含氨氣體對燃氣發動機的危害及脫氨方法

馬學志（勝利油田勝利動力機械集團有限公司，山東 東營 257032）

引言

隨著節能減排形勢日趨嚴峻，氣體燃料作為內燃機的一種重要替代能源也越來越多的受到關注和重視,燃氣發動機從最初的天然氣，沼氣發展到現在的各種垃圾填埋氣、煉化尾氣等，應用范圍不斷擴大。氣體燃料種類繁多,燃料中除了含有一定成分的甲烷、一氧化碳、氫氣等可燃氣體外，還含有少量的硫化氫（H2S）、氨（NH3）等腐蝕性氣體和焦油、苯、萘等雜質。硫化氫是一種酸性氣體，對發動機的危害眾所周知，成熟的脫硫技術及設備，被廣泛的運用。但氨的危害，常常被忽視，在很多的煉化工藝過程中，都會產生氨氣，在具有一定規模的煉化企業，基本上都采用傳統的蒸氨工藝處理氨氮廢水，加以回收利用。但這種傳統工藝處理后可燃尾氣中，其脫氨不徹底或未嚴格按照工藝進行處理，倘若將這種工業尾氣作為燃氣發動機的燃料，燃氣中的氨含量對于發動機燃料有害物質標準來說，遠遠超標，達不到發動機的使用要求。

1.氨的腐蝕機理

根據資料介紹[1]，氨水對鐵、銅和鋁都有腐蝕作用，不能用金屬容器盛裝氨水。

氨，氮和氫的化合物，分子式為NH3，是一種無色氣體，有強烈的刺激氣味。密度比空氣小，極易溶于水，易液化。氨的水溶液叫做氨水。氨溶于水時，大部分NH3與H2O通過氫鍵結合，形成一水合氨，可以部分電離成NH4+和OH-，所以氨水顯弱堿性。氨溶于水的過程中存在著下列可逆反應:

所以，氨水是由 H2O、NH3、NH4+、OH-和極少量 H+組成的混合物。在氨分子中，氮原子是以不等性SP3雜化成鍵的。在四個雜化軌道中有三個軌道和三個氫原子結合形成三個σ共價鍵，另一個軌道為不成鍵的孤電子對所占有。由于孤對電子的排斥作用，鍵角是106.75°，氨分子的幾何構型呈三角錐形。其中的氮原子有孤電子對,可以和具有空軌道的分子或離子形成配位鍵,得到各種形式的氨合物,比如二氨合銀絡離子、四氨合銅(Ⅱ)絡離子等。

氨水能腐蝕金屬的本質原因主要有兩點:一是較活潑的金屬（如鐵、鋁等）被溶液中的氫離子氧化，氨水及其堿性環境，加速了這一氧化過程。二是較不活潑但易形成配離子的金屬（如銅等過渡金屬），被氧氣氧化后，再形成氨的配離子，而加速了金屬的氧化腐蝕[1]。

氨水腐蝕金屬銅的過程可表示為:

4Cu+O2+2H2O+8NH3=4[Cu(NH3)2]++4OH-無色的[Cu(NH3)2]+在空氣中不穩定，立即被氧化為藍色[Cu(NH3)4]2+，反應方程式為:

因此，氨腐蝕銅以后，會在銅表面觀察到藍色的物質。

2.含氨氣體對燃氣發動機的危害

氨水對金屬鐵、鋁和銅都有腐蝕作用，尤其對鋁和銅的腐蝕較為嚴重。燃氣中的氨氣與水接觸后，形成氨水，氨水對燃氣發動機的危害，主要體現在以下幾個方面:

2.1 對中冷器的損害

燃氣發動機的中冷器芯，一般都采用銅作為換熱材料，氨氣與燃氣中的水形成氨水后，嚴重腐蝕中冷器芯，導致中冷器換熱效果變差，嚴重的出現翅片坍塌，換熱管漏水等。

2.2 對機油的污染

燃燒室中的氨氣通過缸套和活塞環之間的間隙泄漏，溶于機油中，造成機油變質，影響機油的粘度等參數，導致燃氣發動機潤滑不好。

2.3 對軸瓦的腐蝕

由于泄漏的氨氣溶于機油中，機油對發動機的一些部位潤滑、冷卻時，造成了一些軸瓦的腐蝕，嚴重的掉塊，在軸瓦表面形成凹坑，破壞了油膜和潤滑條件，造成事故。如長期燃用焦爐煤氣的機組，如氨氣含量超標，連桿小頭襯套由于是銅材料，腐蝕比較嚴重，經常需要更換。

其次，氨氣也會加快鐵的腐蝕，燃氣管道受到氨的腐蝕后，出現銹蝕，一些鐵銹脫落，造成燃氣發動機阻火器、中冷器等堵塞，嚴重的進入氣缸，造成拉缸。

總之，氨氣對燃氣發動機的危害是不能忽視的。氨氣和硫化氫一般都共存在煤氣中，例如常用做燃氣發動機燃料的焦爐尾氣，尾氣中含有一定量的硫化氫和氨氣，兩種氣體都會對燃氣發動機造成腐蝕危害，一般人們對硫化氫的危害比較重視，都有相應的處理措施，對氨氣的危害重視程度不夠，氨氣對燃氣發動機的危害需要提高認識和引起重視，并采取相應的措施。

3.燃氣的脫氨

目前現有的脫氨工藝及設備，主要是用在焦化廠的高濃度含氨氮廢水的處理，氨氮廢水的處理技術可以分為兩大類:一類是物化處理技術，吹脫、蒸氨、沉淀等，另一類技術是生物脫氮技術[2]。比較傳統和成熟的是蒸氨法和吹脫法，生物法不適合用來處理燃氣中的氨，根據燃氣發動機應用的環境和條件，從蒸氨法和吹脫法中提出了一種改進方法，用于燃氣中氨的吸附和脫除。

3.1 蒸氨法

蒸氨法是焦化廠廣泛采用的處理含氨廢水的措施，分為直接蒸氨法和間接蒸氨法，傳統的蒸氨工藝多為直接蒸氨工藝。

蒸汽加熱直接蒸氨工藝是在蒸氨塔塔底直接通入水蒸氣作蒸餾熱源。原料氨水與蒸氨廢水換熱至90-98℃，進入蒸氨塔上部，塔底供入蒸汽將氨蒸出。缺點是加熱溫度太高，需要大量的高溫蒸汽，能耗高，一次性投資太大。

3.2 空氣吹脫法

吹脫法工藝主要應用在高濃度氨氮廢水脫氨方面。利用空氣為吹脫介質，當空氣與廢水接觸時，利用空氣介質中氨的分壓和廢水中氨的分壓差，產生傳質推動力，使廢水中的游離氨不斷由液相轉移到氣相中，隨氣體介質吹脫出來，從而到達脫除廢水中氨的目的。缺點是需要外加動力，提供大量的空氣，動力消耗太大。

3.3 加熱和空氣吹脫組合法

根據蒸氨法和空氣吹脫法的優缺點，提出了一種處理氨氣的工藝，加熱和空氣吹脫法的組合脫氨法，工藝流程見圖2。

3.3.1 加熱和空氣吹脫組合法脫氨的主要工藝原理

3.3.1.1 利用氨在水中溶解度較大的特性，用水噴淋洗氨；

3.3.1.2 利用亨利定律所述的“等溫等壓條件下相平衡時，氣相濃度與液相濃度成正比”的關系，用空氣對富氨溶液吹脫再生；

3.3.1.3 利用氨在水中溶解度隨溫度升高而迅速降低的特性，在吹脫前對富氨溶液加熱，強化吹脫；在吹脫后對貧氨溶液降溫，強化吸收。

圖1 氨在水中溶解度曲線

圖2 工藝流程示意圖

3.3.2 氨氣吸收過程影響因素

氨氣吸收平衡方程:Q燃氣×（燃氣入口氨含量-燃氣出口氨含量）=Q循環液×（富液氨含量-貧液氨含量）。由上式可看出:

3.3.2.1 脫氨總負荷=Q燃氣×（燃氣入口氨含量-燃氣出口氨含量），其越低，脫氨效果越好。

3.3.2.2 貧氨溶液噴淋量越大，氨的總吸收能力越大，脫氨效果越好。

3.3.2.3 貧液氨含量:此值越低，凈化后燃氣中氨含量越低，吸收塔入口貧液氨含量是決定燃氣凈化后氨含量的關鍵，取決于再生。

3.3.2.4 貧液溫度越低氨溶解度越大，吸收能力越強，脫除效果越好。

3.3.3 氨氣吹脫再生影響因素

吹脫物料平衡方程:空氣流量×（出口氨含量-入口氨含量）=循環液量×（入口富液氨含量-出口貧液氨含量）。由上式可看出:

a.貧富液溫差:溫差越大，富液溫度越高，越利于氨的吹脫；

b.空氣溫度:空氣與高溫富液溫差越小，越有利于氨的吹脫；

c.脫氨溶液pH值:pH值越高，越有利于氨的吹脫解吸，但不利于氨的吸收，NH3?H2O?NH4++OH-。因此調整循環液pH值的方法不適合采用。

d.氣液比（空氣/循環液）:氣液比越高，吹脫塔出口空氣氨含量越低。吹脫塔出口空氣氨含量決定了貧液中氨含量，其值越低，吹脫再生后貧液中氨濃度越低，吸收氨的能力越強。氣液比一般為3000:1-3500:1。空氣用量最終以泛點氣速為限值。

e.循環液噴淋密度:噴淋密度過大容易形成水幕、過小填料未被完全潤濕，均不利于吹脫；最佳噴淋密度為:2.5-5m3/m2·h。

在上述脫氨工藝中，富液的加熱，可以采用發動機的余熱進行加熱，實現節能和能源利用的最大化。

經過實踐驗證，采用加熱和空氣吹脫組合法脫氨，相比蒸汽法來說，加熱溫度不需要太高，可以減小能源的浪費，相比單獨的吹脫法來說，不需要大量的空氣，可以降低能耗，又能實現較好的脫氨效果，最終實現燃氣經過處理后，燃氣中氨含量50ppm以下的目標。加熱和空氣吹脫組合法脫氨，在某臺焦爐煤氣機組上進行了驗證試驗，取得了較好的效果，機組長期運行，沒有出現嚴重的腐蝕現象。

4.結語

燃氣發動機在各個領域的推廣應用，由于燃氣成分的復雜和多變，燃氣中的有害氣體和物質對發動機的可靠性和穩定運行影響巨大，因此，燃氣發動機利用的前提就是燃氣的凈化處理。尤其是各種煤氣發動機，硫化氫、氨等有害氣體的處理，可以保障機組可靠、穩定運行，提高機組壽命。

采用加熱和空氣吹脫組合法脫氨，可以實現焦爐煤氣等燃氣中氨氣的脫除，但脫氨后氨氣對環境的污染（二次污染），氨氣的處理和回收問題，需要進一步研究，才能實現真正意義上的節能環保。

[1]張新平宋秀安等.氨水腐蝕鋁、鐵、銅的化學原理初探[J].化學教育，2013第1期:76-79.

[2]何松波氨氮廢水處理技術進展[J].環境催化，2004.