資源化氨氣吸收系統應用研究

盛明斌

（浙江雙嶼實業有限公司，浙江溫州 325029）

近年來，我國氰尿酸行業需求旺盛，已成為全球最大的氰尿酸生產國。目前工業上主要以尿素熱解法生產氰尿酸[1]，該工藝會產生大量的廢氨氣和含稀硫酸廢液，這是制約氰尿酸生產規模擴大的主要因素。隨著環保政策趨嚴，探索一種可對廢氨氣和廢稀硫酸液實現資源化利用的治理工藝，成為業內人士的迫切需求。

浙江雙嶼實業有限公司（簡稱雙嶼實業）多年來針對工業廢氣中SO2、NOx、NH3、顆粒物、重金屬等多種污染物的凈化處理技術做了大量研究和工業化應用，形成了針對廢氣治理的各種成套技術與裝備。其中，石家莊和合化工化肥有限公司（簡稱和合化工）150t/d 硫酸銨氨吸收系統就是一個應用實例。

1 項目概況

和合化工共有6條窯爐，利用尿素高溫熱解縮合出含副產物的粗氰尿酸，再經破碎、酸洗、分離和干燥后得到含量高于98%的產品。尿素高溫熱解過程中會釋放較高濃度的氨氣，氨吸收系統主要對尿素熱解爐來的煙氣進行降溫并回收這部分氨氣，同時去除煙氣中其他有害雜質。氨吸收系統是氰尿酸生產工藝中的重要單元之一，該單元運行和操作的好壞對氨氣回收效率、尿素熱解爐的運行效率、煙氣的達標排放起著重要的作用。

受多種因素制約，和合化工原氨氣吸收系統在運行5條窯爐的情況下已經出現系統堵塞、外排尾氣超標的情況，為實現氰尿酸生產線滿負荷穩定生產，和合化工計劃新建一套氨氣吸收系統，經多次技術交流和市場調研，決定采用雙嶼實業自有知識產權的湍沖洗滌煙氣除塵脫硫技術[2]和濕式靜電除塵器煙氣凈化技術[3]對氨氣進行處理。

2 設計煙氣條件

氨吸收系統設計煙氣條件為：①煙氣量35 000 m3（標）/h；②氨氣≤40 000 mg/m3（標）；③煙氣溫度≤250℃。

氨吸收系統出口煙氣要求為：①氨氣≤10 mg/m3（標）；②煙氣溫度≤40℃；③系統氣相阻力降≤8 kPa。

3 工藝流程設計

來自爐窯的250℃煙氣通過煙道從降溫濃縮塔頂部進入，在降溫濃縮塔湍沖洗滌泡沫區發生氨氣的吸收、硫酸銨漿液的提濃、熱量的傳遞，煙氣溫度降至60℃左右；接著煙氣進入一級吸收塔，先經塔體下部氣液分離，后上升通過塔體上部的一級吸收段噴淋洗滌；經一級吸收塔洗滌后的煙氣進入吸收水洗塔，先經塔體下部的二級吸收段噴淋洗滌，后通過塔體上部的水洗段去除部分水沫并降溫至40℃以下；之后，煙氣進入兩臺并聯的濕式靜電除塵器，通過電場將極細微粉塵去除；最后煙氣經引風機接力后通過排氣筒外排大氣，工藝流程如圖1所示。

圖1 和合化工150 t/d硫酸銨氨吸收系統工藝流程

降溫濃縮段、一級吸收段、二級吸收段和水洗段均設有獨立的漿液循環系統。其中，為提高NH3吸收效率，水洗段漿液循環系統設置換熱器對煙氣進行強制降溫。系統串液采用由稀向濃、由后向前、與煙氣流程逆向的串液方式，即稀硫酸母液→二級吸收段→一級吸收段→降溫濃縮段→結晶系統進一步處理。

氨吸系統入口煙氣溫度有250℃，為確保系統安全穩定運行，將廠區消防水管線與降溫濃縮塔保安噴頭入口相連。當系統發生故障時，連鎖開啟煙氣緊急冷卻系統開關閥，消防水通過保安噴頭對煙氣進行降溫，保護設備不受高溫煙氣損壞。

4 工藝設備設計

4.1 設備主要結構及技術說明

4.1.1 降溫濃縮塔

降溫濃縮塔規格為φ1 000/1 200 mm ，H=9 450 mm，主體材質采用“碳鋼+PO+F4+石墨”，主要由高溫過渡段、逆噴段Ⅰ、逆噴段Ⅱ、補償器、噴嘴安裝段、連接彎頭等部件組成，與一級吸收塔底部儲液槽組合構成“塔槽一體式”結構。降溫濃縮塔共配置3只湍沖洗滌噴頭（每只流量為65 m3/h）和1只保安噴頭（Q=20 m3/h），循環洗滌液總量為215 m3/h，氨吸收系統至結晶系統的外排量為8 m3/h。

降溫濃縮塔采用湍沖洗滌煙氣除塵脫硫技術，待處理煙氣由降溫濃縮塔頂部自上而下進入，循環洗滌液經逆噴噴頭自下而上噴出，擁有極強表面更新能力的循環漿液由中向外均勻封住塔體，在一定的工作參數下與逆向接觸的煙氣形成動態平衡的泡沫區，煙氣在此區域內被洗滌吸收和降溫。降溫濃縮塔主循環泵設故障報警，正常情況下保安噴嘴循環漿液來自該循環泵，發生故障時由消防水向保安噴嘴供液，消防水由廠區內消防水網供給。

4.1.2 一級吸收塔

一級吸收塔設計規格為φ2 800 mm，H=18 000 mm，主體材質采用FRP，主要由塔體、降溫濃縮段集液槽、一級吸收段集液槽及其噴淋系統組成。塔體通過一級吸收段集液槽分為上下兩個獨立的循環系統，塔體上部為一級吸收段噴淋循環系統，塔體底部貯液槽作為降溫濃縮段循環槽使用。一級吸收段采用空塔噴淋技術，煙氣自下而上，與噴淋系統噴射出的洗滌液逆流接觸，噴頭噴淋均勻穩定，共配置特制噴頭24只，單只噴頭流量為8 m3/h，循環洗滌液總量為192 m3/h，噴淋覆蓋率達到300%。

4.1.3 吸收水洗塔

吸收水洗塔設計規格為φ2 800 mm ，H=18 000 m，主體材質采用FRP，主要由塔體、二級吸收段循環槽及其噴淋系統、水洗段集液槽、水洗段填料及其分液槽布水系統組成。塔體通過水洗段集液槽分為上下兩個獨立的循環系統，塔體上部為水洗段洗滌循環系統，塔體下部為二級吸收段噴淋循環系統。其中，二級吸收段采用空塔噴淋技術，共配置特制噴頭16只，單只噴頭流量為12 m3/h，循環洗滌液總量為192 m3/h，噴淋覆蓋率達到250%；水洗段采用填料洗滌技術，煙氣自下而上，經填料層與來自分液槽的洗滌液逆流接觸，在此處被冷卻、洗滌和吸收，填料采用Y125規整填料，循環洗滌液總量為200 m3/h。

4.1.4 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器型號規格為WESP-196，共配置兩臺，一開一備，主體材質采用C-FRP，主要由上中下3氣室、陽極系統、陰極系統、電場沖洗系統和電源系統等組成。濕式靜電除塵器設計氣速為0.8 m/s，陽極管為正六邊形，內切圓φ350 mm，長度6m，數量196根。

濕式靜電除塵器采用電場除塵技術[5]，通過電源系統使濕式靜電除塵器的陰極和陽極系統之間形成高壓電場，煙氣進入電場時，其中的含濕粒子被電離，在高壓電場力的作用下，含濕粒子定向移動，被捕集到陽極管束內面板上，最后在重力作用下自流至循環漿液系統，以此達到除塵除霧的目的。

4.1.5 引風機

引風機設計規格為Q=45 000 m3/h，p=8 800 Pa，共配置兩臺，一開一備，主體材質采用316 L，設置于濕式靜電除塵器和排氣筒之間，配套電機采用變頻電機，可根據實際運行工況進行調節，其風量和風壓要滿足整個系統穩定運行的需求，引風機入口之前為負壓，為了保證系統安全運行，在引風機入口管段設置安全水封。

4.1.6 漿液循環及輸送泵

氨吸收系統內循環泵主要包括降溫濃縮段循環泵、一級吸收段循環泵、二級吸收段循環泵、水洗段循環泵、板框進液輸送泵及板框濾液輸送泵等。為適應循環漿液含鹽量高、腐蝕性強等特性，各循環泵及漿液輸送泵均采用耐磨耐腐蝕襯塑泵，所有泵均為臥式結構。

4.2 設備主要材料說明

氨吸收系統循環漿液整體呈酸性，易腐易結晶，要求系統內設備及管道要有良好的防腐和防堵塞性能，經綜合考慮，和合化工氨吸收系統設備和管道主要采用碳鋼緊襯聚烯烴（PO/C.S）和玻璃鋼（FRP）兩種材料。鋼襯PO 工藝主要是采用不同的專用窄分子量聚烯烴類樹脂，在200~300℃高溫下將其依次與鋼殼體熱融成為一個整體，成品PO 內襯由底層、結構層和面層構成，在一定溫度下耐酸堿腐蝕性能優良，其致密性和附著力是評判襯里層好壞的主要指標。本項目玻璃鋼設備采用纖維纏繞成型工藝，通過大型微機控制纏繞機帶動專用模具轉動，將浸漬樹脂后的玻璃纖維連續均勻地纏繞在芯模上，待固化后獲得成型筒體，FRP 設備具有強度高、耐腐蝕性好、使用壽命長等優點。

5 控制系統設計

和合化工依托廠區原有DCS 系統來實現對氨吸收系統的控制，通過對各運行參數的連續實時監控，來確保系統長周期穩定運行。系統主要控制及連鎖內容為：①通過液位計監測值來控制母液及串液管線上開關閥的開閉，自動控制各塔、槽容器液位維持在設計范圍內。彼此之間從后一級逐步向濃度高的前一級連續不斷地串入一定數量的循環液。多余的循環液由降溫濃縮段循環泵出口側線排到結晶系統進一步處理。②通過pH 計監測值來控制堿液管線上開關閥的開閉，自動控制各循環段內pH 維持在設計范圍內。③當降溫濃縮段循環泵供液量不足時，會導致保安噴嘴入口管道壓力降低，此時連鎖打開應急開關閥，向降溫濃縮塔保安噴嘴供水，保護設備免受高溫損壞，應急開關閥的水來自廠區消防水管網。④當引風機運轉狀態異常時，關停該風機的同時，連鎖啟動備用風機。

6 氨吸收系統負荷聯動試車

和合化工尿素熱解爐于2022年10月2日上午開始烘爐并投料，10 月2 日21 點左右開始產生氨氣，至10月3日10點，氨吸收系統入口煙氣達到穩定狀態。經專業機構檢測，系統入口煙氣條件為：煙氣量32 762 m3（標）/h，煙氣溫度253℃，氨氣濃度71 983 mg/m3（標），煙氣壓力-1.44 kPa；系統出口煙氣條件為：煙氣溫度32℃，氨氣濃度3.37 mg/m3（標），引風機入口煙氣壓力-6.72 kPa。目前，氨吸收系統已連續穩定運行數月，各項參數均可達到且優于設計指標，無堵塞現象，深受用戶好評。

7 氨吸收系統設計特點

1）多級裝置組合，吸收效率高。采用“一級湍沖逆噴洗滌+兩級噴淋洗滌+一級填料洗滌+濕式靜電除塵器”工藝，使用梯級吸收設計理念，根據氨氣濃度采用不同方式逐級吸收，吸收效率高達99.995%，具有系統配置緊湊、運行可靠、吸收效率高等優點。

2）充分利用廢氣和廢液，實現清潔生產。氨吸收系統對尿素熱解過程中產生的含氨尾氣、氰尿酸精制過程中產生的含稀硫酸廢液、硫酸銨蒸發結晶過程中產生的含硫酸母液等廢氣和廢液進行綜合考慮，變廢為寶，將廢氨氣和含稀硫酸廢液利用起來生產硫酸銨產品，從而形成一套完整的清潔生產工藝，實現廢水零排放。

3）外排煙氣觀感極佳。氨吸收系統先通過水洗段降低外排煙氣溫度，再通過濕式靜電除塵器去除煙氣中極細微水沫和顆粒物，明顯改善了外排煙氣拖尾現象，幾乎看不到白煙。

4）系統防堵性能優異。氨吸收系統結構設計合理，對容易堵塞的設備和管道部分，在設備結構和管道布局上進行優化，有效避免了系統高含鹽量堵塞的問題。

5）系統內設備選材合理。遵循“既要工藝合理，又要經濟節約”原則，對系統關鍵裝置的關鍵部位進行重點防護，在保證耐腐蝕性能情況下分段考慮耐高溫性能，在保證系統穩定運行前提下降低工程投資。

8 結束語

本套氨氣吸收系統是一種成熟可靠的系統。工藝方面，采用梯級吸收和清潔生產設計理念，在保證極高吸收效率的同時，實現廢水零排放；設備方面，針對煙氣不同處理階段具有不同的溫度和腐蝕性能這一特點，在不同處理階段使用不同的材質，關鍵部位重點保護，保證設備長周期穩定運行的同時，節約了工程造價；自控方面，系統可實現全自動化控制，關鍵控制點設置報警值，提高了控制系統的可靠性。以上設計路線實現了在低投資的情況下對廢氨氣、廢稀硫酸液進行綜合治理和資源化利用，為我國環保和節能事業的可持續發展提供了一種新思路。