焦爐煤氣干法脫萘的理論分析與實際應用

吳曉虎，葉 帆

（上海同助化工科技有限公司，上海 200122）

焦爐煤氣干法脫萘的理論分析與實際應用

吳曉虎，葉 帆

（上海同助化工科技有限公司，上海 200122）

焦爐煤氣干法脫萘基于吸附原理，其再生是非常重要的環(huán)節(jié)，三種再生方法中蒸汽再生費用最低，但操作環(huán)境較差，氮氣再生效果較好，但費用較高，煤氣再生費用及工藝操作環(huán)境適中，是較好的選擇。

焦爐煤氣；干法脫萘；再生

1 概述

焦爐煤氣（COG）中雜質主要包括焦油、萘、H2S、苯、HCN，其中萘由于其熔點高（80.26℃），常溫下易結晶，非常容易堵塞設備及管道，是脫除的重點。

脫萘工藝主要有兩種：濕法脫萘及干法脫萘。

濕法脫萘主要是用直餾輕柴油洗萘，即將萘溶解于輕柴油中，隨著溶解作用的進行，輕柴油中萘逐漸達到飽和狀態(tài)，此時需更換柴油。此種工藝由于占地面積大、操作費用高以及柴油易被帶入下游工序等因素影響，其市場占有率正逐步降低。

干法脫萘即是用脫萘劑（經過特殊處理的活性炭）吸附COG中的萘，脫萘劑孔隙結構發(fā)達，比表面積大，吸附能力極強。該工藝優(yōu)點如下：

（1）脫萘效率高，脫萘程度深；

（2）相較濕法脫萘，占地面積小，工藝簡單；

（3）自動化程度高；

（4）脫萘劑可再生。

干法脫萘是今后COG脫萘技術的主要發(fā)展方向。

2 理論分析

干法脫萘劑可再生，故其可以長期有效地脫除COG中的萘。

2.1 脫萘原理

干法脫萘基于吸附原理。吸附是一種表面現(xiàn)象，固體（脫萘劑）表面分子相較于內部分子引力更大，當流體流過固體表面時，不同流體分子受到的引力大小不等，受到引力較大的分子停留在固體表面，受到引力較小的分子則順利離開，以此達到分離的目的。參與吸附過程的固體被稱為吸附劑（adsorbent or sorbent），而流體則被稱為吸附質（adsorbate or sorbate）。

當然，引力只是吸附的作用力之一，基于極性、偶極矩、四級矩等作用力的吸附劑近幾十年來也大量涌現(xiàn)。

圖1 吸附等溫線

圖1為一典型的吸附等溫線，其橫坐標為吸附質的分壓，縱坐標為吸附劑的吸附量。由圖可以看出，壓力越高，吸附量越大，而溫度越高（T2＞T1），吸附量則越小。吸附時壓力應盡量高，再生（也稱為解吸）時，則溫度應盡量高，以降低吸附量。通過提高溫度達到再生目的的吸附工藝被稱為變溫吸附（Temperature Swing Adsorption，TSA），干法脫萘的再生即是使用變溫吸附工藝。

萘分子在脫萘劑上的吸附屬于單層吸附，如圖2所示。此類吸附可用Langmuir-Freundlich模型進行模擬計算，即：

此模型對單分子層吸附模擬效果較好。

圖2 吸附劑窄孔上吸附質分子的單層吸附

吸附質分子的分子半徑對吸附過程有很大影響，萘分子的分子半徑約為120?，常用吸附劑的孔徑分布如圖3所示。

圖3 常用吸附劑孔徑分布

活性炭孔徑分布如圖3所示，由圖3可知，活性炭中微孔（＜20?）較多。活性炭改性是擴大吸附劑用途的主要方法之一，即以更改活性炭孔徑及孔徑分布、增加表面活性基團等方法以吸附特定分子，滿足特定分離要求。

脫萘劑是一種改性后的活性炭。

萘的再生即是逆著萘分子進入脫萘劑孔的方向，離開脫萘劑表面。

2.2 再生方法

干法脫萘較為成熟的再生方式有三種：蒸汽再生、煤氣再生及氮氣再生。

蒸汽再生即用過熱水蒸汽逆向吹掃使得脫萘劑升溫，達到再生目的。煤氣再生則使用凈化后（脫萘、硫、苯后）的焦爐煤氣加熱后吹掃脫萘塔。而氮氣再生則是加熱管網(wǎng)氮氣后吹掃脫萘塔以再生脫萘劑。

3 技術經濟分析

脫萘一般是在常溫及略高于大氣壓的壓力條件下進行吸附過程，脫萘過程不僅要考慮吸附，更要考慮解吸再生過程。

一般隨著再生次數(shù)的增加，脫萘劑的吸附性能會逐漸下降，2～3年后需更換脫萘劑。

3.1 經濟分析

每種再生方法所需設備并非完全相同。每種介質對脫萘劑再生效果不同，所需介質流量及再生處理時間也不同，由此造成再生所需費用便有所差異。表1、2、3是基于40000 m3/h焦爐煤氣凈化處理所作的經濟費用分析。

表中單次換料指每2年更換脫萘劑一次，設備使用年限按15年計算。

由表1，可以看出蒸汽再生中費用消耗主要用于蒸汽的加熱。由表2、3亦可看出加熱耗電是費用消耗的一個主要方向，隨著介質單價增高，介質的費用消耗亦增加。三種再生方式中蒸汽再生費用最低，而氮氣再生費用最高。

表2 煤氣再生費用

表3 氮氣再生費用

3.2 技術分析

三種再生工藝均有各自優(yōu)缺點，簡述如下：

（1）蒸汽再生

優(yōu)點：再生溫度高（300℃），再生效果好，對進脫萘裝置的焦油含量要求不高，公用工程消耗低；可回收萘；

缺點：不是完全的氣體再生，隨再生次數(shù)增加，脫萘劑吸附容量下降較快；需要處理再生廢水，廢氣排向大氣，有一定環(huán)境污染；現(xiàn)場操作環(huán)境相對較差。

（2）煤氣再生

優(yōu)點：完全地氣體再生，隨再生次數(shù)增加，脫萘劑吸附容量下降較慢，再生煤氣進入煤氣總管網(wǎng)，系統(tǒng)封閉；

缺點：再生溫度低（160℃），效果較差，再生頻繁；再生氣進入煤氣總管，不能回收萘。

（3）氮氣再生

優(yōu)點：氣體再生，再生效果好，隨再生次數(shù)增加，脫萘劑吸附容量下降慢；

缺點：再生時應保證安全措施，防止氮氣窒息；用量較小時，再生氣進入煤氣總管網(wǎng)對焦爐煤氣熱值影響小，用量較大時，若通入煤氣總管網(wǎng)可能會對焦爐煤氣熱值有一定影響，若放空會產生一定環(huán)境污染。

4 結論

通過以上分析，可以看出，對于COG干法脫萘的再生方式：

（1）從經濟上，氮氣再生費用最高，蒸汽再生費用最低，而煤氣再生費用適中。

（2）從工藝及操作環(huán)境上，蒸汽再生環(huán)境較差，工人勞動強度相對較大，而氮氣及煤氣再生環(huán)境較好，且氣體再生對脫萘劑保護較好，脫萘效果影響低。

一般情況下，煤氣再生是較好的選擇。若煤氣再生配合氮氣再生則效果更佳。但是，不同廠家再生介質價格相差很大，因此操作費用會有較大差距，選擇再生方式時，具體情況還需具體分析。

另外，隨著吸附劑性能的改進，新型再生方法如變電吸附、微波吸附等也逐漸被引進工業(yè)化流程中。其他類型再生方法也將會出現(xiàn)。

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Theoretical Analysis and Practical App lication of Dry De-naphthalene Process for Coking Gas

WU Xiaohu，YE Fan
(Shanghai Tongzhu Chemical Science&Technology Co.,Ltd.,Pudong,Shanghai 200122,China)

The process of dry de-naphthalene process for coking gas is based on the principle of adsorption,in which regeneration is very important.In the three regeneration methods,steam regeneration costs the lowest but has poor operating conditions,while the nitrogen regeneration has excellent effect but costs high.Moderate regeneration cost and operation conditions would be a reasonable choice.

coking gas;dry de-naphthalene process;regeneration

TQ546.5

B

1006-6764(2014)03-0026-03

2013－10－21

吳曉虎（1988－），男，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學，碩士研究生學歷，現(xiàn)從事吸附設計工作。