馬學(xué)志（勝利油田勝利動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，山東 東營 257032）

引言

隨著節(jié)能減排形勢日趨嚴(yán)峻，氣體燃料作為內(nèi)燃機(jī)的一種重要替代能源也越來越多的受到關(guān)注和重視,燃?xì)獍l(fā)動機(jī)從最初的天然氣，沼氣發(fā)展到現(xiàn)在的各種垃圾填埋氣、煉化尾氣等，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。氣體燃料種類繁多,燃料中除了含有一定成分的甲烷、一氧化碳、氫氣等可燃?xì)怏w外，還含有少量的硫化氫（H2S）、氨（NH3）等腐蝕性氣體和焦油、苯、萘等雜質(zhì)。硫化氫是一種酸性氣體，對發(fā)動機(jī)的危害眾所周知，成熟的脫硫技術(shù)及設(shè)備，被廣泛的運用。但氨的危害，常常被忽視，在很多的煉化工藝過程中，都會產(chǎn)生氨氣，在具有一定規(guī)模的煉化企業(yè)，基本上都采用傳統(tǒng)的蒸氨工藝處理氨氮廢水，加以回收利用。但這種傳統(tǒng)工藝處理后可燃尾氣中，其脫氨不徹底或未嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行處理，倘若將這種工業(yè)尾氣作為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的燃料，燃?xì)庵械陌焙繉τ诎l(fā)動機(jī)燃料有害物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來說，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，達(dá)不到發(fā)動機(jī)的使用要求。

1.氨的腐蝕機(jī)理

根據(jù)資料介紹[1]，氨水對鐵、銅和鋁都有腐蝕作用，不能用金屬容器盛裝氨水。

氨，氮和氫的化合物，分子式為NH3，是一種無色氣體，有強(qiáng)烈的刺激氣味。密度比空氣小，極易溶于水，易液化。氨的水溶液叫做氨水。氨溶于水時，大部分NH3與H2O通過氫鍵結(jié)合，形成一水合氨，可以部分電離成NH4+和OH-，所以氨水顯弱堿性。氨溶于水的過程中存在著下列可逆反應(yīng):

所以，氨水是由 H2O、NH3、NH4+、OH-和極少量 H+組成的混合物。在氨分子中，氮原子是以不等性SP3雜化成鍵的。在四個雜化軌道中有三個軌道和三個氫原子結(jié)合形成三個σ共價鍵，另一個軌道為不成鍵的孤電子對所占有。由于孤對電子的排斥作用，鍵角是106.75°，氨分子的幾何構(gòu)型呈三角錐形。其中的氮原子有孤電子對,可以和具有空軌道的分子或離子形成配位鍵,得到各種形式的氨合物,比如二氨合銀絡(luò)離子、四氨合銅(Ⅱ)絡(luò)離子等。

氨水能腐蝕金屬的本質(zhì)原因主要有兩點:一是較活潑的金屬（如鐵、鋁等）被溶液中的氫離子氧化，氨水及其堿性環(huán)境，加速了這一氧化過程。二是較不活潑但易形成配離子的金屬（如銅等過渡金屬），被氧氣氧化后，再形成氨的配離子，而加速了金屬的氧化腐蝕[1]。

氨水腐蝕金屬銅的過程可表示為:

4Cu+O2+2H2O+8NH3=4[Cu(NH3)2]++4OH-無色的[Cu(NH3)2]+在空氣中不穩(wěn)定，立即被氧化為藍(lán)色[Cu(NH3)4]2+，反應(yīng)方程式為:

因此，氨腐蝕銅以后，會在銅表面觀察到藍(lán)色的物質(zhì)。

2.含氨氣體對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的危害

氨水對金屬鐵、鋁和銅都有腐蝕作用，尤其對鋁和銅的腐蝕較為嚴(yán)重。燃?xì)庵械陌睔馀c水接觸后，形成氨水，氨水對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的危害，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

2.1 對中冷器的損害

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的中冷器芯，一般都采用銅作為換熱材料，氨氣與燃?xì)庵械乃纬砂彼?，?yán)重腐蝕中冷器芯，導(dǎo)致中冷器換熱效果變差，嚴(yán)重的出現(xiàn)翅片坍塌，換熱管漏水等。

2.2 對機(jī)油的污染

燃燒室中的氨氣通過缸套和活塞環(huán)之間的間隙泄漏，溶于機(jī)油中，造成機(jī)油變質(zhì)，影響機(jī)油的粘度等參數(shù)，導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)動機(jī)潤滑不好。

2.3 對軸瓦的腐蝕

由于泄漏的氨氣溶于機(jī)油中，機(jī)油對發(fā)動機(jī)的一些部位潤滑、冷卻時，造成了一些軸瓦的腐蝕，嚴(yán)重的掉塊，在軸瓦表面形成凹坑，破壞了油膜和潤滑條件，造成事故。如長期燃用焦?fàn)t煤氣的機(jī)組，如氨氣含量超標(biāo)，連桿小頭襯套由于是銅材料，腐蝕比較嚴(yán)重，經(jīng)常需要更換。

其次，氨氣也會加快鐵的腐蝕，燃?xì)夤艿朗艿桨钡母g后，出現(xiàn)銹蝕，一些鐵銹脫落，造成燃?xì)獍l(fā)動機(jī)阻火器、中冷器等堵塞，嚴(yán)重的進(jìn)入氣缸，造成拉缸。

總之，氨氣對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的危害是不能忽視的。氨氣和硫化氫一般都共存在煤氣中，例如常用做燃?xì)獍l(fā)動機(jī)燃料的焦?fàn)t尾氣，尾氣中含有一定量的硫化氫和氨氣，兩種氣體都會對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)造成腐蝕危害，一般人們對硫化氫的危害比較重視，都有相應(yīng)的處理措施，對氨氣的危害重視程度不夠，氨氣對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的危害需要提高認(rèn)識和引起重視，并采取相應(yīng)的措施。

3.燃?xì)獾拿摪?/h2>

目前現(xiàn)有的脫氨工藝及設(shè)備，主要是用在焦化廠的高濃度含氨氮廢水的處理，氨氮廢水的處理技術(shù)可以分為兩大類:一類是物化處理技術(shù)，吹脫、蒸氨、沉淀等，另一類技術(shù)是生物脫氮技術(shù)[2]。比較傳統(tǒng)和成熟的是蒸氨法和吹脫法，生物法不適合用來處理燃?xì)庵械陌保鶕?jù)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)應(yīng)用的環(huán)境和條件，從蒸氨法和吹脫法中提出了一種改進(jìn)方法，用于燃?xì)庵邪钡奈胶兔摮?/p>

3.1 蒸氨法

蒸氨法是焦化廠廣泛采用的處理含氨廢水的措施，分為直接蒸氨法和間接蒸氨法，傳統(tǒng)的蒸氨工藝多為直接蒸氨工藝。

蒸汽加熱直接蒸氨工藝是在蒸氨塔塔底直接通入水蒸氣作蒸餾熱源。原料氨水與蒸氨廢水換熱至90-98℃，進(jìn)入蒸氨塔上部，塔底供入蒸汽將氨蒸出。缺點是加熱溫度太高，需要大量的高溫蒸汽，能耗高，一次性投資太大。

3.2 空氣吹脫法

吹脫法工藝主要應(yīng)用在高濃度氨氮廢水脫氨方面。利用空氣為吹脫介質(zhì)，當(dāng)空氣與廢水接觸時，利用空氣介質(zhì)中氨的分壓和廢水中氨的分壓差，產(chǎn)生傳質(zhì)推動力，使廢水中的游離氨不斷由液相轉(zhuǎn)移到氣相中，隨氣體介質(zhì)吹脫出來，從而到達(dá)脫除廢水中氨的目的。缺點是需要外加動力，提供大量的空氣，動力消耗太大。

3.3 加熱和空氣吹脫組合法

根據(jù)蒸氨法和空氣吹脫法的優(yōu)缺點，提出了一種處理氨氣的工藝，加熱和空氣吹脫法的組合脫氨法，工藝流程見圖2。

3.3.1 加熱和空氣吹脫組合法脫氨的主要工藝原理

3.3.1.1 利用氨在水中溶解度較大的特性，用水噴淋洗氨；

3.3.1.2 利用亨利定律所述的“等溫等壓條件下相平衡時，氣相濃度與液相濃度成正比”的關(guān)系，用空氣對富氨溶液吹脫再生；

3.3.1.3 利用氨在水中溶解度隨溫度升高而迅速降低的特性，在吹脫前對富氨溶液加熱，強(qiáng)化吹脫；在吹脫后對貧氨溶液降溫，強(qiáng)化吸收。

圖1 氨在水中溶解度曲線

圖2 工藝流程示意圖

3.3.2 氨氣吸收過程影響因素

氨氣吸收平衡方程:Q燃?xì)狻粒ㄈ細(xì)馊肟诎焙?燃?xì)獬隹诎焙浚?Q循環(huán)液×（富液氨含量-貧液氨含量）。由上式可看出:

3.3.2.1 脫氨總負(fù)荷=Q燃?xì)狻粒ㄈ細(xì)馊肟诎焙?燃?xì)獬隹诎焙浚?，其越低，脫氨效果越好?/p>

3.3.2.2 貧氨溶液噴淋量越大，氨的總吸收能力越大，脫氨效果越好。

3.3.2.3 貧液氨含量:此值越低，凈化后燃?xì)庵邪焙吭降?，吸收塔入口貧液氨含量是決定燃?xì)鈨艋蟀焙康年P(guān)鍵，取決于再生。

3.3.2.4 貧液溫度越低氨溶解度越大，吸收能力越強(qiáng)，脫除效果越好。

3.3.3 氨氣吹脫再生影響因素

吹脫物料平衡方程:空氣流量×（出口氨含量-入口氨含量）=循環(huán)液量×（入口富液氨含量-出口貧液氨含量）。由上式可看出:

a.貧富液溫差:溫差越大，富液溫度越高，越利于氨的吹脫；

b.空氣溫度:空氣與高溫富液溫差越小，越有利于氨的吹脫；

c.脫氨溶液pH值:pH值越高，越有利于氨的吹脫解吸，但不利于氨的吸收，NH3?H2O?NH4++OH-。因此調(diào)整循環(huán)液pH值的方法不適合采用。

d.氣液比（空氣/循環(huán)液）:氣液比越高，吹脫塔出口空氣氨含量越低。吹脫塔出口空氣氨含量決定了貧液中氨含量，其值越低，吹脫再生后貧液中氨濃度越低，吸收氨的能力越強(qiáng)。氣液比一般為3000:1-3500:1。空氣用量最終以泛點氣速為限值。

e.循環(huán)液噴淋密度:噴淋密度過大容易形成水幕、過小填料未被完全潤濕，均不利于吹脫；最佳噴淋密度為:2.5-5m3/m2·h。

在上述脫氨工藝中，富液的加熱，可以采用發(fā)動機(jī)的余熱進(jìn)行加熱，實現(xiàn)節(jié)能和能源利用的最大化。

經(jīng)過實踐驗證，采用加熱和空氣吹脫組合法脫氨，相比蒸汽法來說，加熱溫度不需要太高，可以減小能源的浪費，相比單獨的吹脫法來說，不需要大量的空氣，可以降低能耗，又能實現(xiàn)較好的脫氨效果，最終實現(xiàn)燃?xì)饨?jīng)過處理后，燃?xì)庵邪焙?0ppm以下的目標(biāo)。加熱和空氣吹脫組合法脫氨，在某臺焦?fàn)t煤氣機(jī)組上進(jìn)行了驗證試驗，取得了較好的效果，機(jī)組長期運行，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。

4.結(jié)語

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)在各個領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，由于燃?xì)獬煞值膹?fù)雜和多變，燃?xì)庵械挠泻怏w和物質(zhì)對發(fā)動機(jī)的可靠性和穩(wěn)定運行影響巨大，因此，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)利用的前提就是燃?xì)獾膬艋幚?。尤其是各種煤氣發(fā)動機(jī)，硫化氫、氨等有害氣體的處理，可以保障機(jī)組可靠、穩(wěn)定運行，提高機(jī)組壽命。

采用加熱和空氣吹脫組合法脫氨，可以實現(xiàn)焦?fàn)t煤氣等燃?xì)庵邪睔獾拿摮摪焙蟀睔鈱Νh(huán)境的污染（二次污染），氨氣的處理和回收問題，需要進(jìn)一步研究，才能實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保。

[1]張新平宋秀安等.氨水腐蝕鋁、鐵、銅的化學(xué)原理初探[J].化學(xué)教育，2013第1期:76-79.

[2]何松波氨氮廢水處理技術(shù)進(jìn)展[J].環(huán)境催化，2004.