武汉科技大学本科毕业设计
前 言
最近几年，科技日新月异，经济迅速发展，特别是我国，基础建设规模日益庞大，钢铁用量则空前增长，用于炼钢炼铁原料的焦碳自然用量剧增。随之而来的是一系列环境问题，如温室效应、光化学烟雾、江河湖水污染变臭、噪音污染等问题正威胁着人类和社会的健康发展。因此，优化工厂生产工艺流程，减少污染物排放量，积极治理环境污染已经是刻不容缓。
在这些环境污染中，水污染是一个重要的因素。而含氮废水的量一般较大，而且含氮废水中的氮容易造成水体富营养化，导致水质恶化，大量水生生物死亡。
焦化废水的来源主要有3部分：煤干馏煤气冷却过程中产生的剩余氨水；煤气净化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水；焦油、粗苯等精制过程中产生的污水。其中剩余氨水的污染量占总污染量的一半以上，它既是焦化污水的主要来源，同时又是冶金钢铁行业含氨氮较高的污染源。剩余氨水中主要含有煤焦油、酚、氰化物、挥发氨和固定氨、硫化氢以及少量的含锗化合物，在排放到自然界之前，这些物质都必须进行回收处理，以免造成环境污染。焦化厂废水中的氨和铵盐，对金属设备和管道有腐蚀作用，并影响生物脱酚的正常操作，直接排放又严重污染环境。如何寻找一条脱除氨氮，并配合切实可行的生化方法，是各企业急于探求的目标。
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1 总论
1.1 概述
国内焦化厂中，为脱除剩余氨水中的氨，一般都采用传统的直接蒸汽汽提法蒸氨，蒸氨废水经生化处理后循环使用或外排。但是此法存在蒸汽耗量大，设备腐蚀严重和操作费用高等问题。许多焦化厂也都建有蒸氨装置，但由于存在蒸汽不足，设备腐蚀和堵塞等问题而长期未开工。剩余氨水不经任何处理，直接送生化装置处理后外排。致使生化装置因进水的污染物含量高，而难以达到理想的处理效果，造成外排水多项指标长年超标排放。
焦化废水的来源主要有3部分：煤干馏煤气冷却过程中产生的剩余氨水；煤气净化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水；焦油、粗苯等精制过程中产生的污水。其中剩余氨水的污染量占总污染量的一半以上，它既是焦化污水的主要来源，同时又是冶金钢铁行业含氨氮较高的污染源。废水中氨氮的处理技术一直是各国学者研究的热门课题。脱氨方法有很多，目前在工业上应用的主要有蒸氨法、吹脱法、生物脱氮法、折点加氯法、离子交换法、烟道气治理法等等。生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水，该法技术可靠，处理效果好，主要应用于化工废水和生活污水的处理。对于高浓度无机氨氮废水，如化肥废水、催化剂废水，目前工业应用较多采用吹脱法。国内焦化厂为脱除剩余氨水中的氨氮，一般均采用蒸氨法。
考虑到本设计在技术和经济上的合理性，有必要进行设计之前的技术资料准备工作，以蒸氨工艺为参考，考虑预处理后的生化处理的联运，从工艺，设备及相关资料普查入手，经计算整理，设计一条利用煤气吹脱解析法处理100万吨焦化厂剩余氨水的工艺道路。由中试“煤气吹脱解析法处理剩余氨水”的试验结果可知，吹脱法处理的剩余氨水明显减轻了生化处理装置的负担，生化出水的水质也得到了明显的改善，外排水水质全部达标。而且大大降低了蒸汽耗量，降低工艺生产费用。
1.2 剩余氨水的来源，特点及质量组成
在焦炉煤气初冷过程中形成了大量氨水，其中大部分用做循环氨水喷洒冷却集气管的煤气，多余部分称剩余氨水。剩余氨水组成与焦炉操作制度、煤气初冷方式、初冷后煤气温度和初冷冷凝液的分离方法有关。其一般组成范围见表1.1 。
表1.1剩余氨水组成表
组 成, 克/升
[1]
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初冷工艺
初冷后煤气温度℃
全氨
挥发氨
CO2
H2S
HCN
酚
吡啶
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煤气的初冷 初冷冷凝液单独
分离 初冷冷凝液与集气管循环氨水混
合分离 硫铵流程 氨水流程 煤气直接初冷 初冷循环氨水与洗氨氨水混合分
离
30~40
7~9
6~8
2~4
1~3
0.1~0.2
1~2 0.2~0.4
30~40 20~25
2~5
1~2 2~3
1~2 1.5~3
0.2~2 0.5~2.5
0.04~0.14 0.1~0.2
25~30 4~6 0.4~1.4 0.1~0.24
1.3 车间规模组成及主要装备水平
本工艺适用于硫铵车间，用来取代蒸氨工艺，装备水平为100万吨焦化厂硫铵工段装备水平。
1.4 节能技术与环保
煤气吹脱解析法脱氨氮比蒸氨法脱氨成本要低，蒸氨法的直接气耗量为160～200公斤/米3原料氨水，按市场平均价格算，每吨蒸气的价格约为90元人民币，也就是说每处理一吨氨水，光消耗蒸汽就要花费18元。按60万吨焦化厂计，仅耗蒸汽约300万元。采用煤气吹脱法，通入的是焦化厂本身就产生的焦炉煤气，利用焦炉煤气本身的热量和余压对剩余氨水进行吹脱。节约了能源，保护了环境，降低了成本。
另外，蒸氨法工艺流程较复杂，设备较大。而煤气吹脱解吸法工艺流程简单，与整个水处理工艺能联运循环。
总之，煤气吹脱法比蒸氨法成本明显要低，工艺要更为合理优化。
1.5 主要技术方案综述
1.5.1 主要技术的叙述 [8]
当废水中含有可挥发性物质(如硫化氢、氨气等)时，可以用向废水中通入蒸汽的方法将之提取出来，这就是“吹脱”，带出来的挥发性物质可以通过适当的方法加以回收利用。
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氨氮的去除率是指通过处理，从废水中除掉的氨氮的量占原废水中氨氮总量的百分比。
废水中的氨氮多数是以铵离子(NH4+) 和游离氨(NH3) 的状态存在，并且它们之间存在如下的平衡关系：
???NH3?H2O?????NH4??OH NH3?H2O????显然，游离氨的浓度与废水的pH 值有关系,pH 值越高，游离氨的浓度越高。常温时，当PH值为7左右时氨氮大多数以铵离子状态存在，而PH为11左右时，游离氨大致占90％。
当水的PH值升高，呈游离状态的氨易于逸出。若加以搅拌，曝气等物理作用更可促使氨从水中溢出。在实际工程中，大多采用吹脱塔。吹脱塔的构造一般采用气液接触装置，通常以石灰作为碱剂处理，经石灰调节PH值后的水从塔的上部淋撒到填料上而形成水滴，而下部的煤气鼓泡而出与水逆流接触，完成传质过程，使氨由液相转变为气相，随煤气而出，完成吹脱过程。
吹脱是一种对流传质过程，根据有效膜理论，其推动力是溶质组分的液相浓度与气相浓度差，根据资料，常温下氨水系统的平衡方程式为：
Y＝1.2X （1.1）式中：Y――氨在空气中的摩尔分率； X――氨在水中的摩尔分率
由上式可以计算出，当氨氮去除率达到95％时的最小气液比为0.79，即气液比为980：1，由于氨吹脱属气相阻力控制，因此通常情况其实际生产过程的气液比可能还要大。
1.5.2 吹脱工艺流程，设备及其特点
本工艺流程大致为：于剩余氨水中投入碳酸钠，调节耗PH值后流经漩流式反应器，经反应后进入吹脱塔与煤气进行逆流接触，脱氨后用鼓风机抽至硫氨工段。
本工艺流程中煤气的走向大体上可以说是一个循环的过程，即利用硫氨工段后的贫氨煤气对剩余氨水进行吹脱，吹脱后的富氨煤气再送到硫氨工段脱氨，从而达到对剩余氨水的处理效果。采用的都是一些较新型的设备，如陶瓷膜过滤器，漩流式反应器，吹脱塔等。而且与传统直接蒸汽蒸氨法相比．具有运行成本低、工艺简单、便于操作等优点。
吹脱塔的形式有填料塔，筛板塔等。废水自塔顶喷下，煤气自塔底通入，在塔内废水与煤气进行逆流接触，废水吹脱后从塔底经水封管排出，自塔顶排出的气体进入到下一工段。单位时间吹脱的气体量，正比于气液两相的浓度差（或分压差）和两相的接触面积。
即 G＝K·A·△C （1.2）
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