水解机尾气处理装置的研究与应用

聚丙烯酰胺水解尾气治理的研究与应用

摘要：

本文介绍了大庆炼化公司聚丙烯酰胺水解机尾气处理装置的工艺路线选择、工艺流程及其运行效果，运行结果表明该装置能够很好的处理聚丙烯酰胺水解机尾气，其中主要污染物氨气去除率达90%以上，聚丙烯酰胺颗粒去除率接近100%，完全达到了尾气治理的目标。 关键词：聚丙烯酰胺 氨气 硫酸铵 治理

一、聚丙烯酰胺装置尾气概述

聚丙烯酰胺是全球使用量最大、应用最为广泛的合成类水溶性高分子化合物，在国内作为三次采油的驱油剂，被大量的应用于石油开采行业。大庆炼化公司具有年产15万吨/年聚丙烯酰胺的能力切实保障了大庆油田的持续稳产并创造了良好的经济效益。但聚丙烯酰胺生产过程中排放出大量氨气，对周边的环境造成了一定影响。

大庆炼化公司聚合物厂聚丙烯酰胺生产工艺主要包括：反应液配置、聚合、预研磨及造粒、后水解、干燥和筛分包装，尾气中的氨气主要是在后水解和干燥过程中产生。在后水解工序中，非离子型聚丙烯酰胺通过加入氢氧化钠进行水解反应，转变成阴离子聚合物，同时产生氨气。水解过程产生的氨气，一部分溶于胶粒中，在干燥过程中通过排气风机高点放空，干燥器出口风机风量141170m3/h, 压力2474Pa,温度约为70℃。含研磨油、水汽、聚丙烯酰胺细颗粒和氨气；另一部分在水解机中通过排氨风机向外高点排放，排氨风机出口风量35052 m3/h，温度50℃，压力2450Pa，含有大量氨气、少量水蒸汽、研磨油和聚丙烯酰胺胶粒，这部分氨气占总量的80%以上。

二、治理方案选择

如何处理水解反应产生的氨气，消除环境不良影响成为公司急待解决的问题之一。无论是干燥工序还是水解工序的排放尾气，都含有聚丙烯酰胺粉尘、研磨

油和大量的水，治理难度非常大。特别是干燥工序的尾气，风量大，粉尘和研磨油含量较高，后续处理投资过大。考虑到此部分尾气中氨气含量不高，吸收氨气的价值和意义不大，所以，氨气治理的方向和具体做法是处理水解工序的尾气。

根据国内氨气吸收的经验，氨气吸收大致有两种：水吸收法和酸吸收法。

水吸收法是用大量的水吸收尾气中的氨气形成氨水，反应方程式为： NH3 + H2O == NH3·H2O ←→ （NH4+） +（OH-）

由于这个反应是可逆的，生产的氨水也不稳定，况且反应条件受温度、压力、PH值、吸收水量等因素影响较大。由于聚丙烯酰胺粉尘也溶于水，含有聚丙烯酰胺的氨水公司内部无法处理，如果要进行分离，工作难度非常大。

酸吸收法是用稀硫酸来吸收尾气中的氨气，反应方程式为：

NH3+H2O=NH4OH H2SO4+2NH4OH= (NH4)2SO4+2H2O

这个反应不可逆的，反应完全，吸收快速，同时生产的硫酸铵溶液可以输送到硫酸铵装置进行加工。

通过多次的探讨和研究，结合水解机尾气成分复杂等特点和公司内部的时实际情况，我们采用了酸吸收法来吸收尾气中的氨气，并设计建造了一套完善的水解机尾气处理装置。

三、尾气治理装置工艺流程

通过对聚丙烯酰胺生产工艺和尾气成分及相关参数的研究，我们提出如下工艺路线：后水解机排出的尾气中含一定研磨油，并混杂有聚丙烯酰胺颗粒，为保证硫酸铵的纯度，必须首先将尾气中的研磨油和聚丙烯酰胺颗粒去除。可采用一座CST废气净化穿流板式塔作为预处理塔，用水洗方式将尾气中混杂的研磨油和聚丙烯酰胺颗粒去除。经预处理后的水解机尾气通过两级CST废气净化穿流板式塔用稀硫酸溶液吸收，外排尾气中氨气浓度满足《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）。生成硫酸铵浓度控制在20~25%，温度在30~40℃之间，设硫酸铵储池，通过硫酸铵输送泵连续将溶液送至硫铵车间，一同加工成成品。污水经处理后，排放到下水井至污水车间。

尾气治理装置采用三座CST废气净化穿流板式塔作为吸收塔以串联方式对尾气进行处理（原则工艺流程见图1）。CST废气净化穿流板式塔具有处理能力大、净化效率高、阻力小、能耗低等优点，特别适用于含有粉尘的废气处理，不会堵塞。装置末端设一台引风机，使装置保持负压状态，避免尾气的泄露。整个工艺流程分为两个单元即：预处理单元和两级吸收单元。

图1 原则工艺流程图

3.1 预处理单元

预处理塔主要作用是去除尾气中的聚丙烯酰胺颗粒并回收尾气中的研磨油，以利于吸收单元得到更为纯净的硫酸铵。塔下设两座预处理液循环槽，槽内注有新鲜水，配套相应的循环泵，循环泵将其中一座循环槽中的新鲜水送至预处理塔顶，以水作为吸收液对尾气进行预处理。循环液持续循环喷淋，同时在预处理液循环槽内对预处理液进行加热吹脱，目的使溶解的氨气解析回到尾气中，降低预处理液氨氮浓度以达到排放要求。运行一段时间后，关闭该槽对应的循环泵并停止加热吹脱装置，开启另外一座循环槽对应的循环泵及相应加热吹脱装置并进行相同操作。停止喷淋的循环槽，在静止一段时间后将预处理液外排，外排完毕后重新注水、加碱待机。

此单元设有研磨油回收装置，循环槽每运行8周期，在循环泵及加热吹脱装置停止运行后，向槽内添加新鲜水，当槽内液位达到溢流液位时，处于上部的研磨油油层自溢流管溢流进入除油罐，从而实现回收目的。 3.2 两级吸收单元

两级吸收单元主要作用是去除尾气中的大量氨气，

保证尾气排放时的氨含量

符合排放标准。该单元设两座吸收塔即一级吸收塔及二级吸收塔，两塔均以硫酸作为吸收液对尾气进行喷淋吸收。其中一级塔起主要作用，二级塔起保险作用，二级塔对一级塔未吸收完全的氨气进行二次吸收。系统初次启动时，一级吸收塔内的循环槽内注有新鲜水与一定量的93%浓硫酸配成的稀硫酸溶液。循环泵启动后将槽内稀硫酸溶液送至吸收塔顶喷淋下来，与尾气逆向接触，吸收并去除尾气中的氨气。

为防止生成的硫酸铵浓度过高产生结晶同时又能满足硫铵车间的生产要求，通过计算得出循环槽单周期加酸量。为了避免pH值过低，对设备造成腐蚀，一级塔实行分次加酸的方式。一、二级吸收塔均设有在线pH计，当一级塔在线pH计检测pH值达到2.5时，装置自动向正在运行的循环槽内添加定量的浓硫酸。当最后一次加酸结束后，一级塔在线pH计检测pH值达到4.5时，该循环槽停止运行，切换至另一循环槽并进行相同操作。循环槽每周期加酸三次，生成的硫酸铵浓度理论上在20%~25%之间，输送至硫酸铵储池，再由硫酸铵输送泵转送至硫铵车间生产成成品。

一级吸收塔循环槽除初次运行时补充的是新鲜水外，后续周期补充液均为二级吸收塔吸收液。由于经过一级吸收塔处理后，尾气中的氨气含量较低，所以二级吸收塔循环槽仅需一次加酸便可满足运行要求。当一级吸收塔循环槽中的硫酸铵溶液排空后，对应的二级吸收塔循环槽停止运行，并将吸收液转移至对应一级吸收塔循环槽，装运完毕后，该二级吸收塔循环槽注入新鲜水及一定量的93%浓硫酸待机。

一、二级吸收塔循环槽分别为两座，配套相应的循环泵，由PLC控制交替运行。二级吸收塔出气经引风机送至风道，由烟囱排放。

四、尾气治理装置实际运行考核

4.1、运行数据监测结果

经过实际的生产运行，由环保监测中心和质量化验中心全过程、高密度地监测了实际运行考核指标数据，数据如下：

治理前尾气外排数据

序号

项目

单位

指标

2 3 4 5

温度 压力（表压）

氨气 聚丙烯酰胺

℃ Pa mg/m3 kg/d

35 3750 2040~2617

15

治理后外排尾气数据

序号 1 2 3 4 5

预处理外排污水数据

序号 1 2 3 4 5

生成硫酸铵溶液数据

序号 1 2 3

项目

生成量（浓度为25%）

温度 pH

单位 m3/d ℃

生成硫酸铵成品数据

序号

项目

单位

指标 指标 25 30-40 4.5-6.5

项目 水量 氨氮 COD 聚丙烯酰胺

pH

单位 m3/d mg/L mg/L %

指标 22 ＜200 ＜1500 0.07 8~10

项目 气量 温度 压力（表压）

氨气 聚丙烯酰胺

单位 m3/h ℃ Pa mg/m3 mg/m3

指标 35000 30~36 1500~2000 102.9~131.4

2 3

含水量 含游离酸

% %

≤1.0 ≤0.2

同时，计算出去除率率后，利用生产出的硫酸铵数量，进行反推总氨气量，经与用氢氧化钠水解反应理论计算值比较，进一步确认了水解部分是聚丙烯酰胺反应主要的氨来源。在试运行前72小时内，生产线水解加碱量为17850kg，理论上1mol氢氧化钠可产生1mol氨气。按氢氧化钠完全反应计算（实际生产中不会完全反应），理论计算出总产生氨气量为7586kg，扣除干燥部分排出的448kg（此值为最小值），通过水解机排氨风机排出的氨气量为7138kg，占总氨气量的94.1%（此值为最大值）。根据硫酸铵的实际产生量为19976kg，折算成氨气的实际吸收量为5145kg。则水解尾气中的氨气量占总氨气量的72.1%（此值为最小值）。所以从实验数据中可以得出，水解部分进入尾气治理装置的氨气量占总氨气量的72.1%~94.1%。这个数据有力地验证了当初的判断，也为后续的治理提供了有力的数据支持和方向指导。

4.2、运行效果考核 4.2.1 氨气去除效果

氨气作为水解机尾气的主要污染物，其去除效果是考察本装置效果的关键参数。运行前期的192小时，我们单独对氨气去除率进行了严格的考核。由环保监测部门和化验部门每4小时取样，在进出口分别检测尾气中的氨气浓度，计算氨气去除率。去除率变化如图2所示（运行前192小时的数据）。

图2 水解机尾气氨去除率图

通过上图可以看出，第一次运行氨气去除效果大体可分为三个阶段：①前20小时，探索阶段，氨气去除率不高，波动较大；②中间28小时，稳定阶段，氨气去除率基本稳定在80%以上；③后24小时，提高阶段，氨气去除率有了进一步的提高，平均去除率接近90%。

在前20个小时，氨气去除率均不很理想，经过数据分析发现，二级吸收塔循环槽中的硫酸铵浓度对氨气的去除率有很大的影响。当二级吸收塔循环槽中的硫酸铵浓度大于10%时，氨气去除率均在80%以下；当二级吸收塔循环槽中的硫酸铵浓度控制在10%以内时，氨气去除率可以稳定在80%以上。

在后续的时间内，为防止飞沫带出硫酸铵导致吸收率偏低，优化了二级塔操作参数，严格控制二级吸收塔循环液的硫酸铵浓度，二级吸收液循环槽每周期加酸量不超过14min，生成的硫酸铵控制浓度在5%以下，由飞沫带出的氨浓度大幅度降低。因此，第二次运行氨气去除率均稳定在95%以上。 4.2.2 生成硫酸铵情况

运行期间，平均每天产生25吨硫酸铵溶液，浓度稳定在25%左右，pH在4.5-6.5之间，完全满足硫铵车间生产需要。生成的硫酸铵溶液清澈透明，杂质很少。采取连续方式输送至硫铵车间，未发生结晶现象。硫酸铵溶液经硫铵车间加工后变成淡黄色固体硫酸铵产品，产品指标达到公司硫酸铵产品质量标准，销售出厂。

4.2.3 预处理外排污水情况

预处理液在预处理单元产生，每天产生22m3预处理液，其主要控制指标为氨氮、COD和pH值，其中氨氮经加热吹脱后浓度小于200mg/L。COD通过运行时间来控制，当预处理液循环槽运行时间为12小时，预处理液COD小于1500mg/L。pH在8~10之间。经过调整后达标的废水统一排放。 4.2.4操作控制方面

此装置为自动控制系统，在终端计算机上可对所有设备进行自动或手动控制。在调试完毕后，能全自动运行，系统运行平稳，界面简单，故障少，参数正常，操作非常方便。

五 结论

水解机尾气处理装置工艺简单、操作方便，吸收效果好。装置采用先进的自动控制技术，简化了操作步骤，最大限度的降低了工人的劳动量。同时装置采用多种先进的在线监测手段，实时监测反馈系统运行的各项指标，保障了系统运行的稳定性和安全性。水解机尾气经该装置处理后，出口尾气各项指标均优于国家标准，氨气去除率可达90%以上，聚丙烯酰胺去除率接近100%。装置产生的预处理液，亦能达标排放。尾气中所含氨气被吸收转化成硫酸铵，经加工后作为成品销售，创造了一定的经济效益，符合当代绿色生产的趋势。

此治理装置的成功运行为聚丙烯酰胺装置的尾气治理探索出了成功的工艺路线，具有极大的推广和指导价值，后续的改造治理工程即将展开。