三相碟片式離心機在共氧化法環(huán)氧丙烷工藝中的應(yīng)用

謝士華，董釗，王琪

(天津大沽化工股份有限公司, 天津300455)

2011 年政府頒布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011 年本）》明確指出：限制新建氯醇法環(huán)氧丙烷和皂化法環(huán)氧氯丙烷生產(chǎn)裝置。目前在建的氯醇法項目都是已經(jīng)獲批的，原則上今后不再批準(zhǔn)新的氯醇法項目。新增產(chǎn)能將以大型的共氧化法裝置為主。共氧化法克服了氯醇法三廢污染嚴(yán)重、腐蝕大和需求氯氣的缺點，大幅度提高了單套裝置的生產(chǎn)規(guī)模，減少了污水的排放，生成的聯(lián)產(chǎn)品也提高了環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)經(jīng)濟性[1]。

在共氧化法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷裝置生產(chǎn)過程中，伴隨著丙烯環(huán)氧化反應(yīng)發(fā)生的同時，也會生成少量的副產(chǎn)物，例如：苯甲醛、乙醛、苯酚和其他重組分。而甲基苯甲醇(MBA)在脫水生成苯乙烯的過程中產(chǎn)生的重組份更多，主要副反應(yīng)：MBA→乙苯+重組份。這些重組份在工藝系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過堿洗系統(tǒng)堿洗后會包含部分鈉鹽（主要是苯甲酸鈉和苯酚鈉），稱之為含鈉燃料油。其組成見表1。

表1 含鈉燃料油組成

現(xiàn)有工藝條件下，處理這部分含鈉燃料油的方法就是將其收集后送至燃料油鍋爐進(jìn)行焚燒，從而達(dá)到處理目的，同時回收熱量。研究表明鈉是造成鍋爐內(nèi)對流煙道積灰的主要原因。圖1 中給出了積灰中鈉含量對積灰的影響，隨著鈉含量的增加，換熱器積灰量增多。鈉在火焰高溫區(qū)短時間內(nèi)可能以原子或氧化物的形式存在，遇到CO2、SO2、O2、SO3生成硫酸鈉，碳酸鈉，另外鈉的化合物熔點低，易與鐵、鋁、鈣、硅的氧化物共融形成較低熔點的共融物，使?fàn)t襯腐蝕。共融物隨煙氣帶入鍋爐列管，為管束積灰提供了條件。所以在鍋爐的正常運行過程中，這部分含鈉燃料油燃燒后鍋爐的積灰十分嚴(yán)重，大大降低列管的換熱率，使蒸汽回收量減少，同時管道也容易堵塞，被迫停爐清洗，給連續(xù)生產(chǎn)帶來了巨大的困難。因此處理含鹽廢液的焚燒系統(tǒng)需要對煙氣中的鹽類進(jìn)行脫除，目前主要有兩種脫除工藝，濕法脫除和干法脫除。此兩種工藝均存在缺陷：濕法脫除需要消耗急冷水、無法進(jìn)行能量回收，同時產(chǎn)生一定量的含鹽水；而干法脫除需要增加更多的設(shè)備成本以及后期的運行成本[2]。

1 濕法脫除工藝

1.1 采用濕法脫除所用到的相關(guān)主要設(shè)備包括焚燒爐、急冷室、急冷循環(huán)泵、文丘里除塵器、洗滌循環(huán)泵、霧水分離器。

圖1 鈉含量與積灰速度的關(guān)系

1.2 焚燒后的煙氣自焚燒爐出來直接進(jìn)入布置在其下方的急冷室，在急冷室內(nèi)高溫?zé)煔獗谎杆倮鋮s至煙氣飽和溫度約85℃，煙氣中的顆粒物在急冷室內(nèi)被脫除一大部分，急冷后的煙氣進(jìn)入布置在急冷室下游的文丘里洗滌器，在此煙氣流速被極大提高，文丘里洗滌器在侯口位置設(shè)置了洗滌水霧化噴嘴，高速流過的煙氣與細(xì)小的霧化水滴在侯口處充分混合，煙氣中顆粒被水滴捕捉，從而實現(xiàn)高效除塵。煙氣在急冷室通過與急冷水的混合達(dá)到被迅速冷卻的目的，急冷水通過急冷循環(huán)泵打入急冷室上方設(shè)置的急冷水霧化噴嘴，細(xì)小的水滴能增大與煙氣接觸面積從而提高煙氣急冷速度，從噴嘴噴出的急冷水一部分被氣化隨煙氣進(jìn)入下游設(shè)備，一部分落入急冷室的水空間通過循環(huán)泵繼續(xù)循環(huán)急冷，在急冷循環(huán)管道上接出一路排水管線，通過定量排水使急冷室內(nèi)水的鹽濃度維持在一定的范圍內(nèi)；洗滌水通過洗滌水循環(huán)泵打入文丘里噴嘴，被霧化成細(xì)小顆粒，與煙氣混合后送入霧水分離器，在霧水分離器內(nèi)煙氣向上排入煙囪，水滴落入水空間通過循環(huán)泵繼續(xù)循環(huán)洗滌，在洗滌循環(huán)管道上接出一路排水管線送入上游的急冷室，通過定量排水使霧水分離器內(nèi)的水的鹽濃度維持在一定的范圍內(nèi)，霧水分離器的通過液位調(diào)節(jié)補水流量。流程簡圖見圖2。

圖2 濕法脫除工藝流程簡圖

2 干法脫除工藝

2.1 采用干法脫除的主要設(shè)備包括焚燒爐、煙氣冷卻段、余熱鍋爐、布袋除塵器、煙氣再循環(huán)風(fēng)機、鍋爐吹灰系統(tǒng)。

2.2 由于煙氣中含有無機鹽類，并且這些鹽類的熔點均在800～900℃的范圍內(nèi)，在爐膛溫度1100℃下，這些鹽類均在煙氣呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，當(dāng)含有熔融狀態(tài)鹽的煙氣流經(jīng)余熱鍋爐時，熔融的鹽類遇到溫度比較低的換熱管時會凝聚附著在管壁上，降低換熱效率，甚至造成換熱管局部受熱不均爆管事故，影響系統(tǒng)安全運行。為了保證下游余熱鍋爐的安全可靠長周期運行，進(jìn)入余熱鍋爐前煙氣中的鹽類需要凝固成固態(tài)鹽，才能進(jìn)入余熱鍋爐，這樣余熱鍋爐就不會造成粘結(jié)性積灰。把熔融態(tài)的鹽類凝固成固態(tài)就需要把煙氣溫度降至鹽的熔點以下，并且還要有一定的過冷度和冷卻時間。降低余熱鍋爐進(jìn)口煙氣溫度有兩種方法，一是引入外來冷源，如加入冷空氣或噴水；二是采用余熱鍋爐排煙回流來降溫；采用引入外來冷源的方法將會使熱回收效率大大降低，因此不推薦采用，主要的工藝是通過煙氣循環(huán)風(fēng)機把余熱鍋爐的排煙引入余熱鍋爐進(jìn)口來降低進(jìn)口煙溫。采用再循環(huán)煙氣冷卻方式，需要沿軸向分級補入，使高溫?zé)煔鉁囟戎饾u降低，這種急冷方式的優(yōu)點是凝結(jié)的鹽顆粒較大，降低了微小粉塵在余熱鍋爐管壁上積聚（靜電吸附）的可能性，同時有利于吹灰[3]。流程簡圖見圖3。

圖3 干法脫除工藝流程簡圖

為了降低鈉在燃燒時對爐膛的影響，在含鈉燃料油焚燒之前，先使用三相碟片式離心機將燃料油中的鈉鹽分離出來，再將除鈉后燃料油送到鍋爐內(nèi)焚燒。

三相碟片式離心機用于分離兩種液體和一種固體。固相自動間歇性排放，兩液相均以內(nèi)置向心泵帶壓排放。轉(zhuǎn)鼓裝在立軸上端，由電機驅(qū)動而高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有一組互相套疊的碟片。碟片與碟片之間留有很小的間隙。物料由位于轉(zhuǎn)鼓上部中心的進(jìn)料管加入轉(zhuǎn)鼓。當(dāng)物料流過碟片之間的間隙時，固體顆粒在離心作用下沉降到碟片上形成沉渣，沉渣沿碟片表面滑動并脫離碟片并積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑最大的部位，經(jīng)排渣口排出轉(zhuǎn)鼓。輕液相沿錐型碟片向軸心流動至上部輕相向心泵，由輕相出口排出；重液相沿碟片流向轉(zhuǎn)鼓壁，然后向上流經(jīng)重相向心泵由重相出口排出。碟片的作用是縮短物料的沉降距離、擴大轉(zhuǎn)鼓的沉降面積，轉(zhuǎn)鼓中由于安裝了碟片而大大提高了離心機的生產(chǎn)能力，見圖4。

圖4 碟片式離心機剖面圖

沉降速度：

Vg=沉淀速度，Δρ=密度差，dp=粒子直徑，η=粘度。

FG=FA+Fw

碟片的作用見圖5。

圖5 碟片作用示意圖

最小粒徑的定義見圖6

圖6

等效沉降面積定義為在同樣的處理能力和分離效果下，足以替代分離機的沉降池所需的表面積，其換算公式如下：

依據(jù)Stokes 定律，若要求將粒徑等于或大于dlimit 的粒子或液粒分離，則分離機的處理能力為如下關(guān)系式：

實際運行效果：

先在燃料油中加入醋酸和去離子水，使鈉鹽轉(zhuǎn)化為醋酸鈉。而醋酸鈉易溶于水，從而實現(xiàn)了鈉鹽由油相至水相的轉(zhuǎn)移。然后需要使用碟片式離心分離機進(jìn)行各相分離，分離器出料為三相：1）含少量殘余鈉鹽的油相，送至焚燒爐；2）富含鈉鹽的水相，送到廢水處理；3）含有固體的漿相（或渣相），包括主裝置催化劑帶來的少量重金屬（銅、鉻），作危廢外送。

分離效果見表2。

表2 分離效果一覽表

3 結(jié)論

三相碟片式離心機相比傳統(tǒng)的離心機具有以下特點：1）沉降面積高；2）可自動清理固相物；3）適用不同含固量的產(chǎn)品；4）適用產(chǎn)能范圍廣；5）可進(jìn)行清洗6）可連續(xù)操作。能有效將共氧化法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷工藝裝置所副產(chǎn)燃料油中的鈉除去，有效解決了含鈉燃料油燃燒后鍋爐的積灰嚴(yán)重的問題。應(yīng)用到此裝置的含鈉燃料油除鈉工藝，既能增加設(shè)備壽命，減少占地面積，又降低運行成本，創(chuàng)造了更高的經(jīng)濟效益。