150-联碱重碱纯碱装置碳化尾气吸收净氨塔尾气传统分离技术升级专用羽叶分离器设计讨论

       本篇针对联碱装置、重碱装置、纯碱装置碳化尾气净氨塔或称作综合吸收塔尾气传统气液分离及其技术升级专用羽叶分离器设计方案进行讨论分析。

       国内已经投产和在建的联碱装置、重碱装置和纯碱装置数十套，其碳化塔尾气往往都通过净氨塔后做直排处理。但是，为数不少的净氨塔直排尾气存在带液明显、氨氮超标问题，不仅导致装置氨耗大，且排放尾气污染大气、尾气落液污染土壤和水源引来居民投诉和环保部门介入。

       对于装置所处地理位置在西北地区、东北地区、华北地区的企业来说，净氨塔直排尾气带液问题，尤其在冬季会导致尾气连续不断落下的液滴在工艺管线、仪表管线上结冰并不断加厚加重造成管线不堪重负而变形断裂，掉落的冰块对行人构成很大伤害风险；尾气连续不断落下的液滴，在装置周边地面形成不断增厚的冰层，对操作人员的安全构成明显潜在风险。对于地面结成的冰层，企业只好定期组织人员进行铲冰作业，费时费力却收效不大。而对于架空的工艺仪表管线上由尾气连续不断落下的液滴结成的冰，却无能为力。

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      客户在交流中告知，一套20万吨/年产能的联碱装置，通常设置4-5套碳化塔。而每一套碳化塔，需要配置一套净氨塔来对碳化尾气和滤过尾气进行洗氨。不同装置洗氨塔用液，因地制宜而有所不同。一般而言，往往采用精盐水进行洗氨。有的企业则采用卤水作为洗氨液体，自然，塔内件结垢也更多。

       早期的大多数联碱工艺包、重碱工艺包、纯碱工艺包，其净氨塔往往没有设置尾气气液分离器。究其原因，一是早期项目对环保意识环保要求不高，甚至还带有些错误意识；二是当初的设计人员对净氨塔尾气气液分离关注度远远不如其它工艺装置；再者，当初的技术人员也可能对气液分离技术本身没有太多了解。

       这些当初被工艺包方、设计院方和业主方忽略的净氨塔尾气分离问题，在以后的实际运行中却出现：洗涤液循环量小时，则尾气跑氨严重，熏得造作人员艰于呼吸，且氨耗高；洗涤液循环量即便保持正常稳定量时，尾气却发生带液明显，尤其是工况波动时更发生盐卤液从尾气中落雨一般，装置现场一片狼藉。这些实际运行中的问题，倒逼工艺包方、设计院方对净氨塔尾气分离进行工艺升级，而业主则从生产运行稳定、降耗和提高环保运行角度考虑对净氨塔进行技术升级改造。

      我们从工艺包方、设计院方和业主方收集到的信息是，他们对净氨塔尾气的气液分离内件，往往是在尾气管横截面上或者净氨塔横截面上简单布设一层丝网除沫器。比如，有的企业在其原有尺寸ID3000mm*TL/TL11500mm的净氨塔上加装一层丝网除沫器，有的企业在其原有尺寸ID3600mm*TL/TL33850mm的净氨塔上加装一层丝网除沫器。而有的企业的净氨塔有好几套，项目又是经设计院EPC总包的，部分净氨塔壁厚及塔基对新增内件承重沒有裕量，只得对部分净氨塔安装丝网除沫器。

      对于中低气速、尤其是低气速工况的净氨塔来说，安装了丝网除沫器对尾气的分离肯定要比没有气液分离内件的效果要好。但是，不适合中速、中高气速工况的净氨塔，丝网除沫器对尾气中液体的分散作用更强于分离，因而效果不佳。有的客户反馈说，在以前没有安装气液分离内件的净氨塔，正常稳定工况下排放的尾气带有小液沫，工况波动时，就会下大雨点。安装了丝网除沫器后，正常稳定工况下排放的尾气也有小液沫，工况波动时也会下大雨点。而且，丝网除沫器会结垢，压降上升快，憋压尾气排气不畅，几个月就得更换丝网内件。

       如果安装丝网除沫器后的净氨塔排放尾气带液没有明显改善，主要原因如下：一、丝网除沫器选型不对，除沫效果不佳。可以参照原装进口的YORK 431及以上标准去选用。二、安装位置不当。气流从净氨塔流到尾气管，流体流型流态会产生收缩效应。如果内件布设位置未经精准动力学分离技术设计平台计算确认准确，则洗涤塔横截面上布设的一层丝网除沫器只有部分处于正常工作状态，另一部分处于非正常工作状态甚至不工作，其分离效率肯定不佳。三、原来的净氨塔塔径设计偏小，其塔径决定丝网除沫器的过流面积；丝网过流面积越小，过流气速越大；过流气速越大，丝网除沫器对尾气液沫的分散作用越强于分离作用。因此，该情况下在净氨塔横截面上无论布设哪种类型的丝网除沫器，效果都不会理想。更毋庸说，有的丝网除沫器还布设在尾气管横截面上的效果。

      这里以某企业的具体工况为例，进行进一步分析：该企业有·4套碳化尾气净氨塔，每套净氨塔运行工况基本相同。精盐水合计循环总量为1300m^3/h,也即每套净氨塔循环精盐水量为325m^3/h。每套净氨塔的尾气处理量31500m^3/h。净氨塔顶部尾气工况温度42℃，工况压力70kPaG。每台净氨塔上部有4m高圈，塔径3.6m，安装丝网，尾气管直径1m，尾气管高12m。正常工况时，尾气管气液挟带为小液滴。出现波动工况时，有大量盐卤水从尾气带出。业主希望诺卫能源技术公司采用羽叶分离器为其进行技术升级改造。

       NOVEL公司针对上述工况，通过NOVEL精准动力学分离技术设计平台完成的上述净氨塔尾气分离专用羽叶分离器方案摘录如下：

一、分离技术类型：NOVEL P6E型羽叶分离器；

二、预聚结分配内件组型号：G50D1000/4；

三、精密羽叶分离内件组型号：G50-EDP-764-1000;

四、抗“虹吸”降液内件组型号：G50LD1000/4；

五、运行压降：0.06psi;

六、分离效率：99.99%分离脱除6.33微米及以上尺寸液滴液沫，尾气出口残液量低于0.1G/MMSCF。

       NOVEL公司针对上述工况通过NOVEL精准动力学分离技术设计平台输出的上述净氨塔尾气专用羽叶分离器《数图汇表》如下图：

       下图是NOVEL公司关于纯碱装置碳化尾气净氨塔专用羽叶分离器技术资料单行本摘录：

      现在，我们再来从丝网除沫器内在结构和运行机制上分析其发生前述问题的主要原因，在于：
1、从分离内件结构上看，丝网内件结构简单，缺少独立输送液流通道，气液二次返混明显。
2、从分离运行机制上看，丝网分离内件依靠纤维丝“架桥”形成**小小不同孔径按高斯分布的“网格”以阻挡拦截方式进行分离，丝网内件中部分小孔径“网格”在有效拦截尾气液滴液沫的同时，而部分液滴则从部分大尺寸孔径“网格”漏过发生逃逸，气液分离效率不稳定。
3、从气液混和流态流型上看，丝网内件分离下来的液流流向，与气流流向相同或相反，形成更明显 “返混”“二次携带”，很不利于气液分离。
4、丝网分离内件，只有单独一级分离单元数，对从大孔径“网格”逃逸的液滴液沫“漏网之鱼”无能为力。

      羽叶分离除雾器，相对于传统丝网式分离内件，具有如下显著性能优势：
1、从分离内件结构上看，羽叶分离内件组内部结构上设置有相互独立的气流输送通道、液流输送通道，有效避免气液二次返混。
2、从分离运行机制上看，羽叶分离内件组有效利用气流本身携带的动能、动量和液滴表面自由能，协同完成包括矢量分离、聚结分离、表面自由能捕集分离协同发挥，分离效率稳定，操作弹性大，运行压降低，不易产生堵塞，与丝网和滤芯的传统简单的阻挡拦截方式分离机制有本质区别。
3、从分离级数上看，羽叶分离内件组在气流通道上设置4-6级串联重复分离单元，任何从上一级分离单元逃逸的液滴液沫，会被后续串行分离单元连续捕集分离，确保尾气分离效率和高操作弹性。比如，在第1级分离单元气液分离效率为90%，也即该单元释出气流中液滴液沫逃逸率或残存率为10%；气流后经第2级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率变为10%*10%；气流又经第3级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率变为10%*10%*10%；气流再经第4级分离单元捕集分离，该单元气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率变为10%*10%*10%*10%；以此类推，羽叶分离内件组在气流通道上设置的串联重复分离单元级数越多，羽叶分离器最终释出的气流中液滴液沫总体逃逸率或总体残存率越低。
4、从气液混和流态流型上看，羽叶分离内件组内设置的液流流向与气流流向，相互正交，创造出十分利于动力学气液分离的硬件条件。

       羽叶分离器，作为对传统简易分离设备的升级换代技术设备，其具有如下量化的性能特点和比较优势：
1、羽叶分离器，以NOVEL精准动力学分离技术设计系统平台为基础技术支撑完成可靠技术方案设计，其针对气流中液滴液沫和粉尘的分离脱除效率高，通常能实现以99.99%以上高分离效率、定量精准脱除5-10微米及以上尺寸的液滴液沫。而传统分离器，难以对气液混合流体实现高效定量精准分离。  
2、羽叶分离器，对气液分离工况下的操作弹性更大，其操作弹性空间在15%~130%，即便在工况大幅波动情形下也具有优异的抗“虹吸”和防气流“短路”性能，确保气液分离效率。传统简易分离器，其操作弹性上限阀值在110%甚至更低，难以适应实际运行多工况条件。
3、羽叶分离器，在相同工况和分离效率要求条件下，其分离器尺寸和占地更小。在相同工况和分离效率要求条件下，羽叶分离除雾器直径和壁厚比传统分离器减小 30-40%；在相同工况和分离效率要求条件以及相同设备尺寸前提下，羽叶分离除雾器处理能力又比传统分离器提高50%甚至更高。
4、羽叶分离器，配置羽叶分离内件组设计成可拆装式结构，既可实现塔内清理模式，也可在大修期间酌情抽出塔体外清理，维护简单便捷。  
5、从羽叶分离专利技术设备运行工作曲线上看，该分离器在超长寿命周期内运行压降稳定，分离效率稳定，是满足质量管理体系要求的理想之选。而传统丝网分离器运行工作曲线，则是由大幅波动的一串锯齿形组成，在技术选型上与质量管理体系要求背道而驰。

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