含氨气体对燃气发动机的危害及脱氨方法

马学志（胜利油田胜利动力机械集团有限公司，山东 东营 257032）

引言

随着节能减排形势日趋严峻，气体燃料作为内燃机的一种重要替代能源也越来越多的受到关注和重视,燃气发动机从最初的天然气，沼气发展到现在的各种垃圾填埋气、炼化尾气等，应用范围不断扩大。气体燃料种类繁多,燃料中除了含有一定成分的甲烷、一氧化碳、氢气等可燃气体外，还含有少量的硫化氢（H2S）、氨（NH3）等腐蚀性气体和焦油、苯、萘等杂质。硫化氢是一种酸性气体，对发动机的危害众所周知，成熟的脱硫技术及设备，被广泛的运用。但氨的危害，常常被忽视，在很多的炼化工艺过程中，都会产生氨气，在具有一定规模的炼化企业，基本上都采用传统的蒸氨工艺处理氨氮废水，加以回收利用。但这种传统工艺处理后可燃尾气中，其脱氨不彻底或未严格按照工艺进行处理，倘若将这种工业尾气作为燃气发动机的燃料，燃气中的氨含量对于发动机燃料有害物质标准来说，远远超标，达不到发动机的使用要求。

1.氨的腐蚀机理

根据资料介绍[1]，氨水对铁、铜和铝都有腐蚀作用，不能用金属容器盛装氨水。

氨，氮和氢的化合物，分子式为NH3，是一种无色气体，有强烈的刺激气味。密度比空气小，极易溶于水，易液化。氨的水溶液叫做氨水。氨溶于水时，大部分NH3与H2O通过氢键结合，形成一水合氨，可以部分电离成NH4+和OH-，所以氨水显弱碱性。氨溶于水的过程中存在着下列可逆反应:

所以，氨水是由 H2O、NH3、NH4+、OH-和极少量 H+组成的混合物。在氨分子中，氮原子是以不等性SP3杂化成键的。在四个杂化轨道中有三个轨道和三个氢原子结合形成三个σ共价键，另一个轨道为不成键的孤电子对所占有。由于孤对电子的排斥作用，键角是106.75°，氨分子的几何构型呈三角锥形。其中的氮原子有孤电子对,可以和具有空轨道的分子或离子形成配位键,得到各种形式的氨合物,比如二氨合银络离子、四氨合铜(Ⅱ)络离子等。

氨水能腐蚀金属的本质原因主要有两点:一是较活泼的金属（如铁、铝等）被溶液中的氢离子氧化，氨水及其碱性环境，加速了这一氧化过程。二是较不活泼但易形成配离子的金属（如铜等过渡金属），被氧气氧化后，再形成氨的配离子，而加速了金属的氧化腐蚀[1]。

氨水腐蚀金属铜的过程可表示为:

4Cu+O2+2H2O+8NH3=4[Cu(NH3)2]++4OH-无色的[Cu(NH3)2]+在空气中不稳定，立即被氧化为蓝色[Cu(NH3)4]2+，反应方程式为:

因此，氨腐蚀铜以后，会在铜表面观察到蓝色的物质。

2.含氨气体对燃气发动机的危害

氨水对金属铁、铝和铜都有腐蚀作用，尤其对铝和铜的腐蚀较为严重。燃气中的氨气与水接触后，形成氨水，氨水对燃气发动机的危害，主要体现在以下几个方面:

2.1 对中冷器的损害

燃气发动机的中冷器芯，一般都采用铜作为换热材料，氨气与燃气中的水形成氨水后，严重腐蚀中冷器芯，导致中冷器换热效果变差，严重的出现翅片坍塌，换热管漏水等。

2.2 对机油的污染

燃烧室中的氨气通过缸套和活塞环之间的间隙泄漏，溶于机油中，造成机油变质，影响机油的粘度等参数，导致燃气发动机润滑不好。

2.3 对轴瓦的腐蚀

由于泄漏的氨气溶于机油中，机油对发动机的一些部位润滑、冷却时，造成了一些轴瓦的腐蚀，严重的掉块，在轴瓦表面形成凹坑，破坏了油膜和润滑条件，造成事故。如长期燃用焦炉煤气的机组，如氨气含量超标，连杆小头衬套由于是铜材料，腐蚀比较严重，经常需要更换。

其次，氨气也会加快铁的腐蚀，燃气管道受到氨的腐蚀后，出现锈蚀，一些铁锈脱落，造成燃气发动机阻火器、中冷器等堵塞，严重的进入气缸，造成拉缸。

总之，氨气对燃气发动机的危害是不能忽视的。氨气和硫化氢一般都共存在煤气中，例如常用做燃气发动机燃料的焦炉尾气，尾气中含有一定量的硫化氢和氨气，两种气体都会对燃气发动机造成腐蚀危害，一般人们对硫化氢的危害比较重视，都有相应的处理措施，对氨气的危害重视程度不够，氨气对燃气发动机的危害需要提高认识和引起重视，并采取相应的措施。

3.燃气的脱氨

目前现有的脱氨工艺及设备，主要是用在焦化厂的高浓度含氨氮废水的处理，氨氮废水的处理技术可以分为两大类:一类是物化处理技术，吹脱、蒸氨、沉淀等，另一类技术是生物脱氮技术[2]。比较传统和成熟的是蒸氨法和吹脱法，生物法不适合用来处理燃气中的氨，根据燃气发动机应用的环境和条件，从蒸氨法和吹脱法中提出了一种改进方法，用于燃气中氨的吸附和脱除。

3.1 蒸氨法

蒸氨法是焦化厂广泛采用的处理含氨废水的措施，分为直接蒸氨法和间接蒸氨法，传统的蒸氨工艺多为直接蒸氨工艺。

蒸汽加热直接蒸氨工艺是在蒸氨塔塔底直接通入水蒸气作蒸馏热源。原料氨水与蒸氨废水换热至90-98℃，进入蒸氨塔上部，塔底供入蒸汽将氨蒸出。缺点是加热温度太高，需要大量的高温蒸汽，能耗高，一次性投资太大。

3.2 空气吹脱法

吹脱法工艺主要应用在高浓度氨氮废水脱氨方面。利用空气为吹脱介质，当空气与废水接触时，利用空气介质中氨的分压和废水中氨的分压差，产生传质推动力，使废水中的游离氨不断由液相转移到气相中，随气体介质吹脱出来，从而到达脱除废水中氨的目的。缺点是需要外加动力，提供大量的空气，动力消耗太大。

3.3 加热和空气吹脱组合法

根据蒸氨法和空气吹脱法的优缺点，提出了一种处理氨气的工艺，加热和空气吹脱法的组合脱氨法，工艺流程见图2。

3.3.1 加热和空气吹脱组合法脱氨的主要工艺原理

3.3.1.1 利用氨在水中溶解度较大的特性，用水喷淋洗氨；

3.3.1.2 利用亨利定律所述的“等温等压条件下相平衡时，气相浓度与液相浓度成正比”的关系，用空气对富氨溶液吹脱再生；

3.3.1.3 利用氨在水中溶解度随温度升高而迅速降低的特性，在吹脱前对富氨溶液加热，强化吹脱；在吹脱后对贫氨溶液降温，强化吸收。

图1 氨在水中溶解度曲线

图2 工艺流程示意图

3.3.2 氨气吸收过程影响因素

氨气吸收平衡方程:Q燃气×（燃气入口氨含量-燃气出口氨含量）=Q循环液×（富液氨含量-贫液氨含量）。由上式可看出:

3.3.2.1 脱氨总负荷=Q燃气×（燃气入口氨含量-燃气出口氨含量），其越低，脱氨效果越好。

3.3.2.2 贫氨溶液喷淋量越大，氨的总吸收能力越大，脱氨效果越好。

3.3.2.3 贫液氨含量:此值越低，净化后燃气中氨含量越低，吸收塔入口贫液氨含量是决定燃气净化后氨含量的关键，取决于再生。

3.3.2.4 贫液温度越低氨溶解度越大，吸收能力越强，脱除效果越好。

3.3.3 氨气吹脱再生影响因素

吹脱物料平衡方程:空气流量×（出口氨含量-入口氨含量）=循环液量×（入口富液氨含量-出口贫液氨含量）。由上式可看出:

a.贫富液温差:温差越大，富液温度越高，越利于氨的吹脱；

b.空气温度:空气与高温富液温差越小，越有利于氨的吹脱；

c.脱氨溶液pH值:pH值越高，越有利于氨的吹脱解吸，但不利于氨的吸收，NH3∙H2O↔NH4++OH-。因此调整循环液pH值的方法不适合采用。

d.气液比（空气/循环液）:气液比越高，吹脱塔出口空气氨含量越低。吹脱塔出口空气氨含量决定了贫液中氨含量，其值越低，吹脱再生后贫液中氨浓度越低，吸收氨的能力越强。气液比一般为3000:1-3500:1。空气用量最终以泛点气速为限值。

e.循环液喷淋密度:喷淋密度过大容易形成水幕、过小填料未被完全润湿，均不利于吹脱；最佳喷淋密度为:2.5-5m3/m2·h。

在上述脱氨工艺中，富液的加热，可以采用发动机的余热进行加热，实现节能和能源利用的最大化。

经过实践验证，采用加热和空气吹脱组合法脱氨，相比蒸汽法来说，加热温度不需要太高，可以减小能源的浪费，相比单独的吹脱法来说，不需要大量的空气，可以降低能耗，又能实现较好的脱氨效果，最终实现燃气经过处理后，燃气中氨含量50ppm以下的目标。加热和空气吹脱组合法脱氨，在某台焦炉煤气机组上进行了验证试验，取得了较好的效果，机组长期运行，没有出现严重的腐蚀现象。

4.结语

燃气发动机在各个领域的推广应用，由于燃气成分的复杂和多变，燃气中的有害气体和物质对发动机的可靠性和稳定运行影响巨大，因此，燃气发动机利用的前提就是燃气的净化处理。尤其是各种煤气发动机，硫化氢、氨等有害气体的处理，可以保障机组可靠、稳定运行，提高机组寿命。

采用加热和空气吹脱组合法脱氨，可以实现焦炉煤气等燃气中氨气的脱除，但脱氨后氨气对环境的污染（二次污染），氨气的处理和回收问题，需要进一步研究，才能实现真正意义上的节能环保。

[1]张新平宋秀安等.氨水腐蚀铝、铁、铜的化学原理初探[J].化学教育，2013第1期:76-79.

[2]何松波氨氮废水处理技术进展[J].环境催化，2004.