劉小靜

(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

引言

煤化工廠變換工段，粗煤氣在冷凝和洗滌過程中會產(chǎn)生含有NH3、CO2和少量H2S的變換冷凝液，目前多數(shù)企業(yè)采用汽提蒸氨法處理此股凝液，汽提后的酸性氣放空或送火炬系統(tǒng)，汽提后的塔釜液回用氣化裝置。由于汽提氣含水率較高，經(jīng)常冒白煙，經(jīng)火炬燃燒存在一定環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)；汽提液由于氨氮含量高，氨味較大，回用氣化裝置后造成系統(tǒng)氨氮累積，導(dǎo)致相關(guān)管道及設(shè)備結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重，并使排往污水處理單元的灰水中氨氮偏高，影響污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。

為解決上述問題，借鑒國內(nèi)煉廠含硫污水汽提的成熟工藝，單塔加壓汽提側(cè)線抽氨工藝被引入用于煤氣化變換冷凝液的處理，將氨氣、二氧化碳、硫化氫等成分從變換冷凝液中分離出來，從而解決變換汽提系統(tǒng)腐蝕結(jié)晶等問題[2]，并回收其中的氨氣制取氨水或液氨，從而實(shí)現(xiàn)廢水零排放、氨回收綜合利用的目標(biāo)。且該工藝已被用于多家化工企業(yè)變換冷凝液氨回收裝置中。

本文利用Aspen Plus軟件，選用Elecnrtl模型，對一套處理量61 t/h的變換冷凝液氨回收裝置進(jìn)行模擬分析及參數(shù)優(yōu)化，為流程工藝參數(shù)的確定提供參考。

1 流程簡述

自變換工序來的變換冷凝液進(jìn)入本裝置脫氣罐，經(jīng)脫氣后一部分作為冷進(jìn)料預(yù)冷后進(jìn)入汽提塔頂部，其余作為熱進(jìn)料分別與側(cè)線氣、塔釜凈化水兩級換熱后，進(jìn)入汽提塔中部進(jìn)行汽提。塔釜通入1.0 MPa蒸汽作為汽提熱源。塔頂最終排出以CO2為主、含有少量H2S等的酸性氣排入企業(yè)火炬系統(tǒng)或者硫回收系統(tǒng)；塔釜合格液(氨氮含量<100 ppm)回用氣化系統(tǒng)。

在汽提塔中段氨氣富集區(qū)將含氨蒸汽側(cè)線采出，經(jīng)過三級冷凝冷卻分離后得到富氨氣，送至后續(xù)氨精制工序制取濃氨水或液氨，分離下來的分凝液則返回汽提塔重新汽提。變換冷凝液氨回收裝置(單塔加壓汽提、三級分凝系統(tǒng))工藝流程見圖1。

圖1 氨回收裝置工藝流程圖

2 流程模擬

2.1 物性方法

變換冷凝液是一個(gè)由H2S-NH3-CO2-H2O組成的四元體系，CO2、NH3、H2S都是揮發(fā)性弱電解質(zhì)并能以不同程度溶解于水，構(gòu)成H2S-NH3-CO2-H2O揮發(fā)性弱電解質(zhì)水溶液，集化學(xué)、電離和相平衡共存的復(fù)雜體系。主要包含以下化學(xué)反應(yīng)[3]，見圖2：

圖2 主要化學(xué)反應(yīng)

Aspen中設(shè)置了Elecnrtl模型。Elecnrtl是一種通用的活度系數(shù)計(jì)算方法，可以在較寬的電解質(zhì)濃度范圍內(nèi)描述電解質(zhì)水溶液體系及混合溶劑電解質(zhì)體系，且該方法已廣泛應(yīng)用于含硫氨污水、煤氣化廢水汽提工藝的研發(fā)和改造。故本文采用Elecnrtl模型對氨回收裝置進(jìn)行模擬[3]。

2.2 主要參數(shù)

模擬采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于某化工企業(yè)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及主要工藝參數(shù)見表1：

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及主要工藝參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果

由于該工藝流程具有以下特點(diǎn)，導(dǎo)致模擬計(jì)算時(shí)不易收斂：

(1)此流程為H2S-NH3-CO2-H2O揮發(fā)性弱電解質(zhì)體系，該物系極性強(qiáng)，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，因此在模擬計(jì)算時(shí)較其他物系而言不宜收斂[4]；

(2)此流程含有內(nèi)外互相嵌套的循環(huán)回路，尤其是對汽提塔的計(jì)算不易收斂，因此在模擬計(jì)算時(shí)，需要通過經(jīng)驗(yàn)值反復(fù)調(diào)試。

(3)熱進(jìn)料分別與側(cè)線氣、塔釜凈化水兩級換熱后，進(jìn)入汽提塔中部進(jìn)行汽提。由于該換熱網(wǎng)絡(luò)的存在導(dǎo)致模型也不易收斂，在運(yùn)行前可先不建立該換熱網(wǎng)絡(luò)，使用單物流換熱器進(jìn)行模擬，待模型收斂后再切換至雙物流換熱器。

按照 2.2 主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，經(jīng)反復(fù)調(diào)試模型收斂成功。計(jì)算結(jié)果見表2：

表2 模擬計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可知，變換冷凝液經(jīng)處理后塔釜液氨氮含量<100 ppm，酸性氣氨含量<100 ppm，達(dá)到設(shè)計(jì)值；富氨氣流量417 kg/h，氨含量98.8 wt %，氨回收率96 %，噸變換冷凝液蒸汽耗量221 kg/h，與設(shè)計(jì)值基本吻合。由于富氨氣中含有少量硫化氫和二氧化碳，需送至后續(xù)氨精制工序進(jìn)一步脫硫脫碳后制取20 wt %氨水或液氨。

3 結(jié)果分析

為了得到適合的操作參數(shù)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可通過調(diào)整三級分凝條件、熱進(jìn)料位置、冷熱進(jìn)料配比、側(cè)線抽出位置及側(cè)線抽出量等參數(shù)，對氨回收裝置操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[5]。

3.1 塔溫度壓力

單塔加壓汽提壓力通?？刂圃?.5 MPa～0.7 MPa，塔頂溫度控制在50 ℃以下，以控制塔頂酸性氣中氨和水蒸氣的含量。冷進(jìn)料量過少或溫度過高，塔底供熱過大，側(cè)線抽出量不合適等都會影響塔頂溫度，可通過調(diào)節(jié)以上參數(shù)控制塔頂溫度。

3.2 塔側(cè)線采出量及抽出位置

側(cè)線抽出氣體，約為塔底氣相負(fù)荷的50 %，抽出比的大小對汽提塔的效果影響很大，如果抽出比太小，凈化水質(zhì)量會下降；如果抽出比太大，三級冷凝冷卻循環(huán)液量增加，氨循環(huán)比增加，單塔氣相負(fù)荷增加，不僅蒸汽單耗增加，產(chǎn)品質(zhì)量也要下降。

側(cè)線抽出位置一般選擇塔內(nèi)氣相中氨濃度最高的踏板位置，可用Aspen軟件通過靈敏度分析選擇合適的塔板位置。由側(cè)采位置處可將塔分為精餾段與汽提段，側(cè)采位置降低，汽提段塔板數(shù)變少，塔釜液氨、二氧化碳、硫化氫含量增加；側(cè)采位置升高，則相反。

3.3 冷熱進(jìn)料比

冷熱進(jìn)料比一般設(shè)計(jì)取0.25。在總進(jìn)料量、側(cè)線采出量、塔頂酸性氣量不變的情況下，蒸汽能耗隨冷熱進(jìn)料配比的下降而下降，但塔釜液中氨含量隨著冷熱進(jìn)料比的下降而升高，所以，在保證塔釜液中氨含量達(dá)標(biāo)的前提下，適當(dāng)?shù)臏p小冷熱進(jìn)料比可以降低蒸汽的消耗量。

3.4 三級分凝條件

經(jīng)過三級分凝系統(tǒng)，側(cè)線氣中大部分水及硫化氫、二氧化碳溶解在分凝液中，經(jīng)過分凝液增壓泵返回汽提塔重新汽提，分凝后理論上可得到濃度為98 wt %以上的富氨氣，送至后續(xù)氨精制工序脫硫脫碳。

三級分凝條件決定了各級分凝器的分凝液量的多少和分凝液濃度的高低，在抽出量一定的情況下，如果采用不同的分凝條件，盡管循環(huán)液的總量沒有變，但各級分凝器的分凝液量和濃度會發(fā)生變化，總的分凝液的濃度就不同，因此氨的循環(huán)比也就不同。

3.5 氨循環(huán)比

氨循環(huán)量/原料水中氨含量，稱為氨循環(huán)比，對汽提塔的氨負(fù)荷影響很大，如果氨循環(huán)比過大，要危及產(chǎn)品質(zhì)量，增加蒸汽單耗，嚴(yán)重時(shí)還影響平穩(wěn)操作，氨循環(huán)比的高低由分凝液的量的多少和濃度高低決定，分凝液的量的多少主要取決于側(cè)線抽出比的大小，分凝液濃度高低主要取決于三級分凝條件，因此影響氨循環(huán)比的主要因素是抽出比和三級分凝條件。

4 結(jié)論

(1)模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對，數(shù)據(jù)基本吻合，因此利用Aspen Plus軟件，選用Elecnrtl熱力學(xué)模型對變換冷凝液氨回收裝置中單塔加壓汽提、三級分凝系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析是可行的。

(2)通過模擬分析可知，氨回收裝置操作的主要影響因素有汽提塔溫度壓力、汽提塔側(cè)線采出量及采出位置、冷熱進(jìn)料比、三級分凝條件、氨循環(huán)比等。選擇合適的操作參數(shù)即保證汽提塔塔釜液、塔頂酸性氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，又降低了能耗。

(3)單塔加壓汽提側(cè)線抽氨工藝處理變換冷凝液，回收氨制取氨水或液氨，加上在設(shè)計(jì)中通過合理的設(shè)備選型及材質(zhì)選擇，從理論和技術(shù)上可解決原變換冷凝液汽提系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重、變換冷凝液中酸性氣含量高無法深入利用的問題，在解決腐蝕問題、環(huán)保問題、工藝問題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了變換冷凝液的綜合回收利用。