Terugwinning van ammoniak tijdens de productie van cokes uit cokeskolen

Herwinning van ammoniak tijdens de productie van cokes uit cokeskolen

Ammoniak (NH3) is een bijproduct dat ontstaat bij de productie van cokes uit cokeskolen in de cokesovens als bijproduct. Het is een bestanddeel van het cokesovengas (COG) dat de cokesovens verlaat, met een typische concentratie in het ruwe COG van 6 gram per normale kubieke meter (g/N cum). De oplosbaarheid van NH3 in water leidt tot zijn aanwezigheid in de spoelvloeistof van een cokesovenbatterij (COB) met een typische concentratie van 5 gram per liter (g/l) tot 6 g/l totaal NH3. Door de netto productie van spoelvloeistof in de COB, soms ook wel overtollige spoelvloeistof genoemd, ontstaat er dus zowel een vloeistofstroom als een gasstroom waaruit NH3 moet worden verwijderd. De hoeveelheid overtollige vloeistof is ongeveer 12% van de droge steenkooldoorvoer, die afhankelijk is van het steenkoolvochtgehalte.

Het verwijderen van NH3 uit de gasstroom is een universeel kenmerk van een cokesoven en bijproductenfabriek. Dit komt omdat NH3, in aanwezigheid van de andere COG-verontreinigingen waterstofcyanide (HCN), waterstofsulfide (H2S), zuurstof (O2) en water, extreem corrosief is voor pijpleidingen van koolstofstaal. Wanneer ammoniak ongecontroleerd wordt verbrand in een verbrandingskamer, vormt het ook stikstofoxiden (NOx) die luchtvervuiling veroorzaken. Daarom moet om milieuredenen ook NH3 uit COG en vloeistofstroom worden verwijderd.

Het primaire NH3-verwerkingsproces in de cokesoven en bijproductenfabriek betreft de verwijdering en verwijdering van de NH3 die aanwezig is in het COG. NH3-terugwinningssystemen bevatten echter vaak voorzieningen om de NH3 die in de overtollige spoelvloeistof ontstaat, te verwerken. Voor een goed begrip van hoe deze voorzieningen zijn opgenomen in het algehele NH3-behandelingssysteem, wordt eerst de behandeling van NH3 in de overtollige spoelvloeistof beschreven en vervolgens worden de belangrijkste processen voor het verwijderen van NH3 uit COG beschreven.

Behandeling van overtollige spoelvloeistof

Op sommige plaatsen kan overtollig spoelvloeistof zonder voorafgaande behandeling worden afgevoerd met behulp van diepe putinjectie. Een vroeger gebruikelijke praktijk is om de overtollige spoelvloeistof te gebruiken voor het blussen van de hete cokes, hoewel deze praktijk om milieuredenen niet langer acceptabel is. Bij afwezigheid van dergelijke eenvoudige verwijderingsmethoden zijn de resterende alternatieven de verwijdering van het grootste deel van de NH3 uit de vloeistof door destillatie, normaal gevolgd door een definitieve behandeling in een biologische afvalwaterzuiveringsinstallatie (BET). Het is mogelijk om alleen BET te gebruiken om NH3 uit overtollig spoelvloeistof te verwijderen, maar de omvang en bedrijfskosten van een BET-installatie worden aanzienlijk verminderd wanneer de voorlopige verwijdering van NH3 door middel van destillatie wordt gedaan.

Destillatie van overtollige spoelvloeistof omvat het toevoeren van de vloeistof naar de top van een destillatiekolom met schotels, gewoonlijk NH3-destillatieketel genoemd, en het voeden van een tegenstroom van stripstoom aan de onderkant. De stripstoom destilleert de NH3 die met de topdampen vertrekt en doorgaat voor verdere behandeling. De gestripte vloeistof wordt vanaf de bodem van de destillatieketel gepompt en gekoeld voordat het wordt geloosd op het lokale riool of naar de BET-fabriek. Typische niveaus van totaal NH3 in de gestripte vloeistof variëren van minder dan 50 ppm (parts per million) tot 150 ppm.

Het is niet goed mogelijk om al het in overtollige spoelvloeistof aanwezige opgeloste NH3 met stoom te strippen. De vele chemische stoffen die in spoelvloeistof aanwezig zijn, leiden tot de vorming van verschillende ammoniumzouten in oplossing. Deze omvatten onder andere ammoniumcarbonaat, chloride en sulfaat. Zouten zoals ammoniumcarbonaat worden gemakkelijk ontleed door warmte in de destillatieketel om vrije NH3-moleculen op te leveren. Andere zouten zoals ammoniumchloride en sulfaat worden echter niet afgebroken en behouden de NH3 in een vaste vorm. De fractie van vast NH3 tot totaal NH3 in overmaat spoelvloeistof ligt typisch in het bereik van 20% tot 50%. Om de destillatie van de vaste NH3 mogelijk te maken, moet de overtollige spoelvloeistof alkalisch worden gemaakt. De volgende typische reactie vindt dan plaats, waarbij vrije moleculen van NH3 vrijkomen.

NH4+ + OH- =NH3 + H2O

De toevoeging van alkali wordt bepaald door massabalans, gebaseerd op chemische analyse van de overtollige vloeistof om de concentratie van de aanwezige vaste NH3 te geven.

De vorm van alkali die wordt gebruikt bij de destillatie van overtollig spoelvloeistof is in de loop der jaren veranderd. Jarenlang werd een suspensie van calciumhydroxide (kalk) gebruikt. Dit materiaal had het voordeel van lage kosten en gemakkelijke beschikbaarheid, maar de vorming van onoplosbare calciumzouten zoals calciumcarbonaat veroorzaakte een groot probleem met vervuiling. De NH3-ketels vereisten een aanzienlijk overontwerp om verder te kunnen werken terwijl ze gedeeltelijk vervuild waren, maar desondanks moesten ze regelmatig buiten dienst worden gesteld voor reiniging. Om het probleem van vervuiling te voorkomen, is ook natriumcarbonaat (natriumcarbonaat) gebruikt. Dit heeft het voordeel dat er geen onoplosbare zouten worden gevormd, maar dat er wel onzuiverheden aanwezig kunnen zijn die vervuiling veroorzaken en dat opslag- en mengapparatuur op locatie nodig is. Een omgevingsfactor bij het gebruik van reagentia zoals kalk en natriumcarbonaat, is dat eventuele gevormde onoplosbare afzettingen een probleem met de verwijdering van vast afval kunnen veroorzaken.

De over het algemeen gemakkelijke beschikbaarheid en gemakkelijke hantering van natriumhydroxide (NaOH) (natronloog) oplossing is momenteel de voorkeur voor het huidige ontwerp van NH3-ketels. NaOH is de duurste van de alkaliën die traditioneel worden gebruikt, maar het verbruik ervan kan nauwkeurig worden gecontroleerd, wat van groot voordeel is wanneer er beperkingen worden opgelegd aan de pH van nog steeds afvalwater. De niet-vervuilende eigenschappen van NaOH maken het gebruik van zuinigere stille ontwerpen mogelijk, met klepschotels in plaats van de traditionele bellendopschotels. In de praktijk wordt NaOH nog steeds in de buurt van, maar niet bij, de bovenste schaal in de NH3 geïnjecteerd. Hierdoor kunnen opgeloste zure gassen zoals HCN en H2S eerst uit de vloeistof worden gestript, voordat ze kunnen reageren met NaOH om vaste zouten te vormen.

De constructiematerialen voor NH3-ketels worden gekozen vanwege hun corrosieweerstand. Van oudsher werd gietijzer gebruikt, met royale toleranties voor corrosie, hoewel het nu vaak zuiniger is om materialen zoals Hastelloy (een legering op nikkelbasis), titanium en roestvrij staal (kwaliteit 316) te gebruiken. De bovenste delen van NH3-ketels, waar zowel NH3- als zure gassen aanwezig zijn, vereisen over het algemeen het gebruik van zeer corrosiebestendige materialen.

Een veelvoorkomend bedrijfsprobleem bij de destillatie van overtollige spoelvloeistof is de aanwezigheid van teeroverdracht die kan leiden tot ernstige vervuiling in de destillatieketel. De gebruikelijke oplossing voor dit probleem is het installeren van zand- of grindbedfilters in de overtollige spoelvloeistoftoevoerleiding. Deze worden handmatig of automatisch bediend. De verwijderde teer wordt teruggespoeld naar de teer- en drankkaraffen.

Herwinning van ammoniak uit cokesovengas

Op dit moment zijn er drie methoden die worden gebruikt voor het terugwinnen van NH3 uit het COG. Deze staan ​​bekend als (i) ammoniumsulfaatproces, (ii) Phosam-proces en (iii) waterwasproces.

Ammoniumsulfaatproces – Dit proces verwijdert NH3 uit het COG door absorptie in een oplossing van ammoniumsulfaat [(NH4)2SO4] en zwavelzuur (H2SO4). De absorptiereactie is 2NH3 + H2SO4 =(NH4)2SO4. Het door de reactie van NH3 met H2S04 gevormde ammoniumsulfaat wordt door kristallisatie teruggewonnen. De kristallen worden vervolgens gecentrifugeerd, gewassen en gedroogd. De verschillende ammoniumsulfaatprocessen die in bedrijf zijn, verschillen in het type gas/vloeistofcontactapparaat en het type kristallisatieapparatuur dat wordt gebruikt. De procesapparatuur van het ammoniumsulfaatproces wordt hieronder beschreven.

Een vroege methode en nog steeds zeer algemeen gebruikt proces maakt gebruik van een dompelbuis die zich onder het oppervlak van de zuur/ammoniumsulfaatoplossing uitstrekt in een vat dat een verzadiger wordt genoemd. Saturator is een cilindrisch vat met een conische bodem. Het is voorzien van een bubbler-kap, die een kanaal is dat verlengd wordt tot het midden van de verzadiger. Het kanaal heeft een kap aan de onderkant voorzien van schoepen zoals opstelling. Een andere ringachtige structuur met kleine openingen bevindt zich in het conische gedeelte, dat wordt gebruikt voor stikstof (N2) voeding. Aan de bovenkant van de verzadiger bevinden zich warmwaterringen. De verzadiger wordt altijd onderhouden met een zuurbad, liquor genaamd, dat 4% tot 5% H2SO4 bevat. COG wordt door de dompelbuis geleid en gas/vloeistofcontact wordt veroorzaakt wanneer de gasbellen omhoog bewegen door de oplossing in de verzadiger. Zuur wordt continu aan de verzadiger toegevoegd. Tijdens deze periode reageert het in het gas aanwezige NH3 met het H2SO4 in de vloeistof om ammoniumsulfaat te vormen. Door de reactiewarmte tussen NH3 en H2SO4 verdampt water in het COG. De concentratie van ammoniumsulfaat bereikt een verzadiging, waardoor kristallen zich direct in de verzadiger vormen waar ze mogen groeien totdat ze uit het proces worden verwijderd. Door middel van agitatie en circulatie van de oplossing worden de fijne kristallen vastgehouden in de procesoplossing van 'moederloog' zoals die bekend is. Het aldus gevormde ammoniumsulfaat bezinkt op de bodem van de verzadiger.

Stikstof wordt toegevoerd aan de verzadiger om te roeren. De stroom van N2 naar de verzadiger wordt normaal gehouden op 450 kubieke meter per uur (cum/h) tot 550 cum/h. Zuivere N2 wordt in de verzadiger gespoeld door N2-ringen bij een druk van ongeveer 6 kg/cm2. N2-zuivering verhoogt de kristalgroei.

H2SO4 (98%) wordt naar de verzadiger gevoerd om de zuurgraad in de verzadiger te behouden. Het gas dat zich bovenaan de verzadiger verzamelt, wordt naar de zuurvanger gevoerd. Naarmate het gas opstijgt, kan een deel van het kristal met het gas worden meegevoerd en worden ze op de wanden van de verzadiger bovenaan gestapeld. Vervolgens wordt het hete water door de daarvoor bestemde ring gespoten. Het kristal dat aan de wanden van de verzadiger is bevestigd, wordt weggespoeld. Wanneer er heet water op wordt gesproeid, neemt de concentratie van de vloeistof af. Dus de zuurconcentratie in de inlaat wordt gedurende de periode verhoogd tot ongeveer 6% tot 7%. Na de reactie wordt de moederloog continu naar de circulatietank aan de zijkant van de verzadiger gezogen. Dit fungeert ook als een afdichting voor de verzadiger. Vanuit de circulatietank wordt de moederloog naar de moederloogtank gevoerd. De kristallen die zich op de bodem verzamelen, worden met behulp van een pomp naar de kristalopvangtank gevoerd

De uitlaat van de verzadiger bevat wat zure mist. Om de zure mist te verwijderen, wordt het gas naar de zuurvanger gestuurd. Het is een hol cilindrisch vat. De COG van de verzadiger komt tangentieel in de val. Door de centrifugale beweging wordt de zure nevel afgescheiden. Het zuur dat op de bodem wordt verzameld, wordt naar de circulatietank gevoerd. Na het verwijderen van de zure nevel wordt het COG naar de benzolterugwinningssectie van de bijproductfabriek gevoerd.

Ammoniumsuspensie van de bodem van de verzadiger wordt naar een kristalopvangtank gepompt met een conische bodem waar de ammoniumsulfaatkristallen neerslaan op het conische gedeelte van de tank. De moederloog vanaf de bovenkant van de ontvanger wordt naar de verzadiger gevoerd. De slurry van de bodem wordt naar de centrifuge gevoerd. Het kristal uit de centrifuge bevat wat vocht. Om dit vocht te verwijderen, moeten kristallen worden gedroogd. Droger is meestal een wervelbeddroger. Het principe is gebaseerd op het losmaken van de deeltjes, zodat ze vloeibaar worden door de werking van een luchtstroom met een bepaalde luchtsnelheid. De droger is aan de onderkant voorzien van een zeef, aan de onderkant van de zeef zijn keramische ringen aangebracht. De droger is voorzien van lucht met geforceerde luchtventilator, verwarmd in het kanaal. Een strooier bij de voergoot van de droger verspreidt het voer in alle richtingen.

Geforceerde trekventilator zuigt de atmosferische lucht aan en voert deze naar de droger. De uitblaaskoker van de ventilator is verdeeld in twee secties. De lucht wordt door middel van stoom verwarmd tot 120 ° C tot 150 ° C en de hete lucht wordt vanaf de onderkant van het scherm aangevoerd. De keramische ringen verdelen de lucht in alle richtingen en zorgen ervoor dat de kristallen vloeibaar worden. De temperatuur van de lucht moet voldoende hoog worden gehouden om het vocht uit de kristallen te verwijderen. Aan de afvoerzijde van de droger worden de ammoniumsulfaatkristallen gekoeld.

Wanneer het drukniveau van het gefluïdiseerde bed het instelpunt bereikt dat rond de 300 mm waterkolom (WC) tot 400 mm WC ligt, voert een automatische afvoertoevoer het droge ammoniumsulfaat af naar de bekerelevator. De lift voert het droge product af in de bunker, die het product op zijn beurt naar de verpakkingsmachine voert. De zone boven het wervelbed wordt in het bereik van 5 mm WC tot 10 mm WC gehouden om te voorkomen dat de ammoniumsulfaatdeeltjes uit de droogeenheid naar de stofvanger worden overgebracht.

De lucht uit de droger wordt door de zuigventilator aangezogen en naar de cycloonafscheiders gevoerd. Cycloonafscheider scheidt fijne ammoniumsulfaatkristallen in de lucht en voert naar de bunker. De met kristalstof beladen lucht uit de cyclonen wordt naar de bodem van de stofverzameltank gevoerd die tot een bepaald niveau spoelvloeistof bevat. Hier wordt het kristalstof opgelost in het water en wordt de lucht afgevoerd naar de atmosfeer.

De overtollige drank van de verzadiger komt in de moederloogtank. Elke verzadiger is voorzien van twee moederloogtanks. De ene is verticaal en horizontaal. Eerst komt de drank in de horizontale tank. Omdat de vloeistof een lagere dichtheid heeft dan de teer, blijft deze drijven. Vervolgens wordt de heldere moederloog naar de verticale tank gevoerd. Vanaf de bodem van de verticale tank wordt moederloog via de aanwezige pompen naar de verzadiger gevoerd. De concentratie van de vloeistof wordt op ongeveer 10% tot 12% gehouden.

Het typische stroomschema van een ammoniumsulfaatfabriek waarin overtollige spoelvloeistof is verwerkt, wordt weergegeven in figuur 1.

 Fig 1 Typisch stroomschema van ammoniumsulfaatfabriek

Ammoniumsulfaat wordt ook geproduceerd door de directe reactie van geconcentreerd H2SO4 en gasvormig NH3 in een verdampingskristallisator. Het proces wordt hier beschreven. Vloeibaar NH3 wordt in een verdamper met stoom bij een druk van 16 kg/cm2 ingedampt en met lagedrukstoom voorverwarmd. De stoichiometrische hoeveelheden voorverwarmde gasvormige ammoniak en geconcentreerd H2SO4 (98,5%) worden in de onder vacuüm werkende verdamper-kristallisator gebracht. Deze hoeveelheden worden bijgehouden door een flowrecorder-controller en correct gemengd door een circulatiepomp (van het bovenste deel van de kristallisator naar de verdamper).

De reactie vindt plaats in de kristallisator waar de gegenereerde reactiewarmte verdamping van water veroorzaakt waardoor de oplossing oververzadigd wordt. De oververzadigde oplossing bezinkt naar de bodem van de kristallisator waar het naar een metalen vacuümfilter wordt gepompt waar de ammoniumsulfaatkristallen worden gescheiden, terwijl de moederloog terug naar de kristallisator wordt teruggevoerd.

In het ammoniumsulfaatproces van NH3-terugwinning zijn het genereren van fijne deeltjes die fungeren als de zaden voor nieuwe kristallen en de verwijdering van fijne deeltjes de belangrijkste processen die de grootte van de kristallen bepalen die kunnen worden geproduceerd. Er zijn drie fundamenteel verschillende soorten kristallisatoren, namelijk (i) het type geforceerde circulatie (FC), (ii) het type met turbulentie- of tochtbuisbaffled (DTB) en (ii) het type met gefluïdiseerd bed. In de FC-type kristallisator wordt de volledige inhoud van de kristallisator volledig gemengd en passeren de circulatiepomp en warmtewisselaar honderd keer per uur. Dit geeft de meeste mechanische spanning op de kristallen en leidt tot de vorming van een grote hoeveelheid fragmenten die fungeren als entkristallen. Deze fijne deeltjes groeien uit tot vele kristallen en daarom worden door deze kristallisator kleinere productkristallen geproduceerd. In de DTB-kristallisator passeert de kristalsuspensie de warmtewisselaar niet en als resultaat is het opgenomen vermogen van de circulatiepomp een factor tien keer lager dan bij de FC-kristallisator, wat leidt tot een veel lagere vorming van fijne deeltjes. Daarnaast worden aanwezige fijne deeltjes door een klaringszone uit de kristallisator gehaald en door de verwarming in de warmtewisselaar opgelost. Deze effecten leiden tot een kristalgrootte die 3 tot 4 keer groter is dan wat kan worden bereikt in het FC-type. In de kristallisator van het type gefluïdiseerd bed is er geen pomp die in contact staat met de kristalsuspensie, maar de kristallen worden in een gefluïdiseerd bed gehouden. Hierdoor is de mechanische spanning op de kristallen nog lager. Hierdoor worden de grootst mogelijke kristallen geproduceerd door deze kristallisator, maar voor ammoniumsulfaat is de kristalgrootte die bereikt kan worden slechts iets groter dan met de DTB kristallisator en als de plant overbelast wordt zakt de kristalgrootte in want dan begint de kristallisator te werken vergelijkbaar met de FC-kristallisator.

Bij ammoniumsulfaatkristallisatie is het noodzakelijk om onderscheid te maken tussen reactiekristallisatie en verdampingskristallisatie. Bovendien moet rekening worden gehouden met de prestaties van de verschillende soorten kristallisatoren. Bij reactiekristallisatie, zoals die van ammoniumsulfaat uit H2SO4 en NH3, vinden zowel de reactie die de oververzadiging van de opgeloste stof veroorzaakt als de daaropvolgende kristallisatie van de opgeloste stof plaats in het kristallisatorvat. De oplos- en reactiewarmte voor ammoniumsulfaat is bij gebruik van redelijk geconcentreerde reactanten voldoende om een ​​reactie in de ammoniumsulfaatkristallisator te laten verlopen zonder enige externe energiebron voor verdamping. Het oververzadigingsprofiel en de ammoniumsulfaatkristallisatiekinetiek, evenals de werkwijze van een dergelijke kristallisator zijn anders dan die van een klassieke verdampingskristallisator. In een verdampingseenheid wordt de grondstof onderverzadigd gebracht en moet een verwarmer worden gebruikt in combinatie met een kristallisator om het water in de grondstof te verdampen. De meeste ammoniumsulfaatkristallisatoren, geschat op ongeveer 80 tot 90 %, werken in de verdampingsmodus. De algemene trend is dat reactieve kristallisatie kleinere kristallen produceert, maar een energetisch voordeel heeft ten opzichte van verdampingskristallisatie.

Aangezien ammoniumsulfaat als bijproduct ontstaat bij de terugwinning van NH3 uit COG, zijn er normaal gesproken veel onzuiverheden uit verschillende bronnen. Dit zijn zowel organische onzuiverheden als de anorganische onzuiverheden. De gecombineerde effecten van deze onzuiverheden zijn complex en beïnvloeden de zuiverheid en de kristalvorm en -grootte.

Het traditionele constructiemateriaal voor de verzadiger en alle bevochtigde oppervlakken is met lood bekleed koolstofstaal. Legeringen zoals Monel en roestvrij staal (kwaliteit 316) worden ook gebruikt. Baksteenbekleding wordt gebruikt om de loden bekleding te beschermen, die lijdt aan "kruip" en schade door erosie.

De beschikbaarheid van zuurbestendige materialen zoals roestvrij staal (kwaliteit 316) heeft de ontwikkeling van de moderne NH3-absorptiesystemen mogelijk gemaakt. In deze systemen wordt een circulerende stroom ammoniumsulfaat / H2SO4-oplossing tegen de huidige COG-stroom in een absorptievat gespoten. Op de sproeidruppeloppervlakken vindt absorptie van NH3 uit het gas plaats. Een deel van de circulerende vloeistof wordt continu onttrokken en toegevoerd aan een afzonderlijke continue kristallisator. Hier wordt de vloeistof geconcentreerd met behulp van warmte en negatieve druk om het water te verdampen en zo kristallisatie te bevorderen. De kristallen worden verwijderd en een stroom moederloog wordt continu teruggevoerd naar het absorbercircuit.

De werking van ammoniumsulfaatprocessen resulteert in een verhoging van de warmte-inhoud van het COG dat de absorber of verzadiger verlaat. De reden hiervoor is dat om de waterbalans in het proces te behouden, vooral in het geval van verzadigers, water moet worden verdampt in de gasstroom. Naast het water dat met het zuur aan het proces wordt toegevoegd, zijn regelmatige desaturaties nodig waarbij water aan de moederloog wordt toegevoegd om kristalafzettingen op te lossen en vervuiling te verminderen. In sommige installaties zijn gasverwarmers stroomopwaarts van de NH3-absorbers/saturators voorzien. De verdamping van water in de COG resulteert in een uitlaatgas met een hoger dauwpunt dan bij de inlaat. Om stroomafwaartse gasreinigingsprocessen zoals naftaleen-, benzol- en H2S-verwijdering effectief te laten verlopen, moet het gas worden gekoeld in de laatste gaskoelers.

De ammoniumsulfaatprocessen herbergen NH3 uit overtollige spoelvloeistof door de topdampen van de destillatie van spoelvloeistof naar de COG-leiding stroomopwaarts van de NH3-verzadiger / -absorbeerder te voeren.

Het grote economische nadeel bij ammoniumsulfaatprocessen is de prijsverhouding tussen H2SO4 en ammoniumsulfaat. De H2SO4 die nodig is om ammoniumsulfaat te maken, kan tot twee keer de waarde van het ammoniumsulfaatproduct kosten.

Het Phosam-proces – Dit proces is ontwikkeld door United States Steel als middel om een ​​verkoopbaar, commercieel zuiver watervrij NH3-product te produceren uit het NH3 dat aanwezig is in onbewerkt COG. De watervrije NH3 die door dit proces wordt geproduceerd, is een hoogwaardig product in vergelijking met het ammoniumsulfaat dat wordt geproduceerd door de andere eerder beschreven processen.

In het Phosam-proces wordt NH3 selectief geabsorbeerd uit het COG door direct contact met een waterige oplossing van ammoniumfosfaat in een tweetraps sproeiabsorptievat (Fig 2). De absorptieoplossing bevat eigenlijk een mengsel van (i) fosforzuur (H3PO4), (ii) monoammoniumfosfaat (NH4H2PO4), (iii) diammoniumfosfaat [(NH4)2HPO4] en (iv) tri-ammoniumfosfaat] (NH4)3PO4]. De reversibele absorptiereacties die plaatsvinden zijn zoals hieronder weergegeven.

H3PO4 + NH3 =NH4H2PO4

NH4H2PO4 + NH3 =(NH4)2HPO4

(NH4)2HPO4 + NH3 =(NH4)3PO4

De geabsorbeerde NH3 wordt teruggewonnen door strippen met stoom. Dit regenereert de absorptie-oplossing die wordt teruggevoerd naar de sproeiabsorbeerder. Het strippen met stoom wordt uitgevoerd onder hoge druk, ongeveer 13 kg/cm2. De reden hiervoor is dat de omkeerbare reacties die de NH3 uit de oplossing vrijmaken, worden begunstigd door hogere temperaturen. Daarom wordt het verbruik van stripstoom geminimaliseerd door bij hoge druk (en dus hogere temperatuur) te werken.

De topdampen van de stripper zijn vrijwel alleen waterdamp en NH3. Deze dampen worden gecondenseerd en vervolgens toegevoerd aan een fractioneringskolom waar watervrij NH3 wordt teruggewonnen als het gecondenseerde topproduct. Het bodemproduct van de fractionator, voornamelijk water, verlaat het proces als effluent. Het schematische stroomschema van het Phosam-proces wordt getoond in figuur 2.

Fig 2 Schematisch stroomschema van het Phosam-proces

Het Phosam-proces kan verontreinigd raken door teer en door absorptie van zure gassen (HCN, H2S en CO2) in de gerecirculeerde oplossing. Om de teer te verwijderen, wordt een schuimflotatie-inrichting geïnstalleerd in het oplossingscircuit tussen de absorber en de stripper. Zure gassen worden verwijderd door de NH3-rijke oplossing voor te verwarmen en toe te voeren aan een vat dat een contactor wordt genoemd. In dit vat veroorzaakt de voorverwarming verdamping van water en zure gassen uit de oplossing. Deze dampen worden teruggevoerd naar de COG-leiding en de resterende rijke oplossing wordt naar de stripper gevoerd. Een volgende stap om eventuele resterende zure gassen aan te pakken en te voorkomen dat ze de watervrije NH3 verontreinigen, is het toevoegen van natriumhydroxide (NaOH) aan de fractionatorvoeding. De NaOH fixeert de zure gasverbindingen als niet-vluchtige natriumzouten die in de effluentstroom van de fractionatorbodem achterblijven.

Een belangrijk operationeel kenmerk is de beheersing van de waterbalans in het proces. Aanzienlijke hoeveelheden stoom worden gecondenseerd in de oplossingstripper, en dit condensaat moet opnieuw worden verdampt uit de circulerende oplossing in de COG-stroom. De temperatuur van de oplossing die terugkeert naar de absorber is ongeveer 60 ° C, en daarom wordt het COG verwarmd als het door de absorber stroomt. Door de verhoogde gastemperatuur is het meestal nodig om een ​​laatste gaskoeler te installeren na de Phosam absorber.

De toevoeging van fosforzuur aan de absorptieoplossing is alleen vereist om rekening te houden met bedrijfsverliezen zoals morsen. Het wordt wekelijks toegevoegd met een snelheid die overeenkomt met 0,0075 kg H3PO4 per kilogram geproduceerde NH3. Het Phosam-proces is zeer efficiënt en kan meer dan 99% NH3 uit COG terugwinnen. Er zijn andere installatieconfiguraties mogelijk waarbij bijvoorbeeld waterige NH3-oplossing wordt geproduceerd in plaats van het watervrije NH3. De constructiematerialen zijn roestvrij staal voor alle gebieden die in contact komen met een fosfaatoplossing van waterige NH3 en koolstofstaal voor andere gebieden.

Net als bij het sulfaatproces wordt de aanwezige NH3 in overtollige spoelvloeistof eerst door destillatie behandeld, waarbij de dampen stroomopwaarts van de Phosam-absorbeerder naar de COG worden geleid.

Het waterwasproces

Een van de eenvoudigste en meest gebruikte methoden om NH3 uit COG te verwijderen, is door het in water op te nemen. Waterige absorptievloeistof wordt tegen de stroom COG in gevoerd in een NH3-wasvat (Fig 3). Het vat kan worden ontworpen als een absorber van het sproeitype met verschillende herspuitfasen van de vloeistof, of als een gepakte toren zoals gebruikelijk is in veel fabrieken. Het type verpakking dat in het algemeen wordt gebruikt, is verticaal geplaatste metalen platen die het contact tussen gas en drank bevorderen, maar die speling en vervuiling weerstaan. De gevormde rijke NH3-oplossing, met een typische concentratie van 5 g/l tot 8 g/l, wordt vervolgens toegevoerd aan destillatiekolommen waar de NH3 met stoom uit de waterige vloeistof wordt gestript. De NH3- en waterdampen die de bovenkant van de stripkolom verlaten, worden op verschillende manieren voor nabehandeling geleid. Het schema van het wasproces wordt getoond in Fig 3.

Fig 3 Schema van het waterwasproces

Na het strippen wordt de absorptievloeistof afgekoeld en teruggevoerd naar de wasmachine. Er vindt een continue spui van gestripte vloeistof uit het circuit plaats die gelijk is aan het volume stoom dat in de stripperkolom is gecondenseerd. Dit spuien is het afvalwater van de fabriek en vereist een biologische behandeling van het afvalwater om de resterende NH3 volledig te verwijderen.

Aangezien er geen chemische reacties bij betrokken zijn, behalve het oplossen van NH3 in water, is het waterwasproces temperatuurafhankelijk en het meest efficiënt bij lage COG-temperaturen (20 ° C tot 30 ° C). Het NH3-wasvat wordt gewoonlijk direct na de teerprecipitator in een typische cokesoven-bijproductfabriek geplaatst. Op dit punt houdt het gas enige oververhitting van de gasafzuiging vast, als de bijproductfabriek bij positieve druk wordt gebruikt. Om de efficiëntie van de NH3-verwijdering te bevorderen, is gaskoeling nodig om deze oververhitting te verwijderen en het gas af te koelen tot het optimale temperatuurbereik.

De gaskoelfase is vaak ingebouwd in het NH3-wasvat zelf. De NH3-wasser mag niet worden gebruikt bij een lagere temperatuur dan de uitlaattemperatuur van de gaskoeltrap, anders kan vervuiling door naftaleen het gevolg zijn.

Het gebruik van waterige absorptievloeistof resulteert in de gelijktijdige absorptie van aanzienlijke hoeveelheden zure gassen (H2S, CO2 en HCN) uit het COG.

Daarom wordt de NH3-kolom tegenwoordig vaak gemaakt van corrosiebestendige materialen zoals titanium en roestvrij staal (kwaliteit 316), hoewel veel fabrieken gietijzeren ketels blijven gebruiken. De stripkolom is uitgevoerd met borrelschalen of met voordeligere klepschotels. Door de lagere vloeistoftemperaturen in de wasser en daarmee de verminderde corrosiesnelheid, kan dit vat volledig in koolstofstaal worden gebouwd.

Een voordeel van het wasproces met water is dat overtollige spoelvloeistof en andere waterige plantenstromen (zoals benzolinstallatie-effluent) kunnen worden gebruikt om NH3 in de wasmachine te absorberen. Het voordeel hiervan is dat aangezien de overtollige vloeistof sowieso met stoom moet worden gestript, er een netto besparing van stripstoom is als de overtollige spoelvloeistof ook wordt gebruikt om NH3 te absorberen.

Voor andere afvalwaterstromen van de fabriek is het vaak zinvol om stoomstrippen uit te voeren als een voorbereidende behandelingsstap voor het afvalwater. Door dit te combineren met het NH3-absorptieproces wordt het totale stoomverbruik voor de bijproductfabriek geminimaliseerd. De overtollige spoelvloeistof wordt toegevoegd op een punt in de wasmachine waar de vrije NH3-concentratie het meest overeenkomt met de vrije NH3-concentratie van de absorptievloeistof. De aanwezigheid van vast NH3 heeft geen invloed op de opname van vrij NH3 uit het COG. Als bij het wassen met water een overmaat aan spoelvloeistof wordt gebruikt, wordt de stroomsnelheid van de afgeblazen effluentstroom verhoogd om de voorraad circulerende vloeistof op peil te houden. De vaste NH3 kan in de stripkolom worden verwijderd door toevoeging van natronloog. Als alternatief kan de spuistroom worden toegevoerd aan een aparte vaste NH3-ketel. Het gebruik van een afzonderlijke vaste NH3 vermijdt nog steeds de aanwezigheid van alkali in de recirculerende absorptievloeistof, die verantwoordelijk kan zijn voor de vorming van vaste verbindingen met zure gassen zoals HCN en leiden tot de aanwezigheid van deze verbindingen in de afvalwaterstroom van de plant.