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1、4.42万m3/h焦炉煤气中氨回收工艺设计引 言焦炉生产焦炭的副产品是焦炉煤气，现代焦炉生产工艺残留于煤气中的氨，大部分被冷却水吸收，在凉水塔喷洒冷却时又都解吸进入到大气，这样就造成了资源的浪费。更重要的是，氨进入大气造成了环境污染，所造成的危害相当严重，既不利于环保，也不符合国家关于可持续发展的要求。因此从焦炉煤气中回收氨是很有意义的。此外，煤气中的氨在燃烧时会生成有毒的、有腐蚀性的氧化氮，氨在粗苯回收中能使油和水形成稳定的乳化液，妨碍油水分离。上述这些都是现代焦化生产遇到困难。为此，煤气中氨的含量不允许超过0.03g/m3。鉴于上述要求，本设计通过硫胺法工艺对焦炉煤气中的氨加以回收，制成硫
2、酸铵。纯态的硫酸铵为无色长菱形晶体，焦化厂生产的硫酸铵，因混有杂质而呈现浅的蓝色、灰色，多为片状、针状甚至粉末状结晶。本工艺所生产的硫酸铵，既可以作为肥料直接使用，也可以作为生产其他肥料的原料使用。第1章 总 论1.1氨回收方法简介在煤化工利用生产技术中，炼焦是应用最早的工艺，并且至今仍然是煤化工工业的重要组成部分。炼焦化学产品在国民经济中占有重要的地位，炼焦化学工业是国民经济的一个重要部门，是钢铁联合企业的主要组成部分之一，是煤炭的综合利用工业。煤在炼焦时，除有75%左右变成焦炭外，还有25%左右生成多种化学产品及煤气。焦炉生产焦炭的副产品是焦炉煤气，现代焦炉生产工艺残留于煤气中的氨，如果直
3、接弃之，不仅造成资源浪费，也不利于环境保护。因此从焦炉煤气中回收氨是很有意义的。此外，煤气中的氨在燃烧时会生成有毒的、有腐蚀性的氧化氮，氨在粗苯回收中能使油和水形成稳定的乳化液，妨碍油水分离。上述这些都是现代焦化生产遇到困难。为此，煤气中氨的含量不允许超过0.03g/m3。查阅文献1,2得知，回收煤气中的氨有多种方法。工艺比较成熟的是用硫酸吸收焦炉煤气中的氨生产硫酸铵，这种方法按煤气中氨与硫酸母液接触的方式不同，分有三种：半直接法、间接法和直接法，其中应用最广泛的是半直接法。 半直接法：将焦炉煤气首先冷却至2535，经鼓风机加压后，再经电捕焦油器除去煤焦油雾，然后进入硫酸铵饱和器内与硫酸母液充
4、分接触生成硫酸铵，同时将初冷时生产的剩余氨水进行蒸馏，蒸出的氨也通如饱和器，与硫酸接触，氨被硫酸吸收生成硫酸铵。此法工艺过程简单，生产成本低，在国内焦化厂已得到广泛应用。该方法就是人们所说的饱和器法生产硫酸铵的方法。 间接法：经初冷器后的煤气在洗氨塔内用水冼氨，将得到的稀氨水与冷凝工段来的剩余氨水一起送入蒸氨塔蒸馏，蒸出的氨气全部进入饱和器被硫酸吸收生成硫酸铵。此法消耗大量的蒸汽，而且蒸馏设备较庞大，生产上应用受到一定的限制，中国个别焦化厂配合煤气脱硫已采用此法，并在负压下回收工艺系统中生产出的高质量的硫酸铵。 直接法：由集气管来的焦炉煤气经初冷器冷却到6070，进入电捕焦油器除去煤焦油雾。然
5、后进入饱和器，煤气中的氨被硫酸吸收而生成硫酸铵。煤气离开饱和器后，再冷却到适宜的温度进入鼓风机。由于处于负压状态下的设备太多，要求设备性能好，在生产上不够安全，工业生产上暂未被采用。硫酸铵生产按采用的设备不同，有饱和器法和酸洗塔法。饱和器法是生产硫酸铵的主要方法，过去多采用鼓泡式饱和器，现在新建和改建焦化厂多采用喷淋式饱和器。纯态的硫酸铵为无色长菱形晶体，焦化厂生产的硫酸铵，因混有杂质而呈现浅的绿色、蓝色、灰色，多为片状、针状甚至粉末状结晶。硫酸铵的密度1766kg/cm3(20oC)，其结晶热为10.87kJ/mol。硫酸铵易吸潮结块，易溶于水，其水溶液呈弱酸性，1%的溶液pH为5.7。硫酸
6、铵溶于水时要吸收热量，每溶解1kg硫酸铵吸收热量约63kJ。 用硫酸回收氨的生产工艺中，氨与硫酸反应生成硫酸铵。查阅文献3可知，氨与硫酸发生的中和反应为： （1-1） 该反应是不可逆放热反应，实际热效应与母液酸度和温度有关，其值较上述反应热值约小10%。查阅文献4得知，如氨与酸度为7.8%的硫酸铵饱和母液相互作用是，其反应热效应如表1.1所示：表1.1 氨与母液反应热效应温度/47.766.676.1硫酸铵热效应/（J/mol）240883245878249208 用适量的硫酸与氨进行反应时，生成的是中式盐，当硫酸过量时，则生成酸式盐： （1-2） 随溶液吸氨量增加，酸式盐又可转变为中式盐，
7、（1-3） 溶液中酸式盐和中式盐的比例取决于母液中游离硫酸的含量，这种含量以质量分数表示，称之为酸度。当酸度为1%2%时，主要生成中式盐。酸度升高时，酸式盐的含量也随之提高。 饱和器中同时存在两种盐时，由于酸式盐较中式盐易溶于水或稀硫酸中，故在酸度不大的情况下，从饱和溶液中析出的只有硫酸铵结晶。 由硫酸铵和硫酸氢铵在不同含量的硫酸溶液（60）内的溶解度比较可知，在硫酸小于19%时，析出的固体结晶为硫酸铵；当酸度大于19%而小于34%时，则析出的是硫酸铵和硫酸氢铵两种盐的混合物；当酸度大于34%时，得到的固体结晶全为硫酸氢铵。 饱和器中被硫酸铵和硫酸氢铵多饱和的硫酸溶液称为母液。查阅文献4得知，
8、正常生产情况下母液的大致规格如表1.2所示：表1.2 母液的大致规格项目 数值密度/（kg/l） 1.2751.30w（NH4）2SO4 /% 4060 游离硫酸含量/% 46w（NH4HSO4）/% 1015NH3含量/（g/l） 150180母液的密度是随母液的酸度增加而增大的。1.2设计条件及要求设计题目：4.42万m3/h炼焦煤气氨回收工艺设计；设计任务：饱和器法回收氨；氨的产率/% 0.3饱和器后煤气含氨量/(g/m3) 0.03工艺参数见表1.3所示：表1.3 设计工艺参数项目数值焦炉干煤装入量/(t/h)130煤气发生量/m3/t(干煤)340氨的产率/%0.3初冷器后煤气温度/
9、30剩余氨水量/(t/h)13.14剩余氨水含氨量/（g/kg）3.5蒸氨塔废水含氨量/(g/l)0.5每蒸馏1m3稀氨水用直接蒸氨汽量/kg200分凝器后氨气温度/98饱和器后煤气含氨量/(g/m3)0.03硫酸质量分数/%78设计目标饱和器后煤气含氨量/(g/m3)0.031.3氨回收方法的确定根据以上文献综述、设计条件及要求，结合半直接法、间接法和直接法的优点和缺点，我确定了利用半直接法即饱和器法生产硫酸铵的方法回收氨。 饱和器法生产硫酸铵的方法有鼓泡式饱和器和喷淋式饱和器，鉴于设计任务的要求不是太高，而且鼓泡式饱和器法比较成熟。所以本设计选用鼓泡式饱和器法生产硫酸铵。1第2章 饱和器法
10、回收氨的工艺流程2.1回收氨的工艺流程本设计采用饱和器法回收氨，进而生产硫酸铵，查阅文献5,6得知，该工艺过程简单，生产成本低，在国内焦化厂已得到广泛应用。鼓泡式饱和器法生产硫酸铵的工艺流程如图2.1所示。 图2.1 硫酸铵生产工艺流程图煤炉煤气经由鼓风机和电捕焦油器进入煤气预热器1。在预热器内用间接蒸汽加热煤气到6070或更高的温度，目的是为了使煤气进入鼓泡式饱和器2蒸发饱和器内多余的水分，保持饱和器的水平衡，防止母液稀释。预热后的煤气沿饱和器中央煤气管进入饱和器，经泡沸伞从酸性母液中鼓泡而出，同时煤气中的氨被硫酸所吸收，煤气出饱和器进入除酸器3，捕集其夹带的酸雾后，被送往粗苯工段。鼓泡式饱
11、和器后煤气含氨一般小于0.03 g/m3 。饱和器母液中不断有硫酸铵生成，在硫酸铵含量高于其溶解度时，就析出结晶，并沉淀于饱和器底部。饱和器底部的结晶被抽到结晶槽4，在结晶槽内使结晶长大并沉降于槽底部。结晶槽底部硫酸铵结晶排放到离心机5进行离心分离，滤除母液，并用热水洗涤结晶，以减少硫酸铵表面上的游离酸和杂质。离心分离的母液于结晶槽流出的母液一同自流回到饱和器中。从离心机分离出的硫酸铵结晶经螺旋输送机6，送入沸腾干燥器7内，用热空气干燥后送入硫酸铵储斗16，经称量包装入成品库。为了是饱和器内煤气与母液接触充分，必须使煤气泡沸伞在母液中有一定的液封高度，并保证饱和器内液面稳定，为此在饱和器上还设
12、有满流口，从满流口溢出的母液经插入液封内的满流管流入满流槽12，以防止煤气逸出。满流槽下部与循环泵14连接，将母液不断地抽送到饱和器底部的喷射器。因有一定的喷射速度，故饱和器内母液被不断循环搅动，以改善结晶过程。煤气带入饱和器的煤焦油雾，在饱和器内与硫酸作用生成所谓的酸煤焦油，泡沫状酸煤焦油漂浮在母液面上，并与母液一起流入满流槽。漂浮于满流槽液面上的酸煤焦油应及时捞出，或引入一分离装置与母液分离，以回收母液。饱和器内所需补充的硫酸，由硫酸仓库送至高置槽，再自流入饱和器，正常生产时，应保持母液酸度为4%6%，硫酸加入量为中和煤气中氨的需要量；当不生产粗轻吡啶时，硫酸加入量要大一些，还要中和随氨气
13、进入饱和器的氨。饱和器是周期性连续操作设备，在操作一定时间后，由于结晶的沉淀将使其阻力增大，严重时会造成饱和器的堵塞。所以为了防止结晶堵塞，操作中必须定期进行酸洗和水洗。当冲洗饱和器及除酸器时，所形成的大量母液由满流槽满流至母液储槽。在正常生产时又将这些母液抽回饱和器以做补充。2.2回收氨的影响因素 回收氨过程中有很多的影响因素，会影响到硫酸铵结晶的颗粒大小，色泽好坏及洁净情况。因此要对这些影响因素有所了解。2.2.1母液酸度母液酸度在氨吸收设备内主要影响硫酸铵结晶的粒度和氨与吡啶盐基的回收率。查阅文献7可知，母液酸度对硫酸铵结晶成长有一定影响，如图2.2所示。随着母液酸度的提高，结晶平均粒度
14、下降，晶形也从长宽比小的多面颗粒变为有胶结趋势的细长六角棱柱形，甚至呈针形状。这是因为当其他条件不变时，母液的介稳区随着酸度增加而减小，不能保持所必须的过饱和度所致。母液的介稳区是溶解度与超溶解度间的区域。同时，随着酸度提高，母液黏度增大，增加了硫酸铵分子的扩散阻力，阻碍了晶体的正常成长。母液酸度/%图2.2 母液酸度对结晶粒度的影响但是，母液酸度也不宜过低。否则，除了氨和吡啶的吸收率下降外，还易造成饱和器堵塞。特别是当母液搅拌不充分或酸度波动时，可能在母液中出现局部中性区甚至碱性区，从而导致母液中的铁、铝离子形成及沉淀，进而生成亚铁氰化物，使晶体着色并阻碍晶体成长。另外，酸度过低容易产生泡沫，使操作条件恶化。母液酸度的控制，依所采用的工艺不同而异。饱和器正常操作时的母液酸度为4%6%。2.2.2母液温度母液温度影响晶体成长速度。通常晶体的成长速度随母液温度的升高而增大，且由于晶体各棱面的平均速度比晶体沿长向成长速度增大较快，故提高温度有助于降低长宽比而形成较好晶体。同时，由于晶体增长
