用溶氨器替代传统工艺配制氨水

(上海互联环保工程技术中心，上海 200086)

1 用液氨配制氨水的传统工艺

工业界用液氨配制氨水的传统工艺已经沿用许多年。尽管其中吸氨器型式可以各异，例如有喷射吸氨器、高位吸氨器。蒸发器、冷却器的型式也可以各异，换热介质也不同，但其工艺流程大致如图1所示。由图1可见，传统的氨水配制流程由多种设备组成，需要占用一定的面积和空间位置。流程中从氨水储罐到吸氨器入口有一条副线，这是为当一次吸氨达不到要求的氨水浓度时，让氨水循环提浓而设置的。从图1可以发现，液氨蒸发成气氨需要加热，而气氨通过吸氨器溶于水后又需要冷却降温，进一步分析还可以发现，加热和冷却移进移出的热量是近乎相等的。长期以来不少研究者做了许多工作，试图让液氨直接溶于水配制氨水，省去液氨加热蒸发和气氨溶解于水放热而需要冷却的双重能耗，之所以没能成功，皆因氨的特殊性质所致。液氨极易挥发，所以管道输送液氨时，总有一部分气氨存在，实际上是两相并流。氨极易溶解于水，溶解速度非常快，但是气氨溶解于水时容易出现类似爆破的强烈响声和振动，这是在迅速溶解于水时气氨气泡消灭产生的现象。气氨溶解于水时产生大量溶解热，导致氨水温度大幅度升高，需要外加冷量来冷却。在高温氨水尚未冷却时，会夹带气氨，冷却时气氨又溶解于水，此时也有可能出现爆破声和振动。上述情况使得液氨直接溶解于水制取氨水成为很困难的事情，或者说所谓传统技术没有找到解决上述爆破声、振动、发热等等问题的办法，不得不采用先全部变成气氨，再让气氨溶解于水，随后再对温度升高的氨水进行冷却的工艺方案。

某公司对传统氨水制备装置改进完善，采取设备集成化及能源综合利用等措施，推出“超级吸氨器”，取得了极大的进步，具有装置小巧紧凑、能耗低、对环境影响小、不受气温影响、运行稳定等优点，但是“超级吸氨器”仍然没有超出传统工艺的范围。

图1 由液氨配制氨水的传统工艺流程图

2 溶氨器的原理

为了实现用液氨直接配制氨水，避免传统工艺中对氨先汽化再液化(溶解)、先加热再冷却的过程，笔者设计了命名为“溶氨器”的装置。之所以称为溶氨器，是为区别于先前已有的吸氨器，吸氨器的工作过程是用水吸收气氨，而溶氨器的过程是液氨溶解于水。图2是溶氨器工作的流程示意图，装置包含了溶氨器、下降管和氨水储罐。其中溶氨器是一台非常小的设备，液氨处理量为2.5 t/h的溶氨器净重只有70 kg，具体构造见图3。

图2 溶氨器工艺流程图

液氨从溶氨器顶部的液氨进口管进入溶氨器，水从溶氨器侧面的水进口管进入溶氨器，在溶氨器中氨和水相互溶混制成氨水，再经过下降管进入氨水储罐。图中的氨水储罐也可以是直接使用氨水的塔器的塔釜，例如烟气脱硫吸收塔的塔釜。下降管是一根竖直的长管道，其作用是作为大气腿，使溶氨器内部形成稳定的真空，保证溶氨器系统平稳运行。下降管上部与溶氨器下部氨水出口的连接线距离储罐内液面的高度由计算确定。

图3 溶氨器构造图

在溶氨器中，液氨穿过液氨进口管下部管壁上各向均布的小孔溶入水中，即使液氨中夹带少量气氨，分散开来从各个方向的小孔进入，就像消声器一样，许多小能量的爆破声和振动分布在各个方向上，产生相互抵消的效应。利用下降管的大气腿作用，使溶氨器内部始终保持稳定比较高的真空度，确保运行中溶氨器内部不发生压力波动，也是系统平稳运行的重要条件。此外，即使夹带的少量气氨溶解放热，相对而言水的流量大，足以让溶液温度不出现明显的升高，所以一般不需要外加冷源降温。

同传统氨水制备工艺相比，处理等量的氨，溶氨器可节省投资80%以上，减少占地面积80%以上，运行能耗和费用也大幅度降低，而且不需要专门的运行操作人员。

在上述说明中所称的“水”，一般是清水；当用于稀氨水提浓时，可以是稀氨水；也可以是其他氨不饱和的水溶液，例如烟气氨法脱硫中的循环喷淋吸收液。

3 溶氨器系统设计的要领

第一，尽可能杜绝液氨从储罐到溶氨器的输送管道中发生汽化，使进入溶氨器的液氨尽量少地含气氨。

第三，确定下降管上部与溶氨器下部氨水出口的连接线距离储罐内液面的高度h，h的单位是m，可以参照文献[1]及[2]推导的方法计算。文献[1]对于气液两相竖直向下的管流进行了分析，并且推导归纳出实用的设计计算方法。文献[2]引用了文献[1]的结果，并在文献[1]的基础上建立氨-水系统的相关计算公式，二者的区别在于文献[1]的气相是不凝气，而文献[2]的气相是可溶解的气氨，并且在下降管中气氨已经全部溶解。本文不打算讨论繁琐的计算过程，归纳运用上述文献成果对一些工程实例进行计算的结果，对于h的数值，如果储罐气相接近于常压，建议在12～13.5 m范围内选取。

4 溶氨器在烟气氨法脱硫工程中的应用

实施烟气氨法脱硫的企业，如果需要购进液氨或者使用自产液氨，最好的办法是将液氨直接注入脱硫溶液，不必先配制成氨水再用于脱硫。这样做对于脱硫系统的水平衡大有好处，尤其是采用塔内饱和结晶工艺的氨法脱硫装置，而且过程更简单、控制更方便。此外，购进液氨比购进氨水便宜，同时，储存液氨比储存氨水更安全、更经济。使用溶氨器，可以很方便地将液氨直接注入脱硫溶液。如果本企业已经有一部分氨水来源，例如有回收的稀氨水，但还需要补充购进一部分液氨的，此时可以采用溶氨器把这部分液氨配制成氨水，一并用于脱硫装置。对于这两种需求，下面列举工程实例说明。

某火电厂2套350 MW燃煤机组对应2套氨法脱硫装置，每套(即每台脱硫塔)分别使用1台溶氨器直接将液氨注入脱硫溶液。由于该机组燃煤含硫量低，脱硫用氨量相对也较少，选用液氨处理量为1 t/h的溶氨器。溶氨器安装在脱硫塔适当高度的平台上，液氨由液氨储罐送来，经自动节流减压装置后，从溶氨器顶部液氨进口管送入溶氨器；从脱硫循环泵出口管分出一支管连接到溶氨器水进口管，将适量的脱硫溶液送入溶氨器；下降管下端连接在脱硫循环泵进口管上，配制好的含氨溶液从溶氨器下部出口管进入下降管，经过下降管混入脱硫溶液中。这两台溶氨器已运行很长时间，效果很好。

某化工厂4台供热锅炉共用1台氨法脱硫塔，设计锅炉总容量为420 t/h，使用一台溶氨器直接将液氨注入脱硫溶液。由于该机组燃煤含硫量高，脱硫用氨量相对也较多，选用液氨处理量为2.5 t/h的溶氨器。溶氨器安装在脱硫塔适当高度的平台上，液氨由液氨储罐送来，经自动节流减压装置后，从溶氨器顶部液氨进口管送入溶氨器；从脱硫循环泵出口管分出一路支管连接到溶氨器水进口管，将适量的脱硫溶液送入溶氨器；下降管下端连接在脱硫循环泵进口管上，配制好的含氨溶液从溶氨器下部出口管进入下降管，经过下降管混入脱硫溶液中。这台溶氨器已运行多年，使用效果比较理想。

某大型煤化工企业4台蒸发量为600 t/h的锅炉，每2台锅炉共用1台氨法脱硫塔，4台锅炉对应2套氨法脱硫装置，而氨水配制和氨水储罐则为2套脱硫装置共用。由于该企业有时有一部分回收的稀氨水用于脱硫，不足氨源外购液氨补充，为此需要将外购液氨配制成氨水同自供氨水一并储存使用。选用2台规格为2.5 t/h的溶氨器并联使用，安装在邻近氨水储罐的厂房适当高度的平台上。液氨由液氨储罐送来，经自动节流减压装置后，从溶氨器顶部液氨进口管送入溶氨器，工艺水由压力管道送至溶氨器侧面的水进口管，液氨和工艺水在溶氨器里溶混成氨水，从氨水出口进入下降管，经下降管进入氨水储罐。几年来这2台溶氨器运行正常，能够达到设计指标。但是该工程的氨水配制系统，2台溶氨器的下降管下端被设计成合并为1根大管进入氨水储罐，运行人员反映，2台溶氨器同时使用时流量分配不太好调节。这是一个负面的经验，2台或2台以上溶氨器并联设置时，其下降管一定要设计成独立插入氨水储罐的型式。

参考文献：

[1]王志雅.自排不凝气直接式蒸汽冷凝器排水管的设计[J].化肥设计，2006，45(6)：26～28.

[2]高振恒.脱硫塔双程旋流板结构及其设计方法探讨[J].化工设计通讯，2012，38(3)：24～27.

[3]王志雅.溶氨器：中国，201220723802.1[P].2012-12-26.