汽提脱氨装置出水超标的因素分析与对策

戴劲

中国石化催化剂有限公司长岭分公司 湖南 岳阳 414012

引言

某化工企业的主要产品为催化裂化催化剂。Y型分子筛是催化剂的主要活性组分，制备过程主要包括NaY分子筛合成和改性，改性过程中多利用无机铵盐的交换作用降低分子筛中氧化钠的含量，交换滤液及洗涤液中含有高浓度氨氮。高氨氮含量污水采用脱氨装置处理，装置出水与其他微氨氮含量的污水混合后，由综合污水处理系统处理合格，最后通过管道排入长江。为满足污水符合国家排放标准，去除氨氮是催化剂装置污水处理的重要内容之一[1]。

某化工企业现有新旧两套闪蒸汽提脱氨装置，旧装置于2009年投用，设计能力50m3/h，新装置于2013年投用，设计能力75m3/h，实际处理能力105m3/h，两套装置均由天华化工机械及自动化研究设计院、北京化工大学提供技术方案，可将污水氨氮含量由3000—5000mg/l处理到15mg/l以下，装置的副产品硫酸铵则作为分子筛制备过程中的铵盐予以回用[2]。作为含氨污水处理系统的最主要单元，汽提脱氨装置的运行好坏不仅关系到系统运行的稳定与否，同时也是制约上游催化剂制造单元连续运行的关键，如果污水处理氨氮含量超标将迫使上游生产装置停工。因此，装置的日常运行监控以及出现问题后的原因排查分析，制定针对性的应对措施就显得尤为重要。

1 运行状况

新的汽提脱氨装置2013年投用以来，2014年平均每小时处理污水量为83.39吨，2015年平均每小时处理污水量为93.22吨，对氨氮的去除率达到99.9%以上，装置运行参数如下，一直比较稳定。

1.1 工作压力

汽 提 段：85～98KPa；

一级闪蒸段：40～60KPa；

二级闪蒸段：15～30KPa；

一级混合段：15～30KPa；

二级混合段：40～60KPa。

1.2 工作温度

汽提段：塔顶：92～95℃，塔釜：95～98℃；

一级闪蒸段：80～85℃；

二级闪蒸段：58～63℃；

一级混合段：50～60℃；

二级混合段：70～80℃。

2015年5 月，装置出现出水不合格的情况，P2934出口采样氨氮含量从0直接上升到300～500mg/l，通过装置重新开工可恢复正常，间隔数天又会发生，两次的间隔时间不固定，短则一两天，长则半个月，且次数越来越频繁，直接威胁到上游装置的连续生产。通过对装置处理质量的影响因素逐一分析、排查，最终确定了原因，保证了出水水质的达标排放。

2 原因分析

2.1 汽提装置工艺原理及流程

热泵闪蒸汽提脱氨技术，其关键设备为复合汽提脱氨塔、氨气吸收塔和饱和塔、热泵机组等，主要利用组合的热泵技术和闪蒸技术并结合传统的汽提脱氨技术对高氨氮废水进行汽提脱氨。其工艺原理为：当废水中pH值在11.5～12.0时，溶液中铵离子将转变成游离氨，其反应原理如下：

此时废水中的游离氨通过蒸汽汽提的方法易于从液相进入气相，进入气相的氨一部分进入饱和吸收与稀硫酸反应生成硫酸铵，其反应方程如下：

生成的硫酸铵可作为催化剂制备过程中的原料回用，从而达到废水脱氨的目的。

工艺流程是将预处理后的氨氮废水与脱氨后的废水经过闪蒸的蒸汽通过文丘里喷射器直接加热后，加入碱液调节pH值，送入脱氨塔汽提段的顶部，与脱氨塔汽提段底部来的蒸汽进行逆流接触，汽、液两相在塔内的填料层发生传质，废水中的游离氨气进入汽相。

脱氨后的废水进行二级闪蒸降温，闪蒸产生的蒸汽再进入文丘里喷射器和高氨氮废水混合加热预处理的高氨氮废水，实现脱氨前废水和脱氨后废水的热量交换。闪蒸后的脱氨废水温度降至60℃左右排放。

脱氨塔顶部出来的含氨蒸汽经过蒸汽循环热泵增压后进入饱和吸收塔进行氨气吸收[3]。循环吸收液经硫酸循环液泵由塔上部进入塔内。在吸收塔的填料层中汽、液相发生传质及酸碱中和反应，蒸汽中的氨被硫酸循环吸收液所吸收，重新变得洁净的蒸汽，以及硫酸和氨反应放热产生的蒸汽一道经过蒸汽喷射器，由公用工程来的补充蒸汽引射增压后，送入到汽提脱氨塔循环使用。

2.2 影响脱氨效果的工艺因素

从热泵闪蒸汽提脱氨技术的工艺原理分析，影响脱氨效果的因素有如下几点

2.2.1 反应pH值。当废水中pH值在11.5～12.0时，溶液中铵离子转变成游离氨，当pH值达不到条件值，转变率会大幅降低，氨仍然以离子态存在于污水中，致使出水氨氮含量超标。实际运行中，汽提出水P2934出口pH值基本保持在12.0～12.5之间，满足反应条件，为排除意外情况，通过加大液碱用量，控制出水pH＞13，问题依旧，该因素排除。

2.2.2 反应温度。根据天华院工艺包，汽提塔顶温度范围93-98℃，温度过低则蒸汽通过量不足，影响汽提效果，温度过高则影响后续的玻璃钢吸收塔的设备安全。实际运行中，为降低能耗，塔顶温度一直在下限运行，试验逐步提高塔顶温度，直至98℃，出水依然有不合格现象，该因素排除。

2.2.3 其他因素。根据以往的操作经验，影响闪蒸汽提脱氨效果的因素还有很多，例如热泵频率、吸收液循环量，吸收液pH值，饱和塔液位，喷射泵流量，包括在线工艺仪表假数据等都会造成脱氨不完全，出水氨氮超标。通过对这些因素的逐一排查，没有发现问题。

2.3 影响脱氨效果的设备因素

2.3.1 汽提脱氨塔。汽提塔集汽提脱氨，真空闪蒸为一体，是废水脱氨系统的核心设备，其主要由5部分组成，从上到下依次为：减压汽提段、一级闪蒸段、二级闪蒸段、一级混合段、二级混合段。

汽提塔的上部为减压汽提段，作用是将高氨氮废水进行汽提脱氨，将废水中的氨氮汽提出来。汽提塔的中间段为一、二级减压闪蒸段，其结构主要由闪蒸雾化器和集液段等部件组成，该闪蒸雾化器的作用是高度雾化脱氨后的废水，使废水迅速降温，产生的蒸汽用于加热预处理的高氨氮废水。汽提下部是一、二级混合段，作用为将未处理的废水加热，使脱氨废水和没有脱氨的废水进行热量交换。复合汽提脱氨塔筒体材质为碳钢，填料选用增强聚丙烯（RPP）填料。

在以往对旧装置的汽提塔进行检修时，发现增强聚丙烯填料有因高温大片熔化板结的现象，也有老化变脆在重压下坍塌粉碎的现象。由于氨氮废水在汽提段内与蒸汽进行逆流接触，汽、液两相要在塔内的填料层发生传质，废水中的游离氨气才进入汽相，如果填料层发生大面积的板结或者粉化坍塌，汽、液两相的传质效率将大幅降低，氨氮脱除效果变差，也会引起出水氨氮不合格。通过打开汽提塔各段的人孔进行检查，增强聚丙烯填料基本完好，只有很少量的碎片，没有发现板结现象。

2.3.2 文丘里喷射器。文丘里水喷射器（见图1）是真空闪蒸技术的关键设备之一。文丘里水喷射器和复合汽提脱氨塔第一、二闪蒸段结合在一起其目的就是将复合汽提脱氨塔减压汽提段的脱氨废水进行闪蒸，并和高氨氮废水进行换热，将高氨氮废水进行加热，达到一级脱氨塔脱氨要求的温度，实现了热量的回收，并解决的普通换热器由于硅酸盐结晶造成的堵塞问题。

图1 文丘里水喷射器结构图

文丘里水喷射器工作原理，具有一定压力的工作介质水，通过喷嘴向吸入室高速喷出，将水的压力能变为动能，形成高速射流；吸入室中的气体被高速射流强制携带与之混合，形成气液混合流，进入扩压器，从而使吸入室压力降低，形成真空，在扩压器的扩张段内，混合射流的动能转变为压力能，速度降低压力升高，周而复始达到抽真空的目的。单级水喷射泵的喷嘴可以是由一个渐缩喷嘴构成的单喷嘴结构，也可以是在一个孔板上开设多个孔口的多喷嘴结构。汽提装置使用的文丘里是多喷嘴结构，共有9个孔径φ16的喷嘴，并以6度的角度向中心点倾斜。根据伯努利方程：

式中：p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。

可知当流体密度、高度差不变的情况下，负压大小与流速成反比。在排除循环泵的流量和压力正常后，影响流速的只有喷嘴的孔径了。由于污水中含有一定量的固体颗粒，经过2年的运行，在持续的高压冲刷下，喷嘴的孔径会变大，进而使流速下降，负压减小。

拆卸文丘里喷射器的盖板，发现花板本体及喷嘴锈蚀严重，9个喷嘴有3个发生堵塞，孔径也有些许变大。按照原设计图纸重新加工制作了花板，装上运行后，一闪二闪的负压基本恢复正常，但出水不合格的情况仍有发生，发生的间隔时间变长。

通过持续跟踪并仔细分析装置运行的各项工艺参数，发现当出水不合格情况发生时，一闪的负压PI2904比正常运行时有10～20KPa左右的提高，最高可达到80KPa，离正常工艺指标40～60KPa偏离较远，说明文丘里的抽真空性能不稳定。查阅相关资料，发现真空度下降时，文丘里喷射器会发生“反流”现象，既工作介质不能全部经扩压管流出，而是有一些工作介质从喷嘴喷出以后返流到被抽真空的容器中。结合装置的故障现象，可以完美解释出水不合格的原因。X2930/2、3文丘里喷射器所使用的工作介质是一混段的未经脱氨的污水，抽吸的是二闪的蒸汽，当发生返流时，会有少量未脱氨的污水直接进入二闪段，跟已经完成脱氨的污水混合在一起经泵排出，造成出水氨氮不合格。

3 解决方案

真空度下降的原因除了喷嘴磨损过大以外，还有设备和管道密封不严，如密封垫老化、破损、管子破裂、螺栓松动等。将X2930/2、3文丘里喷射器的外部保温拆除后仔细检查，发现在3#文丘里的喉部管壁已腐蚀变薄，并有两处腐蚀冲刷造成的沙眼。重新订制新的文丘里喷射器，为了增强抗腐蚀性，将材质由碳钢改为304不锈钢，设备安装后，一闪、二闪的负压恢复到设计值，装置运行平稳，经过长期运行，没有发生因“返流”造成的出水氨氮不合格，装置的蒸汽耗量也有大幅的下降（见下表），至此，问题解决。

表1 近三年同期蒸汽单耗数据表

4 结束语

减压汽提脱氨装置的负压情况影响装置的蒸汽耗量。文丘里喷射器的喷嘴冲刷磨损后会引起真空度的下降。文丘里喷射器设备和管道密封不严，会造成“反流”现象。

通过对本次减压汽提脱氨装置出水不合格问题的排查和处理，对同类装置的稳定操作有一定的借鉴作用。