三元前驅(qū)體廢水脫氨節(jié)能工藝

＊朱碧云 丁乾

（昆山三一環(huán)保科技有限公司 江蘇 215334）

近年我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，三元前驅(qū)體（全稱“三元?jiǎng)恿﹄姵夭牧锨膀?qū)體”）作為新能源汽車動(dòng)力電池三元正極材料的關(guān)鍵，其市場(chǎng)需求“水漲船高”。但其生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量廢水，該廢水主要由母液和洗水組成，包含硫酸鈉、游離氨及少量重金屬離子，水質(zhì)復(fù)雜，處理難度大、成本高、效果差。該廢水傳統(tǒng)處理方式為脫氨+除重+MVR蒸發(fā)結(jié)晶工藝，其中脫氨包括生物脫氮法、折點(diǎn)氯化法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜法、氨吹脫法等。前4種處理方案因系統(tǒng)流程長、易引進(jìn)雜質(zhì)或產(chǎn)生二次污染等基本不應(yīng)用，目前常用膜法和氨吹脫法。但膜法操作彈性低，投資成本高，膜壽命基本為3年，更換膜的費(fèi)用昂貴。氨吹脫法采用再沸器式脫氨塔，因流程簡單、效果穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)等應(yīng)用廣泛，但其運(yùn)行能耗較高，噸水運(yùn)行能耗約24元。因此，降低再沸器式脫氨塔的運(yùn)行能耗尤為迫切。

為了解決這一問題，本文開展了脫氨工藝節(jié)能方案的研究與比較，通過比較常規(guī)再沸器式脫氨工藝、直接壓縮塔頂富氨蒸汽工藝、再沸器殼程閃蒸氣壓縮工藝、塔釜管程含氨蒸汽閃蒸氣壓縮工藝4種工藝的投資成本和運(yùn)行成本，得出最優(yōu)節(jié)能工藝，實(shí)現(xiàn)三元前驅(qū)體母液廢水脫氨工段的技術(shù)突破。

1.研究內(nèi)容及體系

本文以再沸器式脫氨系統(tǒng)作為研究體系，以年產(chǎn)三萬噸三元前驅(qū)體產(chǎn)品為例（每噸產(chǎn)品母液廢水量為15～25m3），其基礎(chǔ)水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1，詳細(xì)介紹以上4種工藝操作流程及適用場(chǎng)景，并以年總費(fèi)用最低為目標(biāo)，通過對(duì)比得到最優(yōu)工藝路線。其中，三元前驅(qū)體廢水中Ni2+、CO2+、Mn2+和OH-形成氫氧化鎳、氫氧化鈷等氫氧化物，氨氮作為絡(luò)合劑，和重金屬形成絡(luò)合氫氧化物，將系統(tǒng)中的氨氮脫除后方能將重金屬脫除。本文主要研究再沸器式脫氨節(jié)能工藝。

表1 進(jìn)料及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.常規(guī)再沸器式脫氨工藝

三元前驅(qū)體廢水主要溶解性鹽為硫酸鈉，回收15%氨水，塔釜氨氮含量低于15%。常規(guī)再沸器式脫氨塔（圖1）操作壓力為常壓，進(jìn)料溫度40～50℃，塔釜操作溫度104℃，塔頂操作溫度94℃。低溫進(jìn)料廢水和高溫再沸器出水實(shí)現(xiàn)熱量集成，塔頂富氨蒸汽通過冷凝器冷凝，冷凝液部分回流，部分外排至氨水系統(tǒng)，不凝氣進(jìn)入后端制氨水系統(tǒng)。再沸器的熱源是外界的鮮蒸汽，經(jīng)過換熱后的冷凝液外排。達(dá)到分離要求時(shí)，模擬計(jì)算出各公用工程處理噸水能耗指標(biāo)，見表2。

圖1 常規(guī)再沸器式脫氨塔圖

表2 常規(guī)再沸器式脫氨工藝能耗

由表2可得，噸水運(yùn)行費(fèi)用約30.43元，蒸汽能耗約占總能耗的79%，常規(guī)再沸器式脫氨工藝僅適用于蒸汽價(jià)格較低的西北地區(qū)。為降低蒸汽價(jià)格較高地域的運(yùn)行成本，對(duì)系統(tǒng)工藝進(jìn)行優(yōu)化，尋求優(yōu)處理方案。

3.直接壓縮塔頂富氨蒸汽

在滿足系統(tǒng)處理指標(biāo)的基礎(chǔ)上，主要降低系統(tǒng)蒸汽能耗。常規(guī)再沸器式脫氨系統(tǒng)塔頂富氨蒸汽，通過塔頂冷凝器由循環(huán)水冷卻后至后端系統(tǒng)回收氨水。此部分富氨蒸汽的潛熱和部分顯熱，以及大量循環(huán)水都有所浪費(fèi)。

直接壓縮塔頂富氨蒸汽工藝（圖2）優(yōu)化塔頂富氨蒸汽的利用方式，將塔頂富氨蒸汽直接輸送至壓縮機(jī)。常壓操作下，回收氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%時(shí)，塔頂富氨蒸汽約94℃。經(jīng)壓縮機(jī)串聯(lián)升溫增壓后，升溫為120℃的二次蒸汽進(jìn)入再沸器II換熱，然后進(jìn)入冷凝器冷凝后再進(jìn)入后端氨吸收塔制備氨水，冷凝液部分回流，部分外排至氨水系統(tǒng)。達(dá)到分離要求時(shí)，模擬計(jì)算出各公用工程處理噸水能耗指標(biāo)，見表3。

圖2 直接壓縮塔頂富氨蒸汽工藝圖

表3 直接壓縮塔頂富氨蒸汽工藝能耗

從表3可得，投資成本略有增加，新增兩臺(tái)沸點(diǎn)13℃的壓縮機(jī)和一臺(tái)再沸器II，運(yùn)行成本大幅降低，噸水運(yùn)行能耗約10.78元，較常規(guī)再沸器式脫氨塔降低64.58%，折合2個(gè)月可抵消成本增加費(fèi)用。但本工藝對(duì)壓縮機(jī)要求較高，國產(chǎn)壓縮機(jī)因防爆和泄露等技術(shù)問題存在瓶頸，進(jìn)口壓縮機(jī)價(jià)格高昂，性價(jià)較低，安全性能低。故需尋求更優(yōu)處理方案。

4.再沸器殼程閃蒸氣壓縮工藝

常規(guī)再沸器式脫氨工藝?yán)盟俜衅鞴艹坛隽虾瓦M(jìn)料進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)熱量集成。但再沸器殼程的顯熱通過循環(huán)水冷卻，造成大量能量浪費(fèi)。再沸器殼程閃蒸氣壓縮工藝（圖3）利用再沸器殼程冷凝水和塔頂冷凝器換熱，實(shí)現(xiàn)能量集成。同樣設(shè)計(jì)再沸器II，再沸器I采用熱虹吸式可節(jié)省一臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)泵，再沸器II采用強(qiáng)制循環(huán)供料的方式。再沸器I的熱源是外界供給的鮮蒸汽，再沸器II的熱源是壓縮機(jī)出口升溫增壓的二次蒸汽。壓縮機(jī)的進(jìn)氣是塔頂一級(jí)冷凝器管程冷凝水的閃蒸汽。達(dá)到分離要求時(shí)，模擬計(jì)算出各公用工程處理噸水能耗指標(biāo)，見表4。

圖3 壓縮再沸器殼程閃蒸工藝圖

表4 壓縮再沸器殼程閃蒸工藝能耗

從表4可得，投資成本因新增兩臺(tái)壓縮機(jī)和一臺(tái)再沸器II，故較常規(guī)再沸器式脫氨工藝增加19.68%，運(yùn)行成本降低39.88%，折合3個(gè)月可抵消成本增加費(fèi)用。本工藝較其他節(jié)能工藝相比噸水運(yùn)行成本最高，但因壓縮機(jī)過流物料為水蒸氣，對(duì)壓縮機(jī)要求最低，安全性能最高。

5.塔釜管程含氨蒸汽閃蒸氣壓縮工藝

常規(guī)再沸器式脫氨塔的塔釜再沸器管程的物料通過外送泵與進(jìn)料換熱之后排出系統(tǒng)，塔釜管程含氨蒸汽閃蒸氣壓縮工藝（圖4）將塔釜再沸器管程物料閃蒸后產(chǎn)生的閃蒸氣送至壓縮機(jī)進(jìn)口，閃蒸氣的氨含量較低，對(duì)壓縮機(jī)葉輪和整體防爆要求較低。塔頂?shù)母话闭羝筒糠值乃俜衅鞴艹涕W蒸后的冷凝液通過冷凝器換熱后，再和新鮮進(jìn)料進(jìn)行二次換熱，然后進(jìn)入氨回收裝置。達(dá)到分離要求時(shí)，模擬計(jì)算出各公用工程處理噸水能耗指標(biāo)，見表5。

圖4 壓縮塔釜管程含氨蒸汽閃蒸氣工藝圖

表5 壓縮塔釜管程含氨蒸汽閃蒸氣工藝能耗

從表5可得，投資成本因新增兩臺(tái)壓縮機(jī)和一臺(tái)再沸器II，故較傳統(tǒng)再沸器式脫氨工藝增加21.37%，運(yùn)行成本降低53.02%，折合2.6個(gè)月可抵消成本增加費(fèi)用。本工藝對(duì)壓縮機(jī)的性能要求較低，但工藝路線較為復(fù)雜，對(duì)實(shí)際實(shí)施的操作要求較高。

6.費(fèi)用計(jì)算模型

總費(fèi)用主要包括以下三部分：塔釜加熱蒸汽費(fèi)用（α）、電費(fèi)（其中塔頂冷卻水費(fèi)用按照循環(huán)水泵電費(fèi)換算）（β）、設(shè)備費(fèi)用（λ）。設(shè)備費(fèi)用主要包括塔體（含內(nèi)件）、換熱器和壓縮機(jī)三部分。假定設(shè)備折舊年限為5年，年工作量按7200小時(shí)計(jì)，可采用以下費(fèi)用模型計(jì)算年總費(fèi)用：

式中，CB為蒸汽單價(jià)，200元/t；rB為蒸汽潛熱，2177.6kJ/kg；QB為再沸器負(fù)荷，kW。

7.結(jié)論與展望

（1）本文對(duì)常規(guī)再沸器式脫氨工藝進(jìn)行投資成本、運(yùn)行成本、噸水費(fèi)用計(jì)算，投資成本12.70萬元，運(yùn)行成本30.43元，年總費(fèi)用1839.31萬元。（2）對(duì)直接壓縮塔頂富氨蒸汽工藝進(jìn)行計(jì)算，通過增加設(shè)備壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)熱量進(jìn)行集成優(yōu)化，計(jì)算噸水費(fèi)用，投資成本15.49萬元，運(yùn)行成本10.78元，年總費(fèi)用805.36萬元。（3）對(duì)再沸器殼程閃蒸氣壓縮工藝進(jìn)行計(jì)算，通過優(yōu)化再沸器殼程冷凝水的余熱，計(jì)算噸水費(fèi)用，投資成本15.2萬元，運(yùn)行成本998.89萬元，年總費(fèi)用1211.70萬元。（4）對(duì)塔釜管程含氨蒸汽閃蒸氣壓縮工藝進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)塔釜再沸器管程的脫氨后液余熱回用，計(jì)算噸水費(fèi)用，投資成本15.41萬元，年運(yùn)行成本780.49萬元，年總費(fèi)用996.30萬元。

通過對(duì)比得出，直接壓縮塔頂富氨蒸汽工藝效果最優(yōu)，年總費(fèi)用最低為805.36萬元，但其對(duì)壓縮機(jī)要求高，國內(nèi)暫無成熟應(yīng)用案例，規(guī)模化推廣尚待時(shí)日；塔釜管程含氨蒸汽閃蒸氣壓縮工藝效果次之，年總費(fèi)用最低為996.30萬元，其系統(tǒng)壓縮機(jī)葉輪無防爆要求，穩(wěn)定性高，可操作性強(qiáng)，應(yīng)用推廣前景廣闊。