煤氣化廢水酚氨回收裝置中脫酸脫氨塔的操作優化

薛慧峰， 李星明， 姚 田

(1.山西工程職業學院唐槐校區，山西 太原 030032；2.山西潞安煤基清潔能源有限責任公司，山西 長治 046204；3.山西陽光焦化集團股份有限公司，山西 河津 043300)

引 言

在煤化工領域中，碎煤固定床加壓氣化工藝技術在多年發展當中更加成熟，具有煤種適應性廣、耗氧量少、產出甲烷含量高等優勢。洗氣工藝當中會產生很多高濃度煤化廢水，其中有很多的硫化物、酚、焦油等位物質，并且這些污染物會隨著煤質變化而產生變化。在實際生產當中，酚氨回收裝置脫酸脫氨塔很容易出現塔釜液水質超標問題，并且學術界對此類問題的研究也非常少。這就需要脫酸脫氨塔塔釜液水質超標問題進行針對性優化操作，進行合理改造，降低在實際生產中對自然環境的影響。

1 酚氨回收裝置運行工藝機理分析

酚氨回收裝置是由氨汽提塔、酸性汽提塔整合的一種設備。主要分為脫酸脫氨系統、三級分凝系統內。在實際運行工藝當中，處理之后的煤氣化廢水會分流，一部分廢水進入到冷卻塔內冷卻，冷進料進入到塔頂當中；部分廢水在流入到換熱系統中，成為熱料進入到塔體，之后在經過再沸器加熱。塔釜中的酸性氣體主要為二氧化碳、硫化氫，與氨氣共同加熱，從液相釋出并隨著氣相朝向塔頂上升[1]。

上升中，由于氣相和冷料接觸，酸性氣體揮發性高于氨氣，所以大部分酸性氣體會先從塔頂排出，少量酸性氣體、大量氨氣會重新被液相吸收，在塔體中間位置產生高濃度氣體區，通過側線采出之后會進入到三級分凝系統中，此時要降溫3次，得到氨氣。塔釜液、熱料換熱后，在到脫酚系統當中脫酚處理。此工藝同時脫出酸性氣體和氨氣，后續萃取工藝加工環境為堿性，這樣即可提升萃取脫酚效率。

2 酚氨回收裝置中脫酸脫氨塔的優化思路

2.1 工程案例

某酚氨回收裝置在日常運行中，處理水量為60 t/h，每年運行時間為7 200 h，本裝置的入水水質當中的游離氨占據總氨質量分數的90%以上，采用Aspen plus模擬計算方案，但是在實際操作當中，固定氨被忽略，將游離氨替代總氨。脫硫脫氨后水中游離氨濃度設定為30 mg/L以內，酸性氣體質量濃度設置低于200 mg/L。

2.2 操作優化思路

由于上述試驗方法沒有考慮固定氨，因此試驗結果并不標準。所以可以從另一個方面進行考慮，就是在脫硫脫酸塔、三級分凝系統加工參數確定的基礎上，采用Aspen plus軟件模擬脫酸脫氨工藝形態，在其他工藝參數都固定的前提下，對操作壓力、冷熱進料比、側線采出率、側線采出位置等因素進行分析，找出最優的操作計劃[2]。

3 脫酸脫氨塔的操作優化

3.1 操作壓力

在試驗過程中，僅調節脫酸脫氨操作壓力，其他各項參數都保持不變，壓力設定分別為：0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，通過不同加壓操作分析脫酸脫氨塔塔釜液水質中各類物質含量以及塔耗能情況。其中，在操作壓力在0.2 MPa和0.3 MPa時，由于相比三級冷凝壓力更小，所以在試驗當中需要對三級冷凝操作進行修改，確保試驗的精準性。

通過試驗對比可知，壓力和塔釜溫度成正比，壓力越大、溫度越高，但是游離氨數量逐漸降低，與二者成反比關系，這是因為隨著加壓提升溫度，高溫環境下更有利于游離氨分離、脫除。所以通過加壓可以提升塔的生產效率。通過對各個壓力操作環境的參數分析可知，在壓力為0.3 MPa時，塔釜液當中各類分子含量都達到了脫酸脫氨之后的出水標準，但是在后續三級冷凝、氨氣凈化當中會降壓，所以操作壓力在0.3 MPa時無法滿足最終操作標準。在操作壓力在0.4 MPa～0.7 MPa之間時，脫酸脫氨塔能耗有了明顯提升，0.4 MPa能耗為5 900 kW、0.7 MPa能耗為7 200 kW，所以操作壓力和能耗成正比。在能夠滿足生產標準的基礎上，考慮經濟性因素，操作壓力控制在0.4 MPa～0.5 MPa最為合適[3]。

3.2 冷進料總占比

冷進料總占比作為變量，其他操作參數均不變，進料比分別設置為0.1、0.2、0.25、0.3、0.4，此時分析塔中氨含量、塔功耗問題。通過試驗對比分析，在冷進料增加、塔頂酸性氣體中氨含量有所降低，二者成反比。

在進料比在0.1～0.2時，酸性氣體中氨大幅度降低。考慮到設計生產當中，需要降低他定酸性氣當中氨含量，從而降低后期設備、管道產生碳銨結晶的幾率，所以將冷進料比0.1排除。在冷進料0.2～0.4過程中，酸性氣體中氨體積分數都在100×10-6以內，變化趨勢不明顯，可以滿足生產要求。隨著冷進料比重增加，能耗也隨之增加。在0.2～0.3時，塔功耗變化趨勢最為緩和，大于0.3冷進料時，塔耗能急劇增加。為了能夠降低工藝使用的電力損耗，要根據入水標準，冷進料比在0.2～0.3最佳[4]。

3.3 側線采出量

側線采出量為變量，其余參數皆不變的基礎上，考察1 000 kg/h～8 000 kg/h的塔釜液氨含量以及能耗變化趨勢。通過分析可知，側線采出率和塔釜液氨含量成反比，側線采出率越高、氨含量越低。在側線采出率為10%時，塔釜液氨含量質量分為1.38×10-6，在側線采出率為12.1%、13.0%時，氨質量分數皆小于1×10-6，可見側線采出率在10%以上為最佳。再者，通過分析可知側線采出率增加，能耗也隨之上升，二者成正比。所以同時考慮工藝要求和成本，建議增加一定的側線采出率范圍，側線采出率應為10%～13%為最佳，如果在13%以上則會產生較大功耗。

3.4 側線采出位置

側線采出位置根據以上幾點操作優化變量，將設定的參數為操作壓力0.5 MPa、冷進料比為0.2、側線采出率為10%，其余參數設定相同，從而分析側線采出位置。通過分析可知在10～53塊板間，氣相氨含量差異不大，液相氨質量分數變化不大，氣相氨體積分數要比液相氨質量分數更大，所以是氣相采出。

通過分析可知，側線采出位置下移，酸性氣體中氨含量隨之下降，塔釜液氨含量隨著側線采出位置上移而上升，在采出位置下移到30塊塔板時我，塔釜液氨含量快速上升。所以在能夠滿足生產工藝基礎上，側線采出位置應在30塊踏板之上。但是由于側線采出位置上移會提升粗氨氣中的酸性氣體比例。在側線采出位置在20塊塔板以上時，側線采出位置上移酸性氣體隨之增加，在20塊塔板以下時，酸性氣體會隨之減少，并且變化趨勢慢。所以側線采出位置控制在20塊塔板以下最為科學。

4 總結

綜上所述，脫酸脫氨塔最優操作參數應為：操作壓力0.4 MPa～0.5 MPa、冷進料比為0.2～0.3、側線采出率為10%～13%、側線采出位置為20塊塔板以下時最為科學，可以同時滿足生產要求和成本要求。對酚氨回收裝置脫酸脫氨塔塔釜液水質超標等問題，需要不斷對脫酸脫氨塔進行優化設計，保證煤深加工的質量以及環保性。探究煤氣化廢水酚氨回收裝置中，脫酸脫氨塔的優化操作。