四合一壓濾機處理氨Ⅱ泥新工藝的研究

謝智勇,朱 彤,張 波

(天津渤化永利化工股份有限公司,天津 300452)

原鹽是聯合制堿工藝的一種原料,在加入系統前雖經過洗鹽工序進行除雜,但仍有少量鈣、鎂、泥沙等水不溶物會帶入系統并隨時間積累。為保證產品質量,鹽析結晶后的母液Ⅱ經換熱吸氨后在澄清桶進行沉淀,上層清液去下游碳化工序制堿,下部沉淀物即為氨Ⅱ泥。氨Ⅱ泥呈黑色泥漿狀,其成分復雜,除了水不溶物外,還含有大量的水、游離氨、固定銨、氯化鈉等有用成分,有著刺激性氣味。若直接排放,不僅造成資源浪費,還會引起嚴重的環保問題[1,2]。

針對氨Ⅱ泥的現狀,有學者開展了資源化利用的研究,主要是將其用于制備磷酸銨鎂、硫酸銨鎂和除垢劑等[3-5],但工藝都較復雜,且產品收率不高,分離提純存在難度,導致生產成本較高,加之產品市場飽和的原因,相關研究僅停留在試驗研究階段,尚未實現工業化應用。目前,行業內普遍采用的是脫水后直接堆放的處理方式,脫水的方法有帶式過濾機、板框式壓濾機和臥螺機[6]等。其中,帶式過濾機和板框式壓濾機處理后的氨Ⅱ泥,含水率高達60%～70%,且處理過程存在跑冒滴漏的現象,現場環境臟亂。近年來,采用臥螺機后,現場環境雖得到一定程度的改善,但處理后的氨Ⅱ泥,含水率仍有50%左右,并沒有從根本上解決資源浪費和環境污染的問題。因此,仍需開發新型處理工藝以解決上述問題。

當前,在固液分離領域涌現了一種名為“四合一壓濾機”的工藝設備,它可將物料的濃縮、脫水、洗滌、干燥等單元操作集成到一臺設備上完成,具有設備少、占地小、投資省、操作簡單、處理過程綠色環保等特點,物料中的水分可處理至近乎絕干,已在煤化工、醫藥中間體等行業進行了成功應用。鑒于此,本文擬首次采用四合一壓濾機處理氨Ⅱ泥,通過開展試驗研究優化工藝條件,以期達到回收氨Ⅱ泥中的有用資源,解決環境污染,較少氨Ⅱ泥排放量的目的。

1 工藝流程

利用四合一壓濾機處理氨Ⅱ泥的工藝流程如圖1所示,包括入料濃縮、反吹反洗、壓榨脫水、洗滌、吹餅、真空干燥、母液回收、尾氣處理、卸料等幾個單元。

圖1 四合一壓濾機處理氨Ⅱ泥的工藝流程圖

1)入料濃縮

將氨Ⅱ泥泵送至四合一壓濾機,利用泵壓使濾液通過濾布排出,完成液固兩相分離。當物料充滿濾室,濾液管線中的濾液呈涓流時,入料結束。

2)反吹反洗

先利用空壓系統產生的壓縮空氣對入料管道進行反吹,然后用清水對入料管道進行反洗,最后再用壓縮空氣將管道內殘余的反洗液吹走,從而保證管道清潔,保障閥門、儀表及視盅的正常使用和壽命。管道內留存物料及反洗液均流入氨Ⅱ泥罐。

3)壓榨脫水

開啟高壓水系統,通過四合一壓濾機濾板內的高壓水產生的壓榨力破壞物料顆粒間形成的“拱橋”,使濾餅壓密,將殘留在顆?？障堕g的濾液擠出。壓榨脫水結束,濾板內的高壓水返回高壓水系統循環使用。

4)洗滌

以冷析結晶器的溢流液作為洗水對濾餅進行洗滌,盡可能地降低濾餅中的游離氨、固定銨、鹽分等含量。

5)吹餅

利用空壓系統產生的高溫壓縮空氣對濾餅進行吹掃,將其中的毛細水吹出,進一步降低濾餅的含水量,與此同時將濾餅中的FeS氧化成單質硫與Fe2O3,實現顏色轉變。

6)真空干燥

啟動真空系統,對四合一壓濾機進行抽真空,與此同時啟動熱水系統,以熱水為熱源對濾餅進行真空干燥,將濾餅中殘留的水、游離氨等蒸出并抽出四合一壓濾機。其中,熱水是循環使用的,濾餅最終含水率根據需要可調。

7)母液回收

入料濃縮、壓榨脫水、吹餅產生的母液,以及洗滌水流入母液罐儲存,然后返回聯堿生產系統重復利用。

8)尾氣處理

真空干燥產生的少量水蒸氣、氨氣經真空系統抽出后送入火炬處理。

9)卸料

處理結束后,打開濾板,濾餅在重力作用下自動卸料。

2 試驗結果與分析

按照上述工藝流程開展相關試驗,對入料壓力與濃縮時間,壓榨壓力與壓榨時間,洗滌時間,吹餅溫度、吹餅壓力與吹餅時間,干燥溫度與干燥時間等關鍵工藝條件進行優化,以盡可能地回收氨Ⅱ泥中的有用成分。由于游離氨、固定銨、氯化鈉等物料絕大部分都溶于氨Ⅱ泥所攜帶的水(即母液)中,回收水分的同時,也回收了其他有用成分,物料中水分的含量與游離氨、固定銨、氯化鈉等組分的含量是正相關的關系。因此,為減少工作量,本文以物料含水率作為考察對象來研究相關工藝參數的影響,只對最終處理后的干料檢測其游離氨、固定銨、氯化鈉的含量。

2.1 入料壓力與濃縮時間的影響

在入料濃縮階段,分別選取入料壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa進行試驗,考察物料含水率隨濃縮時間的變化情況,結果如圖2所示。

圖2 不同入料壓力下物料含水率隨時間的變化趨勢圖

從圖2可以看出,隨著濃縮時間的延長,物料含水率逐漸降低并趨于平穩,且入料壓力越大,濃縮速度越快,濃縮效果越好。當入料壓力為0.1 MPa、0.2 MPa時,濃縮耗時需30～40 min,而物料含水率僅能濃縮至71 wt%～76 wt%;當入料壓力增至0.3 MPa以上時,濃縮耗時僅需20～25 min,但物料含水率卻能濃縮至63 wt%～65 wt%?？紤]到0.4 MPa與0.3 MPa的試驗結果較為接近,再結合操作風險及設備承壓能力,繼續增加入料壓力意義不大。因此,最佳入料壓力為0.3～0.4 MPa,此時最佳濃縮時間為20～25 min。

2.2 壓榨壓力及壓榨時間的影響

在壓榨脫水階段,分別選取壓榨壓力為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa進行試驗,考察物料含水率隨壓榨時間的變化情況,結果如圖3所示。

圖3 不同壓榨壓力下物料含水率隨壓榨時間的變化趨勢圖

從圖3可以看出,在不同壓榨壓力下,物料含水率隨著壓榨時間的變化均呈現先快速降低后趨于不變的趨勢。當壓榨壓力為0.5 MPa時,需壓榨30 min才能將物料含水率由65 wt%左右降至40 wt%附近;而當壓榨壓力為0.6～0.7 MPa時,僅需壓榨20 min就能將物料含水率由65 wt%左右降至31 wt%～32 wt%。由于0.7 MPa與0.6 MPa的試驗結果十分接近,因此,最佳壓榨壓力為0.6 MPa,此時最佳壓榨時間為20 min。

2.3 洗滌時間的影響

對洗滌水的電導率進行測定,通過其電導率的變化情況來判斷洗滌終點。以洗滌水出液管線剛開始有液時作為計時起點,以后每隔3 min取樣測試,結果如圖4所示。

圖4 洗滌水電導率隨洗滌時間的變化趨勢圖

由圖4可以得知,在洗滌初期,濾餅中大量的游離氨、固定銨、氯化鈉進入到洗滌水中,水中離子濃度增加,電導率較高。隨著洗滌時間的延長,進入洗滌水中的離子逐漸減少,電導率也隨之降低。當洗滌時間達到30 min以后時,電導率降低至5 000 μs/cm,之后不再變化。因此,最佳洗滌時間為30 min。

2.4 吹餅溫度、吹餅壓力及吹餅時間的影響

因氨Ⅱ泥中含有少量的FeS,其顏色為黑色,FeS可以與空氣中的氧發生氧化作用從而實現氨Ⅱ泥顏色的變化。當氧充足時,在加熱條件下FeS轉化為硫磺與氧化鐵;在高溫條件下,硫磺會進一步氧化為二氧化硫或三氧化硫。濾餅顏色隨吹餅溫度的變化情況如表1所示。

表1 濾餅顏色隨吹餅溫度變化情況表

由表1可以得知當吹餅溫度達到60 ℃以上時,氧化已經比較徹底。為避免二氧化硫或三氧化硫產生,隨尾氣進入大氣產生酸雨破壞環境,吹餅溫度不宜過高。因此,最佳吹餅溫度為60 ℃。

經過洗滌之后,濾餅的含水率由31 wt%～32 wt%升至45 wt%左右。在最佳吹餅溫度下,考察不同吹餅壓力及吹餅時間對物料含水率的影響,結果如圖5所示。隨著吹餅時間的延長,物料含水率均先快速降低后幾乎保持不變。在0.4 MPa下進行吹餅,60 min后含水率僅能降低至29 wt%左右;在0.5～0.6 MPa下吹餅,僅需40 min就能將物料含水率降至25 wt%左右。由于0.5 MPa與0.6 MPa的試驗結果十分接近,因此,最佳吹餅壓力為0.5 MPa,此時最佳壓榨時間為40 min。

圖5 不同吹餅壓力下物料含水率隨吹餅時間的變化趨勢圖

2.5 干燥溫度及干燥時間的影響

為確保真空系統的穩定,同時兼顧四合一壓濾機的操作要求,本文在壓力為-0.1 MPa下進行真空干燥,考察不同干燥溫度及干燥時間對濾餅含水率的影響,結果如圖6所示。

圖6 不同干燥溫度下物料含水率隨干燥時間的變化趨勢圖

從圖6可以看出,在60 ℃下干燥4 h,物料含水率仍有5 wt%左右;在70 ℃下干燥3.5 h,物料含水率可降至2.8 wt%,之后趨于平穩;在80～90 ℃下干燥2 h,物料含水率可降至2 wt%以下,繼續延長時間,含水率幾乎不變。因此,從節省能耗與縮短操作時間的角度考慮,最佳干燥溫度為80 ℃,最佳干燥時間為2 h。

2.6 氨Ⅱ泥最終處理效果

在上述最佳工藝條件下,采用四合一壓濾機處理后的氨Ⅱ泥為土黃色塊狀固體(如圖7右所示),無刺激性氨味。而采用原來臥螺機處理后的氨Ⅱ泥呈黑色膏狀固體(如圖7左所示),其含水率較高,有著刺激性的氨味,嚴重污染環境并影響操作人員的身心健康。

臥螺機處理 四合一壓濾機處理

對處理后的氨Ⅱ泥進行成分分析,結果如表2所示。從中可以看出,與原有的臥螺機處理工藝相比,采用四合一壓濾機處理后的氨Ⅱ泥,其含水率降至2 wt%以下,游離氨降至0.08 wt%以下,固定銨降至0.15 wt%以下,氯化鈉降至0.20 wt%以下,有用成分被“吃干榨凈”,得到充分回收利用。

表2 不同工藝處理后的氨Ⅱ泥成分組成表

3 結論與展望

本文采用四合一壓濾機處理氨Ⅱ泥,將物料的濃縮、脫水、洗滌與干燥等單元操作集成到一臺設備上完成。工藝流程包括入料濃縮、反吹反洗、壓榨脫水、洗滌、吹餅、真空干燥、母液回收、尾氣處理、卸料等幾個單元。通過工藝優化得到的最佳工藝條件為:最佳入料壓力為0.3～0.4 MPa,最佳濃縮時間為20～25 min;最佳壓榨壓力為0.6 MPa,最佳壓榨時間為20 min;以冷析結晶器的溢流液作為洗水對濾餅進行洗滌,最佳洗滌時間為30 min;最佳吹餅溫度為60 ℃,最佳吹餅壓力為0.5 MPa,最佳壓榨時間為40 min;在壓力為-0.1 MPa下進行真空干燥,最佳干燥溫度為80 ℃,最佳干燥時間為2 h。在最佳工藝條件下處理后的氨Ⅱ泥,顏色變為土黃色塊狀固體,無刺激性氨味,其含水率降至2 wt%以下,游離氨降至0.08 wt%以下,固定銨降至0.15 wt%以下,氯化鈉降至0.20 wt%以下。

本文的研究內容為氨Ⅱ泥的處理提供了新的思路,在試驗研究基礎上,我公司設計建設了一套處理能力為1 200 t/a的四合一壓濾機,全面替代原有的臥螺機來處理氨Ⅱ泥,目前設備已穩定運行一年有余,氨Ⅱ泥的排放量由1 000 t/a左右降至300 t/a以下,減排量達到70%以上。

采用四合一壓濾機處理工藝,設備少、占地小、投資省、操作簡單,處理過程綠色環保,可將氨Ⅱ泥中的有用成分進行回收利用,最大程度地減少了資源浪費,可實現氨Ⅱ泥減量化和無害化。該工藝具有較強的經濟效益、社會效益和環保示范效益,可在聯合制堿行業進行推廣。