焦爐煙道氣余熱負壓蒸氨成套裝置技術的開發與應用
0 前言
焦化廢水具有氨酚含量高和可生化性差的特點，是工業廢水領域的難點和熱點。其處理通常需要經過氣浮除油、溶劑脫酚、廢水蒸氨、生化處理等幾個步驟后才能達標排放。生化處理前的幾個步驟統稱為預處理，生化處理對預處理后的氨氮含量和酚含量較為敏感。當生化入水中氨氮含量高于300mg/L時，生化菌的活性將大幅下降，直接影響生化的出水指標。而預處理中獨一控制氨氮指標的工序為蒸氨工序，因此蒸氨是廢水處理的關鍵步驟。根據不完全統計，在除油、溶劑脫酚、蒸氨、生化處理等處理中，蒸氨成本占廢水處理成本的50%以上。蒸氨能否低耗高效運行，是影響焦化廢水處理工藝能否低成本運行的關鍵步驟，只有提高蒸氨能效，才能實現氨氮處理裝置高效、低成本的運行。
1 傳統蒸氨工藝技術的不足
1.1傳統蒸氨的工藝和設備分析
傳統的蒸氨工藝如圖1-1所示。
圖1-1 傳統蒸氨工藝流程圖
經溶劑脫酚后的廢水在換熱器中經過蒸氨塔釜廢水換熱后由蒸氨塔中上部加入蒸氨塔，塔釜直接通入蒸汽，將廢水中的氨汽提至塔頂。塔頂氨蒸汽通過分縮器部分冷凝產生回流，未冷凝氨蒸汽由全凝器冷凝冷卻得到濃氨水，外送硫銨或進入脫硫工序。塔釜蒸氨廢水經換熱器換熱再經廢水冷卻器進一步冷卻后，送生化處理。為了使廢水中的固定銨鹽轉化為揮發氨從廢水中蒸出，蒸氨塔設置加堿側線口。傳統蒸氨工藝的不足在于：
l 蒸汽從蒸氨塔的底部直接通入，冷凝后與塔釜廢水一起排出，蒸氨工序不但沒有形成廢水減排，反而增加了約20%左右蒸氨廢水，不但能效低還加重了后續生化處理負擔；
l 傳統蒸氨工藝中蒸氨塔，塔效低、能耗高、成本高、環境污染重。蒸氨蒸汽消耗高達200-250kg/t廢水，約0.12Mkcal/t。
傳統蒸氨工藝和設備的缺陷嚴重制約了廢水處理的技術進步和氨氮治理效果。
2 近年來具有節能減排特征的蒸氨技術的進展
近年來國內外蒸氨技術進展較快，出現了一系列具有節能減排特征的蒸氨技術，具有代表性的有以下幾類：
2.1 導熱油蒸氨技術
針對圖1-1直接蒸汽蒸氨帶來的廢水增加和熱效率低的不足，濟南冶金公司和清華大學、濟鋼焦化廠開發了以高效傳熱介質代替蒸汽的導熱油蒸氨工藝，其工藝流程圖如圖2-1所示。與蒸汽直接通入蒸氨塔的傳統蒸氨工藝不同，導熱油蒸氨工藝采用間接加熱-蒸氨再沸器向蒸氨塔供給熱量，再沸器用導熱油加熱。導熱油在導熱油爐中通過煤氣加熱，升溫至220°C后，由熱油泵送至再沸器給蒸氨塔塔釜廢水循環加熱，釋放熱量后的熱導油溫度降至200°C，再返回導熱油爐加熱后循環使用。
塔頂氨水采出、塔釜蒸氨廢水采出以及堿液加入均與傳統蒸氨相同。
圖2-1 導熱油蒸氨工藝流程示意圖
與蒸汽直接蒸氨相比，導熱油蒸氨工藝的優點在于：
導熱油加熱系統為閉路循環系統，換熱后循環油的余熱可充分利用，導熱油爐僅提供補充溫差的熱量，比傳統開路蒸汽系統具有明顯的節能效果。根據導熱油用戶的反饋情況，蒸氨熱耗可降至0.09Mkcal/h左右，使蒸氨能耗成本大幅降低；導熱油通過再沸器給蒸氨塔塔釜廢水循環加熱，沒有蒸汽冷凝后帶來的廢水增加問題，因此減排效果也非常明顯，廢水比傳統蒸汽蒸氨下降20%以上。
在導熱油蒸氨技術的推廣過程中，有些企業根據自身蒸汽較為富裕的特點，吸收了間接加熱的優點，開發了蒸汽間接加熱蒸氨工藝，與直接蒸汽蒸氨相比，該工藝雖然具有廢水減排的特點，但是依然存在熱效率低、運行成本高的不足。上述導熱油蒸氨工藝和間接蒸汽蒸氨工藝仍然需要采用燃燒煤氣補熱或產生蒸汽，因此，盡管噸廢水熱耗雖已將至約0.09Mkcal/h，但仍然需要消耗一次化石能源。
2.2 管式爐蒸氨技術
從能源轉換的角度分析，上述的間接加熱蒸氨技術的能源均來自煤氣或燃煤，經過管式爐和再沸器兩個轉化環節，熱能至終傳遞給廢水?？紤]到每次能源轉化均存在能量損失，因此減少能源轉化環節必將提高蒸氨能效，降低蒸氨成本。出于這種考慮，行業內出現了一種管式爐蒸氨工藝，其工藝流程如圖2-2所示。
在管式爐蒸氨工藝中，導熱油再沸器由管式爐代替。即塔釜廢水通過循環泵送至管式爐加熱后，產生的汽液混合物返回塔內。
塔頂氨水采出、塔釜蒸氨廢水采出以及堿液加入均與導熱油蒸氨工藝一致。
圖2-2 管式爐蒸氨工藝流程示意圖
管式爐蒸氨技術的至大亮點在于將煤氣的燃燒輻射熱直接傳遞給廢水，省去了一次能量轉換環節，提高了能效。
管式爐蒸氨在行業內取得了一定的業績，但是在實際使用過程中，盡管蒸氨廢水的氨含量較低，但仍存在一定的腐蝕性，由此帶來了管式爐爐管材質的防腐等級提高、設備投資增加等不利因素，影響了管式爐蒸氨在行業內的推廣。
2.3 負壓蒸氨技術
近年來，隨著一大批負壓蒸餾技術，如煤焦油負壓蒸餾、富油負壓脫苯、工業萘負壓蒸餾在焦化行業內部的研發和推廣，加深了行業內對負壓過程的節能、環保特性有了更加清晰的認識，也促成了負壓蒸氨的工藝的誕生。2010年，濟南冶金公司、清華大學和濟鋼焦化廠合作在經過?300mm的實驗塔的成功實驗運行的基礎上，濟南冶金公司、清華大學和濟鋼焦化廠合作將?1600mm的導熱油蒸氨塔改為負壓蒸氨塔，并一次開車成功。負壓蒸氨的優勢非常明顯：與常壓相比較，負壓精餾可提高氨-水體系相對揮發度，使氨水分離效果改善；同時，負壓操作使操作溫度降低，使蒸氨能耗大幅降低。根據濟鋼負壓蒸氨工藝運行數據，負壓蒸氨能耗已將至0.06Mkcal/h，節能效果非常明顯；同時，負壓蒸氨屬于“外加壓”操作，系統內部壓力低于環境，塔內污染物不易擴散至環境，過程清潔、綠色。由于負壓蒸氨僅改變了蒸氨塔的操作條件，因此負壓蒸氨完全和前述的幾種間接蒸氨技術組合形成新的蒸氨集成技術，如管式爐負壓蒸氨技術、導熱油負壓蒸氨技術和間接蒸汽負壓蒸氨技術等，此舉大幅拓寬了負壓蒸氨在行業內的應用范圍。
3 焦爐煙道氣余熱負壓蒸氨成套技術及裝置的研發
3.1 焦爐煙道氣余熱負壓蒸氨方案的提出
盡管熱導油負壓蒸氨等技術的開發取得了非常明顯的節能效果，但是仍需要消耗一定的一次能源（約0.06Mkcal/h）。而另一方面，焦化工序內部卻存在大量的可利用二次能源。焦爐輸出熱量除了41%的紅焦顯熱通過干熄焦回收外，其他大量熱流股余熱尚未得到回收利用。按照生產1噸焦炭消耗輸入熱量約113kg標準煤計，2011年產焦4.28億噸焦炭，共輸入熱量4836.4萬噸標準煤，其中，焦爐煙道廢氣從煙囪帶走1126.9萬噸標準煤熱量。由此說明焦化內部能源流的利用效率亟待提高。我國冶金專家提出了冶金流程學理論，以過程的多功能、多目標性、多價值性及物質流、能源流、價值流的集成匹配的過程協同狀態思路，為鋼鐵企業也為焦化企業系統能效、系統價值的優化開發指明了方向。由于負壓蒸氨技術的開發，蒸氨所需溫度和能耗大幅下降，為焦化工序內部二次能源的網化用于蒸氨提供了可能。正是在這種情況下，濟南冶金公司、清華大學和北京中潤天海公司合作提出了煙道氣蒸氨的技術方案，實現了蒸汽、煤氣等有價能源介質的零消耗蒸氨過程及焦化工序能源流的價值再造。
3.2 煙道氣蒸氨技術方案與研發過程
所謂煙道氣負壓蒸氨，即是在負壓狀態下，利用煙道氣余熱加熱從廢水中回收氨的過程。
煙道氣蒸氨的工藝流程如圖3-1所示。
圖3-1 煙道氣蒸氨工藝流程圖
來自剩余氨水槽的剩余氨水，經過貧富液換熱器與蒸氨廢水進行換熱后，在管道混合器與來自界區外的堿液混合后從蒸氨塔的中部加入。蒸氨塔底部分熱廢水通過循環泵進入煙氣熱管換熱器循環加熱后返回蒸氨塔釜；另外部分廢水從塔底用釜底抽出泵抽出，與貧富液換熱器換熱，加熱剩余氨水進料，再送至生化系統處理。蒸氨塔頂氨汽進入塔頂分縮器冷卻調節回流和氨氣濃度，氨氣至終在全凝器中冷凝為氨水流入氨水中間罐，至后送入氨水大罐，供硫銨和脫硫使用。氨水中間罐與負壓系統連通，以保持系統在負壓下操作。
3.3 技術關鍵和解決方案
實現煙道氣蒸氨的關鍵技術有以下兩個，一個是煙道氣的高效利用技術，另一個是負壓技術，包括負壓形成技術-真空泵和負壓精餾技術-負壓精餾技術。
3.3.1煙道氣高效利用技術-煙氣熱管換熱器
目前工業上回收煙道氣余熱大多僅限于煙道氣間接利用，間接利用方式增加了能源轉換環節，降低了能效。因此考慮煙道氣工藝直用，即不經過另外轉換，直接將煙道氣用于加熱廢水.為了強化煙道氣直用效果，本方案采用熱管換熱技術，可大幅提高了總傳熱系數，降低傳熱面積，有利保障煙道氣蒸氨的成功實施。
3.3.2 負壓成套技術
由于負壓蒸氨可有效提高氨-水的相對揮發度，改善蒸氨效果；降低蒸餾溫度，因此本技術方案中采用在負壓下進行蒸氨。負壓操作的技術關鍵有兩個：一個是負壓形成技術，即真空泵，另一個則是負壓蒸餾技術，即負壓精餾塔。
3.3.2.1負壓形成技術-真空泵
工業裝置負壓的形成通常采用真空泵，氨水在負壓下泡點降低，在工況波動時有可能形成不凝氣帶入真空泵，將對目前常用的機械式真空泵、液環式真空泵的潤滑液體和工作液體產生損害，因此機械式真空泵和液環式真空泵均不適合用于負壓蒸氨場合；而工業上經常使用的蒸汽噴射泵能耗較高，而且極易產生蒸汽冷凝廢水，因此綜合考慮之下，本技術方案至終確定采用水噴射式真空泵。采用水噴射真空泵除了運行能耗較低外，至大的優點在于可以較好地解決真空泵可能吸入不凝氨氣后產生的廢水的消納問題。
3.3.2.2負壓精餾技術-負壓精餾塔
與常壓精餾過程相比，負壓精餾具有低溫節能、相對揮發度提高，改善分離效果的優點，但是由于在負壓下操作，氣相密度降低，氣體體積膨脹，負壓精餾往往需要更大的精餾塔徑和更低的氣相壓降。因此，開發處理能力大和氣相阻力小的精餾塔內件是保證負壓精餾成功運行的技術關鍵之一。填料雖然具有氣相阻力小的特點，但是由于進料氨水中含有一定的懸浮物，有可能造成填料堵塞，因此填料不適合用于提餾段，提餾段采用板式塔較為合理，而且提餾段使用的塔板應具有氣相阻力小的特點。傳統塔板泡罩、浮閥和篩板由于處理量小和塔板阻力大不宜用于負壓蒸氨場合，經過反復對比論證，本技術方案決定采用清華大學自主研發的高效塔板-斜孔塔板。與常規塔板浮閥與篩板相比較，該塔板具有處理量大、分離效率高、塔板阻力小等優點，可保持穩定的液層和均勻的汽液接觸過程。
4 實施效果
利用焦爐煙道氣余熱負壓蒸餾處理焦化廢水的成套技術及裝置實現了焦爐煙氣流股余熱的高效直接工藝利用，降低了焦化工序能耗。為焦化工藝過程余熱余能分布式高效網化利用提供了重要實踐。首次創新開發的由斜孔塔板、內置式分縮器、噴射式真空泵組成的高效負壓蒸氨塔實現了蒸氨過程的高效、低耗、低成本、高環境質量保障能力的運行。首次開發的熱管焦爐煙氣—剩余氨水換熱器，實現了低品質熱源用焦化工藝生產。使焦化工藝過程能源利用效率大幅提高。
這一工藝技術的創新成功使焦化廢水處理實現了蒸氨過程蒸汽、煤氣等能源介質的零消耗。處理成本降低50%（含蒸氨和生化）、廢水量減少25％、提高了處理水水質，為焦化廢水實現資源化利用和零排放創造了有利條件。為焦化工藝過程余熱余能分布式高效網化利用提供了示范。利用焦爐煙道氣余熱負壓蒸氨處理焦化廢水的成套技術及裝置開發屬國內外首創，達到了國際領先水平。具有顯著的企業效益、環境效益和社會效益。受到國內焦化界技術專家的高度關注和評價。對焦化行業綠色轉型和提高市場競爭力將提供有力的技術支撐。
天津華能北方熱力設備有限公司
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