煤氣化廢水酚氨回收裝置中脫酸脫氨塔的操作優(yōu)化

薛慧峰， 李星明， 姚 田

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院唐槐校區(qū)，山西 太原 030032；2.山西潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204；3.山西陽(yáng)光焦化集團(tuán)股份有限公司，山西 河津 043300)

引 言

在煤化工領(lǐng)域中，碎煤固定床加壓氣化工藝技術(shù)在多年發(fā)展當(dāng)中更加成熟，具有煤種適應(yīng)性廣、耗氧量少、產(chǎn)出甲烷含量高等優(yōu)勢(shì)。洗氣工藝當(dāng)中會(huì)產(chǎn)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(zhì)，并且這些污染物會(huì)隨著煤質(zhì)變化而產(chǎn)生變化。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，酚氨回收裝置脫酸脫氨塔很容易出現(xiàn)塔釜液水質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題，并且學(xué)術(shù)界對(duì)此類問(wèn)題的研究也非常少。這就需要脫酸脫氨塔塔釜液水質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化操作，進(jìn)行合理改造，降低在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)自然環(huán)境的影響。

1 酚氨回收裝置運(yùn)行工藝機(jī)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(shè)備。主要分為脫酸脫氨系統(tǒng)、三級(jí)分凝系統(tǒng)內(nèi)。在實(shí)際運(yùn)行工藝當(dāng)中，處理之后的煤氣化廢水會(huì)分流，一部分廢水進(jìn)入到冷卻塔內(nèi)冷卻，冷進(jìn)料進(jìn)入到塔頂當(dāng)中；部分廢水在流入到換熱系統(tǒng)中，成為熱料進(jìn)入到塔體，之后在經(jīng)過(guò)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(fā)性高于氨氣，所以大部分酸性氣體會(huì)先從塔頂排出，少量酸性氣體、大量氨氣會(huì)重新被液相吸收，在塔體中間位置產(chǎn)生高濃度氣體區(qū)，通過(guò)側(cè)線采出之后會(huì)進(jìn)入到三級(jí)分凝系統(tǒng)中，此時(shí)要降溫3次，得到氨氣。塔釜液、熱料換熱后，在到脫酚系統(tǒng)當(dāng)中脫酚處理。此工藝同時(shí)脫出酸性氣體和氨氣，后續(xù)萃取工藝加工環(huán)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(yōu)化思路

2.1 工程案例

某酚氨回收裝置在日常運(yùn)行中，處理水量為60 t/h，每年運(yùn)行時(shí)間為7 200 h，本裝置的入水水質(zhì)當(dāng)中的游離氨占據(jù)總氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的90%以上，采用Aspen plus模擬計(jì)算方案，但是在實(shí)際操作當(dāng)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(shè)定為30 mg/L以內(nèi)，酸性氣體質(zhì)量濃度設(shè)置低于200 mg/L。

2.2 操作優(yōu)化思路

由于上述試驗(yàn)方法沒(méi)有考慮固定氨，因此試驗(yàn)結(jié)果并不標(biāo)準(zhǔn)。所以可以從另一個(gè)方面進(jìn)行考慮，就是在脫硫脫酸塔、三級(jí)分凝系統(tǒng)加工參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，采用Aspen plus軟件模擬脫酸脫氨工藝形態(tài)，在其他工藝參數(shù)都固定的前提下，對(duì)操作壓力、冷熱進(jìn)料比、側(cè)線采出率、側(cè)線采出位置等因素進(jìn)行分析，找出最優(yōu)的操作計(jì)劃[2]。

3 脫酸脫氨塔的操作優(yōu)化

3.1 操作壓力

在試驗(yàn)過(guò)程中，僅調(diào)節(jié)脫酸脫氨操作壓力，其他各項(xiàng)參數(shù)都保持不變，壓力設(shè)定分別為：0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，通過(guò)不同加壓操作分析脫酸脫氨塔塔釜液水質(zhì)中各類物質(zhì)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(shí)，由于相比三級(jí)冷凝壓力更小，所以在試驗(yàn)當(dāng)中需要對(duì)三級(jí)冷凝操作進(jìn)行修改，確保試驗(yàn)的精準(zhǔn)性。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)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(shù)量逐漸降低，與二者成反比關(guān)系，這是因?yàn)殡S著加壓提升溫度，高溫環(huán)境下更有利于游離氨分離、脫除。所以通過(guò)加壓可以提升塔的生產(chǎn)效率。通過(guò)對(duì)各個(gè)壓力操作環(huán)境的參數(shù)分析可知，在壓力為0.3 MPa時(shí)，塔釜液當(dāng)中各類分子含量都達(dá)到了脫酸脫氨之后的出水標(biāo)準(zhǔn)，但是在后續(xù)三級(jí)冷凝、氨氣凈化當(dāng)中會(huì)降壓，所以操作壓力在0.3 MPa時(shí)無(wú)法滿足最終操作標(biāo)準(zhǔn)。在操作壓力在0.4 MPa～0.7 MPa之間時(shí)，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(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)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(jìn)料總占比

冷進(jìn)料總占比作為變量，其他操作參數(shù)均不變，進(jìn)料比分別設(shè)置為0.1、0.2、0.25、0.3、0.4，此時(shí)分析塔中氨含量、塔功耗問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，在冷進(jìn)料增加、塔頂酸性氣體中氨含量有所降低，二者成反比。

在進(jìn)料比在0.1～0.2時(shí)，酸性氣體中氨大幅度降低。考慮到設(shè)計(jì)生產(chǎn)當(dāng)中，需要降低他定酸性氣當(dāng)中氨含量，從而降低后期設(shè)備、管道產(chǎn)生碳銨結(jié)晶的幾率，所以將冷進(jìn)料比0.1排除。在冷進(jìn)料0.2～0.4過(guò)程中，酸性氣體中氨體積分?jǐn)?shù)都在100×10-6以內(nèi)，變化趨勢(shì)不明顯，可以滿足生產(chǎn)要求。隨著冷進(jìn)料比重增加，能耗也隨之增加。在0.2～0.3時(shí)，塔功耗變化趨勢(shì)最為緩和，大于0.3冷進(jìn)料時(shí)，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(jù)入水標(biāo)準(zhǔn)，冷進(jìn)料比在0.2～0.3最佳[4]。

3.3 側(cè)線采出量

側(cè)線采出量為變量，其余參數(shù)皆不變的基礎(chǔ)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(shì)。通過(guò)分析可知，側(cè)線采出率和塔釜液氨含量成反比，側(cè)線采出率越高、氨含量越低。在側(cè)線采出率為10%時(shí)，塔釜液氨含量質(zhì)量分為1.38×10-6，在側(cè)線采出率為12.1%、13.0%時(shí)，氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆小于1×10-6，可見(jiàn)側(cè)線采出率在10%以上為最佳。再者，通過(guò)分析可知側(cè)線采出率增加，能耗也隨之上升，二者成正比。所以同時(shí)考慮工藝要求和成本，建議增加一定的側(cè)線采出率范圍，側(cè)線采出率應(yīng)為10%～13%為最佳，如果在13%以上則會(huì)產(chǎn)生較大功耗。

3.4 側(cè)線采出位置

側(cè)線采出位置根據(jù)以上幾點(diǎn)操作優(yōu)化變量，將設(shè)定的參數(shù)為操作壓力0.5 MPa、冷進(jìn)料比為0.2、側(cè)線采出率為10%，其余參數(shù)設(shè)定相同，從而分析側(cè)線采出位置。通過(guò)分析可知在10～53塊板間，氣相氨含量差異不大，液相氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，氣相氨體積分?jǐn)?shù)要比液相氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)更大，所以是氣相采出。

通過(guò)分析可知，側(cè)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(cè)線采出位置上移而上升，在采出位置下移到30塊塔板時(shí)我，塔釜液氨含量快速上升。所以在能夠滿足生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，側(cè)線采出位置應(yīng)在30塊踏板之上。但是由于側(cè)線采出位置上移會(huì)提升粗氨氣中的酸性氣體比例。在側(cè)線采出位置在20塊塔板以上時(shí)，側(cè)線采出位置上移酸性氣體隨之增加，在20塊塔板以下時(shí)，酸性氣體會(huì)隨之減少，并且變化趨勢(shì)慢。所以側(cè)線采出位置控制在20塊塔板以下最為科學(xué)。

4 總結(jié)

綜上所述，脫酸脫氨塔最優(yōu)操作參數(shù)應(yīng)為：操作壓力0.4 MPa～0.5 MPa、冷進(jìn)料比為0.2～0.3、側(cè)線采出率為10%～13%、側(cè)線采出位置為20塊塔板以下時(shí)最為科學(xué)，可以同時(shí)滿足生產(chǎn)要求和成本要求。對(duì)酚氨回收裝置脫酸脫氨塔塔釜液水質(zhì)超標(biāo)等問(wèn)題，需要不斷對(duì)脫酸脫氨塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證煤深加工的質(zhì)量以及環(huán)保性。探究煤氣化廢水酚氨回收裝置中，脫酸脫氨塔的優(yōu)化操作。