戴勁

中國石化催化劑有限公司長嶺分公司 湖南 岳陽 414012

引言

某化工企業(yè)的主要產(chǎn)品為催化裂化催化劑。Y型分子篩是催化劑的主要活性組分，制備過程主要包括NaY分子篩合成和改性，改性過程中多利用無機銨鹽的交換作用降低分子篩中氧化鈉的含量，交換濾液及洗滌液中含有高濃度氨氮。高氨氮含量污水采用脫氨裝置處理，裝置出水與其他微氨氮含量的污水混合后，由綜合污水處理系統(tǒng)處理合格，最后通過管道排入長江。為滿足污水符合國家排放標準，去除氨氮是催化劑裝置污水處理的重要內(nèi)容之一[1]。

某化工企業(yè)現(xiàn)有新舊兩套閃蒸汽提脫氨裝置，舊裝置于2009年投用，設計能力50m3/h，新裝置于2013年投用，設計能力75m3/h，實際處理能力105m3/h，兩套裝置均由天華化工機械及自動化研究設計院、北京化工大學提供技術(shù)方案，可將污水氨氮含量由3000—5000mg/l處理到15mg/l以下，裝置的副產(chǎn)品硫酸銨則作為分子篩制備過程中的銨鹽予以回用[2]。作為含氨污水處理系統(tǒng)的最主要單元，汽提脫氨裝置的運行好壞不僅關(guān)系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定與否，同時也是制約上游催化劑制造單元連續(xù)運行的關(guān)鍵，如果污水處理氨氮含量超標將迫使上游生產(chǎn)裝置停工。因此，裝置的日常運行監(jiān)控以及出現(xiàn)問題后的原因排查分析，制定針對性的應對措施就顯得尤為重要。

1 運行狀況

新的汽提脫氨裝置2013年投用以來，2014年平均每小時處理污水量為83.39噸，2015年平均每小時處理污水量為93.22噸，對氨氮的去除率達到99.9%以上，裝置運行參數(shù)如下，一直比較穩(wěn)定。

1.1 工作壓力

汽 提 段：85～98KPa；

一級閃蒸段：40～60KPa；

二級閃蒸段：15～30KPa；

一級混合段：15～30KPa；

二級混合段：40～60KPa。

1.2 工作溫度

汽提段：塔頂：92～95℃，塔釜：95～98℃；

一級閃蒸段：80～85℃；

二級閃蒸段：58～63℃；

一級混合段：50～60℃；

二級混合段：70～80℃。

2015年5 月，裝置出現(xiàn)出水不合格的情況，P2934出口采樣氨氮含量從0直接上升到300～500mg/l，通過裝置重新開工可恢復正常，間隔數(shù)天又會發(fā)生，兩次的間隔時間不固定，短則一兩天，長則半個月，且次數(shù)越來越頻繁，直接威脅到上游裝置的連續(xù)生產(chǎn)。通過對裝置處理質(zhì)量的影響因素逐一分析、排查，最終確定了原因，保證了出水水質(zhì)的達標排放。

2 原因分析

2.1 汽提裝置工藝原理及流程

熱泵閃蒸汽提脫氨技術(shù)，其關(guān)鍵設備為復合汽提脫氨塔、氨氣吸收塔和飽和塔、熱泵機組等，主要利用組合的熱泵技術(shù)和閃蒸技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)的汽提脫氨技術(shù)對高氨氮廢水進行汽提脫氨。其工藝原理為：當廢水中pH值在11.5～12.0時，溶液中銨離子將轉(zhuǎn)變成游離氨，其反應原理如下：

此時廢水中的游離氨通過蒸汽汽提的方法易于從液相進入氣相，進入氣相的氨一部分進入飽和吸收與稀硫酸反應生成硫酸銨，其反應方程如下：

生成的硫酸銨可作為催化劑制備過程中的原料回用，從而達到廢水脫氨的目的。

工藝流程是將預處理后的氨氮廢水與脫氨后的廢水經(jīng)過閃蒸的蒸汽通過文丘里噴射器直接加熱后，加入堿液調(diào)節(jié)pH值，送入脫氨塔汽提段的頂部，與脫氨塔汽提段底部來的蒸汽進行逆流接觸，汽、液兩相在塔內(nèi)的填料層發(fā)生傳質(zhì)，廢水中的游離氨氣進入汽相。

脫氨后的廢水進行二級閃蒸降溫，閃蒸產(chǎn)生的蒸汽再進入文丘里噴射器和高氨氮廢水混合加熱預處理的高氨氮廢水，實現(xiàn)脫氨前廢水和脫氨后廢水的熱量交換。閃蒸后的脫氨廢水溫度降至60℃左右排放。

脫氨塔頂部出來的含氨蒸汽經(jīng)過蒸汽循環(huán)熱泵增壓后進入飽和吸收塔進行氨氣吸收[3]。循環(huán)吸收液經(jīng)硫酸循環(huán)液泵由塔上部進入塔內(nèi)。在吸收塔的填料層中汽、液相發(fā)生傳質(zhì)及酸堿中和反應，蒸汽中的氨被硫酸循環(huán)吸收液所吸收，重新變得潔凈的蒸汽，以及硫酸和氨反應放熱產(chǎn)生的蒸汽一道經(jīng)過蒸汽噴射器，由公用工程來的補充蒸汽引射增壓后，送入到汽提脫氨塔循環(huán)使用。

2.2 影響脫氨效果的工藝因素

從熱泵閃蒸汽提脫氨技術(shù)的工藝原理分析，影響脫氨效果的因素有如下幾點

2.2.1 反應pH值。當廢水中pH值在11.5～12.0時，溶液中銨離子轉(zhuǎn)變成游離氨，當pH值達不到條件值，轉(zhuǎn)變率會大幅降低，氨仍然以離子態(tài)存在于污水中，致使出水氨氮含量超標。實際運行中，汽提出水P2934出口pH值基本保持在12.0～12.5之間，滿足反應條件，為排除意外情況，通過加大液堿用量，控制出水pH＞13，問題依舊，該因素排除。

2.2.2 反應溫度。根據(jù)天華院工藝包，汽提塔頂溫度范圍93-98℃，溫度過低則蒸汽通過量不足，影響汽提效果，溫度過高則影響后續(xù)的玻璃鋼吸收塔的設備安全。實際運行中，為降低能耗，塔頂溫度一直在下限運行，試驗逐步提高塔頂溫度，直至98℃，出水依然有不合格現(xiàn)象，該因素排除。

2.2.3 其他因素。根據(jù)以往的操作經(jīng)驗，影響閃蒸汽提脫氨效果的因素還有很多，例如熱泵頻率、吸收液循環(huán)量，吸收液pH值，飽和塔液位，噴射泵流量，包括在線工藝儀表假數(shù)據(jù)等都會造成脫氨不完全，出水氨氮超標。通過對這些因素的逐一排查，沒有發(fā)現(xiàn)問題。

2.3 影響脫氨效果的設備因素

2.3.1 汽提脫氨塔。汽提塔集汽提脫氨，真空閃蒸為一體，是廢水脫氨系統(tǒng)的核心設備，其主要由5部分組成，從上到下依次為：減壓汽提段、一級閃蒸段、二級閃蒸段、一級混合段、二級混合段。

汽提塔的上部為減壓汽提段，作用是將高氨氮廢水進行汽提脫氨，將廢水中的氨氮汽提出來。汽提塔的中間段為一、二級減壓閃蒸段，其結(jié)構(gòu)主要由閃蒸霧化器和集液段等部件組成，該閃蒸霧化器的作用是高度霧化脫氨后的廢水，使廢水迅速降溫，產(chǎn)生的蒸汽用于加熱預處理的高氨氮廢水。汽提下部是一、二級混合段，作用為將未處理的廢水加熱，使脫氨廢水和沒有脫氨的廢水進行熱量交換。復合汽提脫氨塔筒體材質(zhì)為碳鋼，填料選用增強聚丙烯（RPP）填料。

在以往對舊裝置的汽提塔進行檢修時，發(fā)現(xiàn)增強聚丙烯填料有因高溫大片熔化板結(jié)的現(xiàn)象，也有老化變脆在重壓下坍塌粉碎的現(xiàn)象。由于氨氮廢水在汽提段內(nèi)與蒸汽進行逆流接觸，汽、液兩相要在塔內(nèi)的填料層發(fā)生傳質(zhì)，廢水中的游離氨氣才進入汽相，如果填料層發(fā)生大面積的板結(jié)或者粉化坍塌，汽、液兩相的傳質(zhì)效率將大幅降低，氨氮脫除效果變差，也會引起出水氨氮不合格。通過打開汽提塔各段的人孔進行檢查，增強聚丙烯填料基本完好，只有很少量的碎片，沒有發(fā)現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象。

2.3.2 文丘里噴射器。文丘里水噴射器（見圖1）是真空閃蒸技術(shù)的關(guān)鍵設備之一。文丘里水噴射器和復合汽提脫氨塔第一、二閃蒸段結(jié)合在一起其目的就是將復合汽提脫氨塔減壓汽提段的脫氨廢水進行閃蒸，并和高氨氮廢水進行換熱，將高氨氮廢水進行加熱，達到一級脫氨塔脫氨要求的溫度，實現(xiàn)了熱量的回收，并解決的普通換熱器由于硅酸鹽結(jié)晶造成的堵塞問題。

圖1 文丘里水噴射器結(jié)構(gòu)圖

文丘里水噴射器工作原理，具有一定壓力的工作介質(zhì)水，通過噴嘴向吸入室高速噴出，將水的壓力能變?yōu)閯幽埽纬筛咚偕淞?；吸入室中的氣體被高速射流強制攜帶與之混合，形成氣液混合流，進入擴壓器，從而使吸入室壓力降低，形成真空，在擴壓器的擴張段內(nèi)，混合射流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，速度降低壓力升高，周而復始達到抽真空的目的。單級水噴射泵的噴嘴可以是由一個漸縮噴嘴構(gòu)成的單噴嘴結(jié)構(gòu)，也可以是在一個孔板上開設多個孔口的多噴嘴結(jié)構(gòu)。汽提裝置使用的文丘里是多噴嘴結(jié)構(gòu)，共有9個孔徑φ16的噴嘴，并以6度的角度向中心點傾斜。根據(jù)伯努利方程：

式中：p為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。

可知當流體密度、高度差不變的情況下，負壓大小與流速成反比。在排除循環(huán)泵的流量和壓力正常后，影響流速的只有噴嘴的孔徑了。由于污水中含有一定量的固體顆粒，經(jīng)過2年的運行，在持續(xù)的高壓沖刷下，噴嘴的孔徑會變大，進而使流速下降，負壓減小。

拆卸文丘里噴射器的蓋板，發(fā)現(xiàn)花板本體及噴嘴銹蝕嚴重，9個噴嘴有3個發(fā)生堵塞，孔徑也有些許變大。按照原設計圖紙重新加工制作了花板，裝上運行后，一閃二閃的負壓基本恢復正常，但出水不合格的情況仍有發(fā)生，發(fā)生的間隔時間變長。

通過持續(xù)跟蹤并仔細分析裝置運行的各項工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當出水不合格情況發(fā)生時，一閃的負壓PI2904比正常運行時有10～20KPa左右的提高，最高可達到80KPa，離正常工藝指標40～60KPa偏離較遠，說明文丘里的抽真空性能不穩(wěn)定。查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)真空度下降時，文丘里噴射器會發(fā)生“反流”現(xiàn)象，既工作介質(zhì)不能全部經(jīng)擴壓管流出，而是有一些工作介質(zhì)從噴嘴噴出以后返流到被抽真空的容器中。結(jié)合裝置的故障現(xiàn)象，可以完美解釋出水不合格的原因。X2930/2、3文丘里噴射器所使用的工作介質(zhì)是一混段的未經(jīng)脫氨的污水，抽吸的是二閃的蒸汽，當發(fā)生返流時，會有少量未脫氨的污水直接進入二閃段，跟已經(jīng)完成脫氨的污水混合在一起經(jīng)泵排出，造成出水氨氮不合格。

3 解決方案

真空度下降的原因除了噴嘴磨損過大以外，還有設備和管道密封不嚴，如密封墊老化、破損、管子破裂、螺栓松動等。將X2930/2、3文丘里噴射器的外部保溫拆除后仔細檢查，發(fā)現(xiàn)在3#文丘里的喉部管壁已腐蝕變薄，并有兩處腐蝕沖刷造成的沙眼。重新訂制新的文丘里噴射器，為了增強抗腐蝕性，將材質(zhì)由碳鋼改為304不銹鋼，設備安裝后，一閃、二閃的負壓恢復到設計值，裝置運行平穩(wěn)，經(jīng)過長期運行，沒有發(fā)生因“返流”造成的出水氨氮不合格，裝置的蒸汽耗量也有大幅的下降（見下表），至此，問題解決。

表1 近三年同期蒸汽單耗數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

減壓汽提脫氨裝置的負壓情況影響裝置的蒸汽耗量。文丘里噴射器的噴嘴沖刷磨損后會引起真空度的下降。文丘里噴射器設備和管道密封不嚴，會造成“反流”現(xiàn)象。

通過對本次減壓汽提脫氨裝置出水不合格問題的排查和處理，對同類裝置的穩(wěn)定操作有一定的借鑒作用。