煤气化废水酚氨回收装置中脱酸脱氨塔的操作优化

薛慧峰， 李星明， 姚 田

(1.山西工程职业学院唐槐校区，山西 太原 030032；2.山西潞安煤基清洁能源有限责任公司，山西 长治 046204；3.山西阳光焦化集团股份有限公司，山西 河津 043300)

引 言

在煤化工领域中，碎煤固定床加压气化工艺技术在多年发展当中更加成熟，具有煤种适应性广、耗氧量少、产出甲烷含量高等优势。洗气工艺当中会产生很多高浓度煤化废水，其中有很多的硫化物、酚、焦油等位物质，并且这些污染物会随着煤质变化而产生变化。在实际生产当中，酚氨回收装置脱酸脱氨塔很容易出现塔釜液水质超标问题，并且学术界对此类问题的研究也非常少。这就需要脱酸脱氨塔塔釜液水质超标问题进行针对性优化操作，进行合理改造，降低在实际生产中对自然环境的影响。

1 酚氨回收装置运行工艺机理分析

酚氨回收装置是由氨汽提塔、酸性汽提塔整合的一种设备。主要分为脱酸脱氨系统、三级分凝系统内。在实际运行工艺当中，处理之后的煤气化废水会分流，一部分废水进入到冷却塔内冷却，冷进料进入到塔顶当中；部分废水在流入到换热系统中，成为热料进入到塔体，之后在经过再沸器加热。塔釜中的酸性气体主要为二氧化碳、硫化氢，与氨气共同加热，从液相释出并随着气相朝向塔顶上升[1]。

上升中，由于气相和冷料接触，酸性气体挥发性高于氨气，所以大部分酸性气体会先从塔顶排出，少量酸性气体、大量氨气会重新被液相吸收，在塔体中间位置产生高浓度气体区，通过侧线采出之后会进入到三级分凝系统中，此时要降温3次，得到氨气。塔釜液、热料换热后，在到脱酚系统当中脱酚处理。此工艺同时脱出酸性气体和氨气，后续萃取工艺加工环境为碱性，这样即可提升萃取脱酚效率。

2 酚氨回收装置中脱酸脱氨塔的优化思路

2.1 工程案例

某酚氨回收装置在日常运行中，处理水量为60 t/h，每年运行时间为7 200 h，本装置的入水水质当中的游离氨占据总氨质量分数的90%以上，采用Aspen plus模拟计算方案，但是在实际操作当中，固定氨被忽略，将游离氨替代总氨。脱硫脱氨后水中游离氨浓度设定为30 mg/L以内，酸性气体质量浓度设置低于200 mg/L。

2.2 操作优化思路

由于上述试验方法没有考虑固定氨，因此试验结果并不标准。所以可以从另一个方面进行考虑，就是在脱硫脱酸塔、三级分凝系统加工参数确定的基础上，采用Aspen plus软件模拟脱酸脱氨工艺形态，在其他工艺参数都固定的前提下，对操作压力、冷热进料比、侧线采出率、侧线采出位置等因素进行分析，找出最优的操作计划[2]。

3 脱酸脱氨塔的操作优化

3.1 操作压力

在试验过程中，仅调节脱酸脱氨操作压力，其他各项参数都保持不变，压力设定分别为：0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，通过不同加压操作分析脱酸脱氨塔塔釜液水质中各类物质含量以及塔耗能情况。其中，在操作压力在0.2 MPa和0.3 MPa时，由于相比三级冷凝压力更小，所以在试验当中需要对三级冷凝操作进行修改，确保试验的精准性。

通过试验对比可知，压力和塔釜温度成正比，压力越大、温度越高，但是游离氨数量逐渐降低，与二者成反比关系，这是因为随着加压提升温度，高温环境下更有利于游离氨分离、脱除。所以通过加压可以提升塔的生产效率。通过对各个压力操作环境的参数分析可知，在压力为0.3 MPa时，塔釜液当中各类分子含量都达到了脱酸脱氨之后的出水标准，但是在后续三级冷凝、氨气净化当中会降压，所以操作压力在0.3 MPa时无法满足最终操作标准。在操作压力在0.4 MPa～0.7 MPa之间时，脱酸脱氨塔能耗有了明显提升，0.4 MPa能耗为5 900 kW、0.7 MPa能耗为7 200 kW，所以操作压力和能耗成正比。在能够满足生产标准的基础上，考虑经济性因素，操作压力控制在0.4 MPa～0.5 MPa最为合适[3]。

3.2 冷进料总占比

冷进料总占比作为变量，其他操作参数均不变，进料比分别设置为0.1、0.2、0.25、0.3、0.4，此时分析塔中氨含量、塔功耗问题。通过试验对比分析，在冷进料增加、塔顶酸性气体中氨含量有所降低，二者成反比。

在进料比在0.1～0.2时，酸性气体中氨大幅度降低。考虑到设计生产当中，需要降低他定酸性气当中氨含量，从而降低后期设备、管道产生碳铵结晶的几率，所以将冷进料比0.1排除。在冷进料0.2～0.4过程中，酸性气体中氨体积分数都在100×10-6以内，变化趋势不明显，可以满足生产要求。随着冷进料比重增加，能耗也随之增加。在0.2～0.3时，塔功耗变化趋势最为缓和，大于0.3冷进料时，塔耗能急剧增加。为了能够降低工艺使用的电力损耗，要根据入水标准，冷进料比在0.2～0.3最佳[4]。

3.3 侧线采出量

侧线采出量为变量，其余参数皆不变的基础上，考察1 000 kg/h～8 000 kg/h的塔釜液氨含量以及能耗变化趋势。通过分析可知，侧线采出率和塔釜液氨含量成反比，侧线采出率越高、氨含量越低。在侧线采出率为10%时，塔釜液氨含量质量分为1.38×10-6，在侧线采出率为12.1%、13.0%时，氨质量分数皆小于1×10-6，可见侧线采出率在10%以上为最佳。再者，通过分析可知侧线采出率增加，能耗也随之上升，二者成正比。所以同时考虑工艺要求和成本，建议增加一定的侧线采出率范围，侧线采出率应为10%～13%为最佳，如果在13%以上则会产生较大功耗。

3.4 侧线采出位置

侧线采出位置根据以上几点操作优化变量，将设定的参数为操作压力0.5 MPa、冷进料比为0.2、侧线采出率为10%，其余参数设定相同，从而分析侧线采出位置。通过分析可知在10～53块板间，气相氨含量差异不大，液相氨质量分数变化不大，气相氨体积分数要比液相氨质量分数更大，所以是气相采出。

通过分析可知，侧线采出位置下移，酸性气体中氨含量随之下降，塔釜液氨含量随着侧线采出位置上移而上升，在采出位置下移到30块塔板时我，塔釜液氨含量快速上升。所以在能够满足生产工艺基础上，侧线采出位置应在30块踏板之上。但是由于侧线采出位置上移会提升粗氨气中的酸性气体比例。在侧线采出位置在20块塔板以上时，侧线采出位置上移酸性气体随之增加，在20块塔板以下时，酸性气体会随之减少，并且变化趋势慢。所以侧线采出位置控制在20块塔板以下最为科学。

4 总结

综上所述，脱酸脱氨塔最优操作参数应为：操作压力0.4 MPa～0.5 MPa、冷进料比为0.2～0.3、侧线采出率为10%～13%、侧线采出位置为20块塔板以下时最为科学，可以同时满足生产要求和成本要求。对酚氨回收装置脱酸脱氨塔塔釜液水质超标等问题，需要不断对脱酸脱氨塔进行优化设计，保证煤深加工的质量以及环保性。探究煤气化废水酚氨回收装置中，脱酸脱氨塔的优化操作。