工程技術中心，上海 200086)

1 用液氨配制氨水的傳統工藝

工業界用液氨配制氨水的傳統工藝已經沿用許多年。盡管其中吸氨器型式可以各異，例如有噴射吸氨器、高位吸氨器。蒸發器、冷卻器的型式也可以各異，換熱介質也不同，但其工藝流程大致如圖1所示。由圖1可見，傳統的氨水配制流程由多種設備組成，需要占用一定的面積和空間位置。流程中從氨水儲罐到吸氨器入口有一條副線，這是為當一次吸氨達不到要求的氨水濃度時，讓氨水循環提濃而設置的。從圖1可以發現，液氨蒸發成氣氨需要加熱，而氣氨通過吸氨器溶于水后又需要冷卻降溫，進一步分析還可以發現，加熱和冷卻移進移出的熱量是近乎相等的。長期以來不少研究者做了許多工作，試圖讓液氨直接溶于水配制氨水，省去液氨加熱蒸發和氣氨溶解于水放熱而需要冷卻的雙重能耗，之所以沒能成功，皆因氨的特殊性質所致。液氨極易揮發，所以管道輸送液氨時，總有一部分氣氨存在，實際上是兩相并流。氨極易溶解于水，溶解速度非?？?，但是氣氨溶解于水時容易出現類似爆破的強烈響聲和振動，這是在迅速溶解于水時氣氨氣泡消滅產生的現象。氣氨溶解于水時產生大量溶解熱，導致氨水溫度大幅度升高，需要外加冷量來冷卻。在高溫氨水尚未冷卻時，會夾帶氣氨，冷卻時氣氨又溶解于水，此時也有可能出現爆破聲和振動。上述情況使得液氨直接溶解于水制取氨水成為很困難的事情，或者說所謂傳統技術沒有找到解決上述爆破聲、振動、發熱等等問題的辦法，不得不采用先全部變成氣氨，再讓氣氨溶解于水，隨后再對溫度升高的氨水進行冷卻的工藝方案。

某公司對傳統氨水制備裝置改進完善，采取設備集成化及能源綜合利用等措施，推出“超級吸氨器”，取得了極大的進步，具有裝置小巧緊湊、能耗低、對環境影響小、不受氣溫影響、運行穩定等優點，但是“超級吸氨器”仍然沒有超出傳統工藝的范圍。

圖1 由液氨配制氨水的傳統工藝流程圖

2 溶氨器的原理

為了實現用液氨直接配制氨水，避免傳統工藝中對氨先汽化再液化(溶解)、先加熱再冷卻的過程，筆者設計了命名為“溶氨器”的裝置。之所以稱為溶氨器，是為區別于先前已有的吸氨器，吸氨器的工作過程是用水吸收氣氨，而溶氨器的過程是液氨溶解于水。圖2是溶氨器工作的流程示意圖，裝置包含了溶氨器、下降管和氨水儲罐。其中溶氨器是一臺非常小的設備，液氨處理量為2.5 t/h的溶氨器凈重只有70 kg，具體構造見圖3。

圖2 溶氨器工藝流程圖

液氨從溶氨器頂部的液氨進口管進入溶氨器，水從溶氨器側面的水進口管進入溶氨器，在溶氨器中氨和水相互溶混制成氨水，再經過下降管進入氨水儲罐。圖中的氨水儲罐也可以是直接使用氨水的塔器的塔釜，例如煙氣脫硫吸收塔的塔釜。下降管是一根豎直的長管道，其作用是作為大氣腿，使溶氨器內部形成穩定的真空，保證溶氨器系統平穩運行。下降管上部與溶氨器下部氨水出口的連接線距離儲罐內液面的高度由計算確定。

圖3 溶氨器構造圖

在溶氨器中，液氨穿過液氨進口管下部管壁上各向均布的小孔溶入水中，即使液氨中夾帶少量氣氨，分散開來從各個方向的小孔進入，就像消聲器一樣，許多小能量的爆破聲和振動分布在各個方向上，產生相互抵消的效應。利用下降管的大氣腿作用，使溶氨器內部始終保持穩定比較高的真空度，確保運行中溶氨器內部不發生壓力波動，也是系統平穩運行的重要條件。此外，即使夾帶的少量氣氨溶解放熱，相對而言水的流量大，足以讓溶液溫度不出現明顯的升高，所以一般不需要外加冷源降溫。

同傳統氨水制備工藝相比，處理等量的氨，溶氨器可節省投資80%以上，減少占地面積80%以上，運行能耗和費用也大幅度降低，而且不需要專門的運行操作人員。

在上述說明中所稱的“水”，一般是清水；當用于稀氨水提濃時，可以是稀氨水；也可以是其他氨不飽和的水溶液，例如煙氣氨法脫硫中的循環噴淋吸收液。

3 溶氨器系統設計的要領

第一，盡可能杜絕液氨從儲罐到溶氨器的輸送管道中發生汽化，使進入溶氨器的液氨盡量少地含氣氨。

第三，確定下降管上部與溶氨器下部氨水出口的連接線距離儲罐內液面的高度h，h的單位是m，可以參照文獻[1]及[2]推導的方法計算。文獻[1]對于氣液兩相豎直向下的管流進行了分析，并且推導歸納出實用的設計計算方法。文獻[2]引用了文獻[1]的結果，并在文獻[1]的基礎上建立氨-水系統的相關計算公式，二者的區別在于文獻[1]的氣相是不凝氣，而文獻[2]的氣相是可溶解的氣氨，并且在下降管中氣氨已經全部溶解。本文不打算討論繁瑣的計算過程，歸納運用上述文獻成果對一些工程實例進行計算的結果，對于h的數值，如果儲罐氣相接近于常壓，建議在12～13.5 m范圍內選取。

4 溶氨器在煙氣氨法脫硫工程中的應用

實施煙氣氨法脫硫的企業，如果需要購進液氨或者使用自產液氨，最好的辦法是將液氨直接注入脫硫溶液，不必先配制成氨水再用于脫硫。這樣做對于脫硫系統的水平衡大有好處，尤其是采用塔內飽和結晶工藝的氨法脫硫裝置，而且過程更簡單、控制更方便。此外，購進液氨比購進氨水便宜，同時，儲存液氨比儲存氨水更安全、更經濟。使用溶氨器，可以很方便地將液氨直接注入脫硫溶液。如果本企業已經有一部分氨水來源，例如有回收的稀氨水，但還需要補充購進一部分液氨的，此時可以采用溶氨器把這部分液氨配制成氨水，一并用于脫硫裝置。對于這兩種需求，下面列舉工程實例說明。

某火電廠2套350 MW燃煤機組對應2套氨法脫硫裝置，每套(即每臺脫硫塔)分別使用1臺溶氨器直接將液氨注入脫硫溶液。由于該機組燃煤含硫量低，脫硫用氨量相對也較少，選用液氨處理量為1 t/h的溶氨器。溶氨器安裝在脫硫塔適當高度的平臺上，液氨由液氨儲罐送來，經自動節流減壓裝置后，從溶氨器頂部液氨進口管送入溶氨器；從脫硫循環泵出口管分出一支管連接到溶氨器水進口管，將適量的脫硫溶液送入溶氨器；下降管下端連接在脫硫循環泵進口管上，配制好的含氨溶液從溶氨器下部出口管進入下降管，經過下降管混入脫硫溶液中。這兩臺溶氨器已運行很長時間，效果很好。

某化工廠4臺供熱鍋爐共用1臺氨法脫硫塔，設計鍋爐總容量為420 t/h，使用一臺溶氨器直接將液氨注入脫硫溶液。由于該機組燃煤含硫量高，脫硫用氨量相對也較多，選用液氨處理量為2.5 t/h的溶氨器。溶氨器安裝在脫硫塔適當高度的平臺上，液氨由液氨儲罐送來，經自動節流減壓裝置后，從溶氨器頂部液氨進口管送入溶氨器；從脫硫循環泵出口管分出一路支管連接到溶氨器水進口管，將適量的脫硫溶液送入溶氨器；下降管下端連接在脫硫循環泵進口管上，配制好的含氨溶液從溶氨器下部出口管進入下降管，經過下降管混入脫硫溶液中。這臺溶氨器已運行多年，使用效果比較理想。

某大型煤化工企業4臺蒸發量為600 t/h的鍋爐，每2臺鍋爐共用1臺氨法脫硫塔，4臺鍋爐對應2套氨法脫硫裝置，而氨水配制和氨水儲罐則為2套脫硫裝置共用。由于該企業有時有一部分回收的稀氨水用于脫硫，不足氨源外購液氨補充，為此需要將外購液氨配制成氨水同自供氨水一并儲存使用。選用2臺規格為2.5 t/h的溶氨器并聯使用，安裝在鄰近氨水儲罐的廠房適當高度的平臺上。液氨由液氨儲罐送來，經自動節流減壓裝置后，從溶氨器頂部液氨進口管送入溶氨器，工藝水由壓力管道送至溶氨器側面的水進口管，液氨和工藝水在溶氨器里溶混成氨水，從氨水出口進入下降管，經下降管進入氨水儲罐。幾年來這2臺溶氨器運行正常，能夠達到設計指標。但是該工程的氨水配制系統，2臺溶氨器的下降管下端被設計成合并為1根大管進入氨水儲罐，運行人員反映，2臺溶氨器同時使用時流量分配不太好調節。這是一個負面的經驗，2臺或2臺以上溶氨器并聯設置時，其下降管一定要設計成獨立插入氨水儲罐的型式。

參考文獻：

[1]王志雅.自排不凝氣直接式蒸汽冷凝器排水管的設計[J].化肥設計，2006，45(6)：26～28.

[2]高振恒.脫硫塔雙程旋流板結構及其設計方法探討[J].化工設計通訊，2012，38(3)：24～27.

[3]王志雅.溶氨器：中國，201220723802.1[P].2012-12-26.