焦化廠蒸氨節(jié)能工藝的研究

吳 玲

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽(yáng) 032200)

引 言

煤炭焦化行業(yè)作為煤炭加工的一個(gè)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(lái)。含氨氣的荒煤氣經(jīng)冷凝鼓風(fēng)流程后，其中的氨氣與冷凝過(guò)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(duì)焦?fàn)t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(wú)法直接生化處理，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重[1]。而當(dāng)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(wèn)題。因此，需對(duì)焦化廠排放含氨廢水的蒸氨工藝進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。

1 蒸氨工藝?yán)碚摲治?/h2>

蒸氨工藝的主要目的是將廢水中的氨通過(guò)蒸餾的方法將其中游離的氨轉(zhuǎn)移到蒸汽中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中氨氮的脫除處理。蒸氨工藝包括兩個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)將固定氨到游離氨的轉(zhuǎn)化[2]。當(dāng)反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí)，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(dāng)pH在11左右時(shí)，實(shí)現(xiàn)了固定氨到游離氨的全部轉(zhuǎn)化。

1.2 氨的傳質(zhì)過(guò)程

蒸氨法的實(shí)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(dá)到降低含氨廢水中氨氮濃度的目的。從而在轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在氣體和液體的傳質(zhì)現(xiàn)象。目前，可應(yīng)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(shí)際生產(chǎn)中，通?；陔p膜理論實(shí)現(xiàn)液氨到氣氨的轉(zhuǎn)化，包括有分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散[3]。

其中，分子擴(kuò)散為當(dāng)廢水中游離氨的濃度較高時(shí)，會(huì)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(shí)現(xiàn)了水和氨的分離。渦流擴(kuò)散為在蒸氨過(guò)程中，游離氨以氣泡的形式在廢水中上升，形成液面的流動(dòng)。

因此，蒸氨工藝中氨的傳質(zhì)需考慮分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)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(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)，其傳質(zhì)過(guò)程穩(wěn)定，所需設(shè)備也簡(jiǎn)單。本節(jié)對(duì)間歇蒸試驗(yàn)的工藝特征進(jìn)行研究[4]。本次試驗(yàn)采用試驗(yàn)水和模擬水進(jìn)行對(duì)比。其中，試驗(yàn)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(yàn)水。本次試驗(yàn)，加入不等量固態(tài)NaOH實(shí)現(xiàn)分析在不同pH值下的游離氨的轉(zhuǎn)化效率。本次試驗(yàn)所采用設(shè)備如表1所示。

表1 間歇蒸氨試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)方法：將1 L模擬氨水進(jìn)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(shí)刻取10 mL的液體并置于密閉瓶中。對(duì)比采樣前、后反應(yīng)器的質(zhì)量，并對(duì)密閉瓶中液體冷卻至室溫后的氨氮濃度和pH值進(jìn)行測(cè)定。

經(jīng)上述試驗(yàn)操作可得如下結(jié)論：

1) 當(dāng)廢水中總氨濃度一定時(shí)，隨著pH值的升高，對(duì)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(zhǎng)速度不斷減小。當(dāng)蒸發(fā)量小于100 g時(shí)，除氨效率增長(zhǎng)效果顯著。當(dāng)蒸發(fā)量大于100 g時(shí)除氨效率增長(zhǎng)緩慢甚至區(qū)域平穩(wěn)是由于傳質(zhì)速度下降所導(dǎo)致的。

3 蒸氨工藝的節(jié)能設(shè)計(jì)和效果驗(yàn)證

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究可知，在實(shí)際蒸氨過(guò)程中，由于游離氨的不斷分離導(dǎo)致廢水中氨的濃度降低，進(jìn)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(guò)增大蒸汽量保證出水氨氮的濃度滿足要求，進(jìn)而增大能量的消耗。因此，可通過(guò)減少含氨廢水在低濃度段蒸汽時(shí)的能耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)。故，將吹脫法應(yīng)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(yàn)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(yàn)裝置如圖2所示。

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

圖2 吹脫試驗(yàn)裝置示意圖

3.2 蒸氨-吹脫節(jié)能工藝的設(shè)計(jì)

吹脫工藝作為當(dāng)前解決耗能大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(gè)步驟。其中，加堿的主要作用為通過(guò)NaOH實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)換熱后的含氨廢水進(jìn)行蒸餾操作，實(shí)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(guò)吹脫塔將其濃度達(dá)到目標(biāo)濃度；吸收的作用為將排放出的氨氣采用稀硫酸進(jìn)行吸收凈化，并對(duì)塔底排出的硫酸銨溶液進(jìn)行回收利用。

3.3 蒸氨-吹脫節(jié)能效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證蒸氨-吹脫工藝的節(jié)能效果，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)蒸氨-吹脫工藝和蒸氨工藝的耗能進(jìn)行對(duì)比分析。本次試驗(yàn)設(shè)定：廢水中所含氨的質(zhì)量濃度為3 500 mg/L；進(jìn)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(yàn)對(duì)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(duì)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(shí)消耗蒸汽的量，具體數(shù)值為49 kg。按照每噸水蒸氣的價(jià)格為100元，即每處理1 t氨水，可節(jié)約費(fèi)用為4.9元。

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

4 結(jié)語(yǔ)

焦化作為對(duì)煤炭處理的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在處理煤炭過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的氨水，氨水由于其所含物質(zhì)的復(fù)雜性，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行生化處理，導(dǎo)致其中所含的氨造成對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染。而在日常對(duì)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(yàn)的思路可知，蒸氨-吹脫工藝能夠達(dá)到對(duì)除氨工作的節(jié)能生產(chǎn)，且每處理1 t氨水可節(jié)約費(fèi)用為4.9元。