武汉科技大学本科毕业设计
1 总论
1.1 概述
国内焦化厂中，为脱除剩余氨水中的氨，一般都采用传统的直接蒸汽汽提法蒸氨，蒸氨废水经生化处理后循环使用或外排。但是此法存在蒸汽耗量大，设备腐蚀严重和操作费用高等问题。许多焦化厂也都建有蒸氨装置，但由于存在蒸汽不足，设备腐蚀和堵塞等问题而长期未开工。剩余氨水不经任何处理，直接送生化装置处理后外排。致使生化装置因进水的污染物含量高，而难以达到理想的处理效果，造成外排水多项指标长年超标排放。
焦化废水的来源主要有3部分：煤干馏煤气冷却过程中产生的剩余氨水；煤气净化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水；焦油、粗苯等精制过程中产生的污水。其中剩余氨水的污染量占总污染量的一半以上，它既是焦化污水的主要来源，同时又是冶金钢铁行业含氨氮较高的污染源。废水中氨氮的处理技术一直是各国学者研究的热门课题。脱氨方法有很多，目前在工业上应用的主要有蒸氨法、吹脱法、生物脱氮法、折点加氯法、离子交换法、烟道气治理法等等。生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水，该法技术可靠，处理效果好，主要应用于化工废水和生活污水的处理。对于高浓度无机氨氮废水，如化肥废水、催化剂废水，目前工业应用较多采用吹脱法。国内焦化厂为脱除剩余氨水中的氨氮，一般均采用蒸氨法。
考虑到本设计在技术和经济上的合理性，有必要进行设计之前的技术资料准备工作，以蒸氨工艺为参考，考虑预处理后的生化处理的联运，从工艺，设备及相关资料普查入手，经计算整理，设计一条利用煤气吹脱解析法处理100万吨焦化厂剩余氨水的工艺道路。由中试“煤气吹脱解析法处理剩余氨水”的试验结果可知，吹脱法处理的剩余氨水明显减轻了生化处理装置的负担，生化出水的水质也得到了明显的改善，外排水水质全部达标。而且大大降低了蒸汽耗量，降低工艺生产费用。
1.2 剩余氨水的来源，特点及质量组成
在焦炉煤气初冷过程中形成了大量氨水，其中大部分用做循环氨水喷洒冷却集气管的煤气，多余部分称剩余氨水。剩余氨水组成与焦炉操作制度、煤气初冷方式、初冷后煤气温度和初冷冷凝液的分离方法有关。其一般组成范围见表1.1 。
表1.1剩余氨水组成表
组 成, 克/升
[1]
[1]
初冷工艺
初冷后煤气温度℃
全氨
挥发氨
CO2
H2S
HCN
酚
吡啶
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煤气的初冷 初冷冷凝液单独
分离 初冷冷凝液与集气管循环氨水混
合分离 硫铵流程 氨水流程 煤气直接初冷 初冷循环氨水与洗氨氨水混合分
离
30~40
7~9
6~8
2~4
1~3
0.1~0.2
1~2 0.2~0.4
30~40 20~25
2~5
1~2 2~3
1~2 1.5~3
0.2~2 0.5~2.5
0.04~0.14 0.1~0.2
25~30 4~6 0.4~1.4 0.1~0.24
1.3 车间规模组成及主要装备水平
本工艺适用于硫铵车间，用来取代蒸氨工艺，装备水平为100万吨焦化厂硫铵工段装备水平。
1.4 节能技术与环保
煤气吹脱解析法脱氨氮比蒸氨法脱氨成本要低，蒸氨法的直接气耗量为160～200公斤/米3原料氨水，按市场平均价格算，每吨蒸气的价格约为90元人民币，也就是说每处理一吨氨水，光消耗蒸汽就要花费18元。按60万吨焦化厂计，仅耗蒸汽约300万元。采用煤气吹脱法，通入的是焦化厂本身就产生的焦炉煤气，利用焦炉煤气本身的热量和余压对剩余氨水进行吹脱。节约了能源，保护了环境，降低了成本。
另外，蒸氨法工艺流程较复杂，设备较大。而煤气吹脱解吸法工艺流程简单，与整个水处理工艺能联运循环。
总之，煤气吹脱法比蒸氨法成本明显要低，工艺要更为合理优化。
1.5 主要技术方案综述
1.5.1 主要技术的叙述 [8]
当废水中含有可挥发性物质(如硫化氢、氨气等)时，可以用向废水中通入蒸汽的方法将之提取出来，这就是“吹脱”，带出来的挥发性物质可以通过适当的方法加以回收利用。
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氨氮的去除率是指通过处理，从废水中除掉的氨氮的量占原废水中氨氮总量的百分比。
废水中的氨氮多数是以铵离子(NH4+) 和游离氨(NH3) 的状态存在，并且它们之间存在如下的平衡关系：
???NH3?H2O?????NH4??OH NH3?H2O????显然，游离氨的浓度与废水的pH 值有关系,pH 值越高，游离氨的浓度越高。常温时，当PH值为7左右时氨氮大多数以铵离子状态存在，而PH为11左右时，游离氨大致占90％。
当水的PH值升高，呈游离状态的氨易于逸出。若加以搅拌，曝气等物理作用更可促使氨从水中溢出。在实际工程中，大多采用吹脱塔。吹脱塔的构造一般采用气液接触装置，通常以石灰作为碱剂处理，经石灰调节PH值后的水从塔的上部淋撒到填料上而形成水滴，而下部的煤气鼓泡而出与水逆流接触，完成传质过程，使氨由液相转变为气相，随煤气而出，完成吹脱过程。
吹脱是一种对流传质过程，根据有效膜理论，其推动力是溶质组分的液相浓度与气相浓度差，根据资料，常温下氨水系统的平衡方程式为：
Y＝1.2X （1.1）式中：Y――氨在空气中的摩尔分率； X――氨在水中的摩尔分率
由上式可以计算出，当氨氮去除率达到95％时的最小气液比为0.79，即气液比为980：1，由于氨吹脱属气相阻力控制，因此通常情况其实际生产过程的气液比可能还要大。
1.5.2 吹脱工艺流程，设备及其特点
本工艺流程大致为：于剩余氨水中投入碳酸钠，调节耗PH值后流经漩流式反应器，经反应后进入吹脱塔与煤气进行逆流接触，脱氨后用鼓风机抽至硫氨工段。
本工艺流程中煤气的走向大体上可以说是一个循环的过程，即利用硫氨工段后的贫氨煤气对剩余氨水进行吹脱，吹脱后的富氨煤气再送到硫氨工段脱氨，从而达到对剩余氨水的处理效果。采用的都是一些较新型的设备，如陶瓷膜过滤器，漩流式反应器，吹脱塔等。而且与传统直接蒸汽蒸氨法相比．具有运行成本低、工艺简单、便于操作等优点。
吹脱塔的形式有填料塔，筛板塔等。废水自塔顶喷下，煤气自塔底通入，在塔内废水与煤气进行逆流接触，废水吹脱后从塔底经水封管排出，自塔顶排出的气体进入到下一工段。单位时间吹脱的气体量，正比于气液两相的浓度差（或分压差）和两相的接触面积。
即 G＝K·A·△C （1.2）
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式中：G――为单位时间内由水中吹脱的气体量； A―― 为气液两相的接触面积； K―― 为吹脱系数
1.6 设计的依据
1.6.1 数据依据[1]
本设计题目为煤气吹脱法处理100万吨焦化厂剩余氨水的工艺设计。由文献[1]可知，标准状态下煤气处理量Q如下。
Q＝W×1.07Mg （1.3）式中 ：W――装炉干煤量，吨/时；
1.07――焦炉紧张操作系数； Mg――煤气发生量，标米3/吨干煤
煤气发生量系指1吨干装炉煤产生的标准状况下的干煤气体积。通常在洗苯塔后测出，故实际上不包括焦炉损失的煤气量。
煤气发生量波动于285～420标米3/吨干煤，约相当于装炉干煤重量的15～19％。它随煤料的挥发分而变。本设计中Mg取340标米3/吨干煤。
则可得 W＝100÷0.75=133万吨/年＝0.36万吨/天＝151吨/时. Q＝151×340×104
＝5.1×108标米3/时
而剩余氨水量W为10～11％的干煤量。 W＝133×0.1 ＝13.3万吨/年
1.6.2 试验依据
设计之前我们在武钢燃气厂气柜车间进行了煤气吹脱解析法处理剩余氨水的中试试验，由正交试验取得的最佳试验数据，以及出于对工业环保，经济等诸多因数的考虑选取设计依据为下表1.2。
表1.2 试验所得最佳数据
气液比 600：1
吹脱时间 120min
PH值 10.2
温度 80℃
1.7 设计存在的主要问题（或遗留问题）及处理
由于设计者能力和设计时间的有限，至使设计过程中出现的一些问题，具体如下： 1、由于设计的主要依据为“煤气吹托解析法”的中试试验。中试所用的煤气吹托
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盘设计比较粗糙，所用的孔径，开孔大小等，可能还没有达到最佳设计，应此试验所得的最佳气液比可能还会减小。也就是说，凡是和煤气有关的设计部分，设计的大小可能都有偏大。
2、反应器的保温采用的是夹套加热，应此，由设计参考资料塔径不能过大，导致吹托塔体过高，从而吹托煤气的动力要求也较大。以后的研究可以尝试选用其他的保温方法，增大塔径，降低塔高，减小煤气动力要求。
3、经过吹脱的煤气，本来温度可以不用要求到45℃，因为如果直接送往硫铵饱和器的话，温度降到60℃就足够了，但是如果这样的话，对于整个硫胺工段又涉及到了一个水平衡的问题，而使整个硫铵车间的反应条件都要依其作出一定的调整。整个工程调节过大，所以把吹脱后的煤气送往鼓风机前。以后的设计可以考虑在本设计的基础上向这个方向设计。
3、煤气吹脱解析法处理剩余氨水的中试试验中，为了和后面的A2/O相匹配，我们选用的助脱除剂为碳酸钠，但是试验中我们发现如果选用碳酸钠，投碱量会比较大，于经济和简便方面都不是很合适，因此，本设计中选用氢氧化钠。
4、中试装置的冷凝部分，我们设计的是蛇管形式，但是实际的试验中发现蛇管固然可以达到一定的冷凝效果，但是应此所需要的塔体部分高度过高，因此在本设计中，设计的是列管式，许多部分都可以按照标准件来设计，冷凝塔体部分高度减少了不少。
5、中试试验中发现煤气带雾现象比较严重，因此在设计中，加入了抽雾层，确保吹脱效果。
6、本设计开始时冷凝部分使用的冷凝水是16℃的冷却水，换热后温度达到35℃。后来注意到采用16℃的冷却水，消耗比较大，因此设计过程中又改为32℃的冷却水。但是经计算当采用32℃冷却水时所需要的还热面积又会增大，而且煤气吹托的动力要求也会增大，所以最终确定冷凝水为16℃的冷却水。考虑到处理后的剩余氨水到生化前也需要冷却，但要求并不高，因此设计用这里的35℃的出水来冷却处理后的剩余氨水。
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