硫酸铵生产基本工艺

冶金焦化

2021年6月4日 11:42

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◆硫酸铵生产工艺

一、饱和器法硫酸铵生产工艺流程
1. 鼓泡式饱和法
由鼓风机来的焦炉煤气，经电捕焦油器后进入煤气预热器。在预热器内用间接蒸汽加热煤气到 60～70℃或更高的温度，目的是为了使煤气进入鼓泡式饱和器蒸发饱和器内多余的水分，保持饱和器内的水平衡。预热后的煤气沿饱和器中央煤气管进入饱和器，经泡沸伞从酸性母液中鼓泡而出，同时煤气中的氨被硫酸所吸收。煤气出饱和器后进入除酸器，捕集其夹带的酸雾后，被送往粗苯工段。
鼓泡式饱和器后煤气含氨一般小于 0.03g/m3。冷凝工段的剩余氨水经蒸氨后得到的氨气，在不生产吡啶时，直接进入饱和器；当生产吡啶时将此氨气通入吡啶中和器。氨在中和器内与母液中的游离酸及硫酸吡啶作用，生成硫酸铵，又随中和器回流母液返回饱和器。饱和器母液中不断有硫酸铵生成，在硫酸铵含量高于其溶解度时，就析出结晶，并沉淀于饱和器底部。其底部结晶被抽送到结晶槽，在结晶槽内使结晶长大并沉淀于底部。结晶槽底部硫酸铵结晶放到离心机内进行离心分离，滤除母液，并用热水洗涤结晶，以减少硫酸铵表面上的游离酸和杂质。离心分离的母液与结晶槽满流出的母液一同自流回饱和器中。从离心机分离出的硫酸铵结晶经螺旋输送机，送入沸腾干燥器内，用热空气干燥后送入硫酸氨储斗，经称量包装入成品库。
为了使饱和器内煤气与母液接触充分，必须使煤气泡沸伞在母液中有一定的液封高度，并保证饱和器内液面稳定，为此在饱和器上还设有满流口，从满流口溢出的母液经插入液封内的满流管流入满流槽，以防止煤气逸出。满流槽下部与循环泵链接，将母液不断地抽送到饱和器底部的喷射器。因而一定的喷射速度，故饱和器内母液被不断循环搅动，以改善结晶过程。煤气带入饱和器的煤焦油雾，在饱和器内与硫酸作用生成所谓的酸煤焦油，泡沫状酸煤焦油漂浮在母液面上，并与母液一起流入满流槽。漂浮于满流槽液面上的酸煤焦油应及时捞出，或引入一分离处理装置与母液分离，以回收母液。饱和器内所需补充的硫酸，由硫酸仓库送至高置槽，再自流入饱和器，正常生产时，应保持母液酸度为 4%～6%，硫酸加入量为中氨的需要量；当不生产粗轻吡啶时，硫酸加入量要大一些，还要中和随氨气进入饱和器的氨。饱和器在操作一定时间后，由于结晶的沉积将使其阻力增加，严重时会造成饱和器的堵塞。所以操作中必须定期进行酸洗和水洗。当定期大加酸、补水、用水冲洗饱和器及除酸器时，所形成的大量母液有漫流槽满流至母液储槽。在正常
生产时又将这些母液抽回饱和器以作补充。饱和器是周期性连续操作设备，为了防止结晶堵塞，定期大加酸和水洗，从而破坏了结晶生成的正常条件，加之结晶在饱和器底部停留时间短，因而结晶颗粒较小，平均直径在 0.5mm。这些都是鼓泡式饱和器存在的缺点。
2 2 ．喷淋式饱和器法
喷淋式饱和器分为上段和下段，上段为吸收室，下段为结晶室。
由脱硫工序来的煤气经煤气预热器预热至 60～70℃或更高温度，目的是为了保持饱和器水平衡。煤气预热后，进入喷淋式饱和器的上段，分成两股沿饱和器水平方向沿环形室做环形流动，每股煤气均经过数个喷头用含游离酸量 3.5%～4%的循环母液喷洒，以吸收煤气中的氨，然后两股煤气汇成一股进入饱和器的后室，用来自小母液循环泵（也称二次喷洒泵）的母液进行二次喷洒，以进一步除
去煤气中的氨。煤气再以切线方向进入饱和器内的除酸器，除去煤气中夹带的酸雾液滴，从上部中心出口管离开饱和器再经捕雾器捕集下煤气中的微量酸雾后到终冷洗苯工段。喷淋式饱和器后煤气含氨一般小于 0.05g/m3。饱和器的上段和下段以降液管联通。喷洒吸收氨后的母液从降液观念流到结晶室的底部，在此结晶核被饱和母液推动向上运动，不断地搅拌母液，使硫酸铵晶核长大，并引起颗粒分级。用结晶泵将其底部的浆液送至结晶槽.含有小颗粒
的母液上升至结晶室的上部，母液循环泵从结晶室上部将母液抽出，送往饱和器上段两组喷洒箱内进行循环喷洒，使母液在上段与下段之间不断循环。饱和器的上段设满流管，保持液面并封住煤气，使煤气不能进入下段。满流管插入漫流槽 7 中也封住煤气，使煤气不能外逸。饱和器满流口溢出的母液流入漫流槽内的液封槽，再溢流到满流槽，然后用小母液泵送至饱和器的后室喷洒。
冲洗和加酸时，母液经漫流槽至母液储槽，再用小母液泵送至饱和器。此外，母液储槽还可供饱和器检修时储存母液之用。结晶槽的浆液经静置分层，底部的结晶排入到离心机，经分离和水洗的硫酸
铵晶体由胶带输送机送至振动式流化床干燥器，并用被空气热风机加热的空气干燥，再经冷风冷却后进入硫酸铵储斗。然后称量、包装送入成品库。离心机滤出的母液与结晶槽满流出来的母液一同自流回饱和器的下段。干燥硫酸铵的尾气经旋风除尘器后由排风机排放至大气。为了保证循环母液一定的酸度，连续丛母液循环泵入口管或满流管处加入质量分数为 90%～93%的浓硫酸，维持正常母液酸度。由油库送来的硫酸送至硫酸储槽，再经硫酸泵抽出送到硫酸高置槽内，然后自流到满流槽。喷淋式饱和器生产硫酸铵工艺，采用的喷流式饱和器，材质为不锈钢，设备使用寿命长，集酸洗吸收、结晶、除酸、蒸发为一体，具有煤气系统阻力小，结晶颗粒较大，平均直径 0.7mm，硫酸铵质量好，工艺流程短，易操作等特点。新建改建焦化厂多采用此工艺回收煤气中的氨。
二、影响硫铵结晶粒度因素的控制
焦化厂炼焦煤气中氨的回收，普遍采用饱和器法生产硫铵。由于硫铵结晶过程受多种因素影响，生产中一旦某种因素控制不当，就会造成产品颗粒碎小，水分、酸度超标，影响产品质量。因此，找出影响硫铵结晶粒度的关键因素，寻求最佳操作方法，成为一个重要课题。
1 1 ．硫铵结晶原理
硫铵的结晶属于反应过程，主要由反应、过饱和溶液的形成、晶核的产生和晶体的成长几个阶段组成。随着反应的进行，形式过饱和溶液，达到一定过饱和度时，析出固相微观晶粒，这是晶核的形成过程，也称为初级成核，接着是晶核的长大也称为晶体的生长过程。同时，由于晶液的流动，晶体之间及晶体与设备之间的摩擦、碰撞，液体对晶体表面的冲刷，又产生新的晶核，称为二次成核。
通常晶核的形成和晶体的成长是同时进行的。在结晶过程中，无论是晶核的形成，还是晶核的生长，都要消耗溶液中的溶质，均以一定的过饱和度为推动力。每一粒晶体都是由一粒晶核生长而成的，在一定条件下，如果晶核成核速率越大，晶核的生成量越多，溶液中有限的溶质要同时供应大量的晶核生长，晶核的生长速率就越慢，结果导致大量的细小结晶；反之，晶核的生成量越少，结晶粒度就会长得越大。可见，晶核的生成速率和晶核的生长速率是此消彼长的关系，如能控制这两种速率，便可控制结晶的粒度。
此外，结晶条件对产品的粒度也有很大的影响，如温度、搅拌、酸度、杂质等都以一定的方式影响结晶过程。
2. 影响硫铵结晶粒度的因素
根据结晶原理分析，影响硫铵结晶粒度的因素，归纳起来，主要有以下几项：
(1)饱和器工作温度
(2)母液的搅拌程度
(3)母液的酸度和加酸制度
(4)母液的晶比
(5)母液中的杂质
生产中对一定工艺条件来说，影响较大的往往是哪些变化频繁，或在量的变化上敏感的因素，并且由于产生的结果滞后而增加了控制上的度。对上述几个因素进行分析可以发现，饱和器工作温度和母液的搅拌程度变动不大，可以说近似恒定；母液的酸度、晶比随时间呈周期性变化，比较频繁，控制不当，对结晶粒度将产生很大影响；母液中的杂质的影响，在量的变化上比较敏感，一般来说带有很大的偶发性，可是一旦发生，对生产的影响很大。所以，母液的酸度、晶比、杂质含量，是生产控制的重点。
三、影响因素的控制
1 3.1 母液酸度
母液酸度对硫铵结晶的影响主要表现在两个方面：一是酸度的高低对结晶形状的影响，二是酸度的频繁变动破坏了结晶的正常生长条件。在一定条件下，随着母液酸度的提高，母液的介稳区减小，硫铵晶形从多面体颗粒转变为细长易碎的六角棱柱形，甚至针状，同时，母液黏度增大，硫铵分子扩散阻力增加，阻碍晶体的正常生长；但是过低也不行，虽然硫铵结晶在 pH5～6 的弱酸性介质中生
成较大的圆形晶体，但是使氨的吸收效率下降，还易造成饱和器堵塞，特别是当母液搅拌不充分或酸度发生波动时，可能在母液中局部出现中性或碱性区，母液中的杂质铁等金属离子和铵生成胶态氢氧化物，并蒙在硫铵晶体上，使晶体成长困难和结晶过程复杂化，而且当母液酸度低于 3.5％时，因母液密度下降易产生泡沫，使饱和器操作恶化。为避免这些影响，必须在酸性介质中进行结晶，正常生产时，母液酸度保持在 4％～6％为宜。酸度对结晶粒度的影响还表现在定期向系统大加酸时，母液酸度大幅度提高，使母液中的晶种消失，破坏了结晶的正常生长条件。再次结晶时，在较高饱和度下发生初级成核，使母液中的细小结晶增多。因此要生产大颗粒结晶硫胺，应减少大加酸的次数，如把每班一次大加酸改为 1～2 天一次，尽量延长饱和期的稳定操作时间。
2 3.2 母液晶比
母液中所含硫胺结晶的体积与母液和结晶总体积的比，称为晶比。对饱和器中晶比的控制，是控制硫胺结晶粒度的重要措施。从结晶原理可以知道，如能控制成核速率和晶核的生长速率便可控制晶体的粒度。然而，在生产中这两种速率是极不易控制的，无论是爆发式的初级成核，还是因摩擦碰撞产生的二次成核都很难控制，生成的晶核总是过量，即成核速率过高。晶核的生长速率相对于成核速率来说是很慢的，在其他条件不变时主要取决于母液的过饱和度，提高过饱和度可以加快晶体的生长。过饱和度的高低，在一定温度下取决于母液中晶核的数量。当母液中存在足量晶核时，新生成的硫胺溶质完全用于晶体的生长，过饱和度趋于稳定，晶体处于稳定的生长环境中。生产中采用控制晶比的办法来控制过饱和度，达到控制晶体粒度的目的。晶比的大小直接影响结晶的粒度。晶比过大时由于摩擦碰撞机会增多，大颗粒结晶被破碎，使二次成核量增大，晶体成长速率减慢，晶体粒度减小，并使母液搅拌阻力增加，导致搅拌不良，同时减少了氨与硫酸反应所需的容积，不利于氨的吸收，还易加重堵塞情况；晶比太小可能出现晶核量少，使过饱和度升高，产生大量的初级成核，使结晶粒度减小，晶比太小，使取出次数增加，缩短了晶体的生长时间，同样使晶体粒度减小。因此，母液中必须控制一定的晶比，以利得到大颗粒硫胺。晶比的控制原则应是：避免初级成核，适当控制二次成核，尽量延长晶体的
生长时间。对晶比的控制，除在量上控制晶比外，还要对结晶的形状、色泽进行观察，预测饱和器内结晶情况，结合实际取出结晶粒度进行判断调节。如果发现晶液中结晶细小，且取出晶粒也小，则应考虑是否酸度过高，还是晶比高低不当，成核过多所致；如果不仅结晶细小而且着色，则应考虑杂质影响。正常生产中晶比的控制，最小不低于 10％，达 30％时取出为宜。
3 3.3 杂质
溶液中的杂质，对结晶过程的所有阶段都产生影响。硫铵母液中杂质的种类和含量，主要取决于所采用的工艺流程、硫酸质量、用水质量和设备的防腐质量。母液中所含的可溶性杂质主要有铁、铝、铜、铅、锑、砷等各种盐类，多半来自硫酸、设备腐蚀和工业用水，这些离子吸附在硫铵结晶的表面，遮盖了结晶表面的活性区域，使结晶成长缓慢；有时由于杂质在一定晶面上的选择性吸附，以致形成细小畸形颗粒。金属离子对硫铵晶体的生长有较大影响，尤其是铁离子影响最大，即使在母液中含量极少，也会使晶体生长速率显著下降。例如三价铁离子会促使介稳区扩大，减慢结晶速度，在溶液中含量达 0.1％时会促使硫铵结晶变长，而在较高浓度时导致生成针状晶体。这种晶体会在生产过程中大量破碎，使成品硫铵的粒度大幅减小。此外，母液中的不溶性杂质如煤焦油雾，有时也会与母液形成稳定的乳浊液附着在晶体表面，阻碍晶体生长。
母液中的杂质不仅影响硫铵的晶形和晶体成长，而且还使单位时间内晶体体积总增长量小于饱和器中硫铵生成量，打破固液平衡，使母液的过饱和度升高，不仅使晶体强度降低，同时形成大量针状晶核，迅速充满溶液中，破坏正常操作。因此，必须在工艺、设备等方面采取有效措施，从根源上减小杂质的进入。

◆工艺｜硫酸铵生产中产品颜色总变，咋回事？

硫酸铵生产中因各种原因都会出现颜色变化，解决硫酸铵变色的问题需要多方面分析，采取有效措施。

我厂采用的是喷淋式饱和器生产硫酸铵的工艺。我厂自投产以来，发现硫酸铵出现过黑色、灰色等不同的颜色，生产出了质量不合格的产品。在出现问题解决问题的过程中总结了一些经验。

正常情况下，纯态的硫酸铵为无色长菱形晶体，密度为1766kg/m³。分子量为132.15，优等品硫酸铵含氮≥21%，由于杂质的影响往往带有灰色或暗黑色等不同的颜色。结晶多为针状、片状或粉末状，成型的颗粒很小，氮含量下降。影响硫酸铵质量的因素很多，如：硫酸浓度、母液温度、饱和器阻力等等。

硫酸铵颜色发黑或灰色

硫酸铵变黑的原因主要有以下几个方面：电捕焦油器出现故障，除焦油效果不好；原料氨水含焦油量大，造成在蒸氨过程中焦油随氨气进入硫铵系统；使用的硫酸质量不好；母液贮槽抽空，把上面漂浮的酸焦油抽入饱和器中。

发现的问题和采取的措施

（1）一般情况下是由于鼓冷工段电捕焦油器出现故障，电捕焦油器中的焦油含量超标。这时的硫酸铵颗粒会被观察到明显的杂质。由于焦油含量超标，大量焦油进入硫酸铵母液中，并与母液中的酸反应形成大量的酸焦油，在大母液泵的循环作用下，大量的酸焦油与硫酸铵母液混合，使硫酸铵母液颜色也变为黑色，硫酸铵母液变黑一般都是受焦油影响。这时我厂采取的措施主要是：尽快回复电捕正常工作，适当提高电捕电压，加强冲洗电捕的频次，由1月1次改为半月1次；增加满流槽捞酸焦油次数，由1小时1次改为半小时1次。

（2）剩余氨水槽中焦油较多，焦油随氨水进入蒸氨塔内，进入饱和器的氨气夹带杂质、水汽增多，与晶比结合，使硫酸铵颜色发灰、黑，我厂采取的措施是：对蒸氨塔至饱和器氨气管道水封进行清理，减少氨气中的冷凝液（焦油等杂质）进入饱和器内；将蒸氨塔顶部分缩器换热面积加大，及时将氨气中夹带的杂质冷凝下来，减少氨气中的杂质；控制蒸氨剩余氨水含油，加强剩余氨水槽放焦油工作，每2小时放1次，尽量减少剩余氨水中焦油的含量。

（3）饱和器内的母液中主要杂质有铁盐、铝盐、硫氰酸盐、各种砷化物和各种有机化合物，如：酚、吡啶、萘及焦油的各种组分等。母液中的这些杂质，在一般情况下对结晶成长均有害无利，杂质盐类的离子吸附在结晶表面，遮盖了结晶表面的活性区域，使结晶增长速度减慢。有时由于杂质在一定晶面上选择吸附，限制了结晶成长，影响结晶颗粒和色泽。这也是变色硫酸铵颗粒较小的原因之一。为保证硫酸铵纯度，在使用硫酸的时候，我厂在进厂原料方面选择性价比较高的厂家而且长期合作的客户优先；进厂硫酸化验不合格严禁卸车。

（4）每三个月进行一次大加酸水洗（将酸度控制在15%，再进行水洗，以保证对饱和器进行充分洗涤），保障设备畅通。

（3）缩短母液槽清理周期，由1年1次改为半年1次，减少母液槽底部沉积的晶比。

硫酸铵生产中颜色变化比较普遍，为预防生产出不合格颜色的硫铵产品，需要在生产中时时观察，时时调整，针对不同的问题选择不同的措施解决不同的颜色变化情况。