三相碟片式離心機在共氧化法環氧丙烷工藝中的應用

謝士華，董釗，王琪

(天津大沽化工股份有限公司, 天津300455)

2011 年政府頒布《產業結構調整指導目錄（2011 年本）》明確指出：限制新建氯醇法環氧丙烷和皂化法環氧氯丙烷生產裝置。目前在建的氯醇法項目都是已經獲批的，原則上今后不再批準新的氯醇法項目。新增產能將以大型的共氧化法裝置為主。共氧化法克服了氯醇法三廢污染嚴重、腐蝕大和需求氯氣的缺點，大幅度提高了單套裝置的生產規模，減少了污水的排放，生成的聯產品也提高了環氧丙烷的生產經濟性[1]。

在共氧化法生產環氧丙烷裝置生產過程中，伴隨著丙烯環氧化反應發生的同時，也會生成少量的副產物，例如：苯甲醛、乙醛、苯酚和其他重組分。而甲基苯甲醇(MBA)在脫水生成苯乙烯的過程中產生的重組份更多，主要副反應：MBA→乙苯+重組份。這些重組份在工藝系統內經過堿洗系統堿洗后會包含部分鈉鹽（主要是苯甲酸鈉和苯酚鈉），稱之為含鈉燃料油。其組成見表1。

表1 含鈉燃料油組成

現有工藝條件下，處理這部分含鈉燃料油的方法就是將其收集后送至燃料油鍋爐進行焚燒，從而達到處理目的，同時回收熱量。研究表明鈉是造成鍋爐內對流煙道積灰的主要原因。圖1 中給出了積灰中鈉含量對積灰的影響，隨著鈉含量的增加，換熱器積灰量增多。鈉在火焰高溫區短時間內可能以原子或氧化物的形式存在，遇到CO2、SO2、O2、SO3生成硫酸鈉，碳酸鈉，另外鈉的化合物熔點低，易與鐵、鋁、鈣、硅的氧化物共融形成較低熔點的共融物，使爐襯腐蝕。共融物隨煙氣帶入鍋爐列管，為管束積灰提供了條件。所以在鍋爐的正常運行過程中，這部分含鈉燃料油燃燒后鍋爐的積灰十分嚴重，大大降低列管的換熱率，使蒸汽回收量減少，同時管道也容易堵塞，被迫停爐清洗，給連續生產帶來了巨大的困難。因此處理含鹽廢液的焚燒系統需要對煙氣中的鹽類進行脫除，目前主要有兩種脫除工藝，濕法脫除和干法脫除。此兩種工藝均存在缺陷：濕法脫除需要消耗急冷水、無法進行能量回收，同時產生一定量的含鹽水；而干法脫除需要增加更多的設備成本以及后期的運行成本[2]。

1 濕法脫除工藝

1.1 采用濕法脫除所用到的相關主要設備包括焚燒爐、急冷室、急冷循環泵、文丘里除塵器、洗滌循環泵、霧水分離器。

圖1 鈉含量與積灰速度的關系

1.2 焚燒后的煙氣自焚燒爐出來直接進入布置在其下方的急冷室，在急冷室內高溫煙氣被迅速冷卻至煙氣飽和溫度約85℃，煙氣中的顆粒物在急冷室內被脫除一大部分，急冷后的煙氣進入布置在急冷室下游的文丘里洗滌器，在此煙氣流速被極大提高，文丘里洗滌器在侯口位置設置了洗滌水霧化噴嘴，高速流過的煙氣與細小的霧化水滴在侯口處充分混合，煙氣中顆粒被水滴捕捉，從而實現高效除塵。煙氣在急冷室通過與急冷水的混合達到被迅速冷卻的目的，急冷水通過急冷循環泵打入急冷室上方設置的急冷水霧化噴嘴，細小的水滴能增大與煙氣接觸面積從而提高煙氣急冷速度，從噴嘴噴出的急冷水一部分被氣化隨煙氣進入下游設備，一部分落入急冷室的水空間通過循環泵繼續循環急冷，在急冷循環管道上接出一路排水管線，通過定量排水使急冷室內水的鹽濃度維持在一定的范圍內；洗滌水通過洗滌水循環泵打入文丘里噴嘴，被霧化成細小顆粒，與煙氣混合后送入霧水分離器，在霧水分離器內煙氣向上排入煙囪，水滴落入水空間通過循環泵繼續循環洗滌，在洗滌循環管道上接出一路排水管線送入上游的急冷室，通過定量排水使霧水分離器內的水的鹽濃度維持在一定的范圍內，霧水分離器的通過液位調節補水流量。流程簡圖見圖2。

圖2 濕法脫除工藝流程簡圖

2 干法脫除工藝

2.1 采用干法脫除的主要設備包括焚燒爐、煙氣冷卻段、余熱鍋爐、布袋除塵器、煙氣再循環風機、鍋爐吹灰系統。

2.2 由于煙氣中含有無機鹽類，并且這些鹽類的熔點均在800～900℃的范圍內，在爐膛溫度1100℃下，這些鹽類均在煙氣呈現熔融狀態，當含有熔融狀態鹽的煙氣流經余熱鍋爐時，熔融的鹽類遇到溫度比較低的換熱管時會凝聚附著在管壁上，降低換熱效率，甚至造成換熱管局部受熱不均爆管事故，影響系統安全運行。為了保證下游余熱鍋爐的安全可靠長周期運行，進入余熱鍋爐前煙氣中的鹽類需要凝固成固態鹽，才能進入余熱鍋爐，這樣余熱鍋爐就不會造成粘結性積灰。把熔融態的鹽類凝固成固態就需要把煙氣溫度降至鹽的熔點以下，并且還要有一定的過冷度和冷卻時間。降低余熱鍋爐進口煙氣溫度有兩種方法，一是引入外來冷源，如加入冷空氣或噴水；二是采用余熱鍋爐排煙回流來降溫；采用引入外來冷源的方法將會使熱回收效率大大降低，因此不推薦采用，主要的工藝是通過煙氣循環風機把余熱鍋爐的排煙引入余熱鍋爐進口來降低進口煙溫。采用再循環煙氣冷卻方式，需要沿軸向分級補入，使高溫煙氣溫度逐漸降低，這種急冷方式的優點是凝結的鹽顆粒較大，降低了微小粉塵在余熱鍋爐管壁上積聚（靜電吸附）的可能性，同時有利于吹灰[3]。流程簡圖見圖3。

圖3 干法脫除工藝流程簡圖

為了降低鈉在燃燒時對爐膛的影響，在含鈉燃料油焚燒之前，先使用三相碟片式離心機將燃料油中的鈉鹽分離出來，再將除鈉后燃料油送到鍋爐內焚燒。

三相碟片式離心機用于分離兩種液體和一種固體。固相自動間歇性排放，兩液相均以內置向心泵帶壓排放。轉鼓裝在立軸上端，由電機驅動而高速旋轉。轉鼓內有一組互相套疊的碟片。碟片與碟片之間留有很小的間隙。物料由位于轉鼓上部中心的進料管加入轉鼓。當物料流過碟片之間的間隙時，固體顆粒在離心作用下沉降到碟片上形成沉渣，沉渣沿碟片表面滑動并脫離碟片并積聚在轉鼓內直徑最大的部位，經排渣口排出轉鼓。輕液相沿錐型碟片向軸心流動至上部輕相向心泵，由輕相出口排出；重液相沿碟片流向轉鼓壁，然后向上流經重相向心泵由重相出口排出。碟片的作用是縮短物料的沉降距離、擴大轉鼓的沉降面積，轉鼓中由于安裝了碟片而大大提高了離心機的生產能力，見圖4。

圖4 碟片式離心機剖面圖

沉降速度：

Vg=沉淀速度，Δρ=密度差，dp=粒子直徑，η=粘度。

FG=FA+Fw

碟片的作用見圖5。

圖5 碟片作用示意圖

最小粒徑的定義見圖6

圖6

等效沉降面積定義為在同樣的處理能力和分離效果下，足以替代分離機的沉降池所需的表面積，其換算公式如下：

依據Stokes 定律，若要求將粒徑等于或大于dlimit 的粒子或液粒分離，則分離機的處理能力為如下關系式：

實際運行效果：

先在燃料油中加入醋酸和去離子水，使鈉鹽轉化為醋酸鈉。而醋酸鈉易溶于水，從而實現了鈉鹽由油相至水相的轉移。然后需要使用碟片式離心分離機進行各相分離，分離器出料為三相：1）含少量殘余鈉鹽的油相，送至焚燒爐；2）富含鈉鹽的水相，送到廢水處理；3）含有固體的漿相（或渣相），包括主裝置催化劑帶來的少量重金屬（銅、鉻），作危廢外送。

分離效果見表2。

表2 分離效果一覽表

3 結論

三相碟片式離心機相比傳統的離心機具有以下特點：1）沉降面積高；2）可自動清理固相物；3）適用不同含固量的產品；4）適用產能范圍廣；5）可進行清洗6）可連續操作。能有效將共氧化法生產環氧丙烷工藝裝置所副產燃料油中的鈉除去，有效解決了含鈉燃料油燃燒后鍋爐的積灰嚴重的問題。應用到此裝置的含鈉燃料油除鈉工藝，既能增加設備壽命，減少占地面積，又降低運行成本，創造了更高的經濟效益。