焦?fàn)t煤氣凈化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與改進(jìn)

楊小兵(武漢鋼鐵有限公司，湖北 武漢 430080)

0 引言

焦?fàn)t煤氣，簡稱為焦?fàn)t氣[1]。將兩種以上的煙煤作為煉焦用煤，于爐火中經(jīng)高溫灼燒、干餾后生成焦油、焦炭的同時，也會產(chǎn)生一種煉焦副產(chǎn)品，即焦?fàn)t氣。焦?fàn)t氣中含有多種可燃性成分，熱值極高[2]。焦?fàn)t氣成分復(fù)雜，且產(chǎn)量和產(chǎn)率也隨著焦炭種類、焦炭質(zhì)量的差異而存在較大的差別[3]。通常情況下，一噸干煤炭經(jīng)焦?fàn)t燃燒后可產(chǎn)生300至350m3體積的焦?fàn)t氣，其成分有氫氣、甲烷、一氧化碳、不飽和烴、二氧化碳、氧氣及氮?dú)獾?，因此，焦?fàn)t氣中含有易燃易爆氣體和有毒有害氣體[4]。焦?fàn)t氣排入外界環(huán)境，不僅會對生態(tài)造成嚴(yán)重的危害，還會對動物、人類的生命安全造成威脅。焦?fàn)t氣凈化問題是焦?fàn)t工業(yè)領(lǐng)域備受關(guān)注，凈化符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求，也滿足發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的基本戰(zhàn)略[5]。焦?fàn)t煤氣經(jīng)過脫硫、脫氰凈化處理后，其主要成分中可燃性組分含量明顯增加，有害氣體含量顯著降低，有較高的利用價值。

焦?fàn)t氣凈化是煉焦過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，許多焦化企業(yè)均用傳統(tǒng)煤氣回收工藝過程來處理焦?fàn)t氣，工藝過程包括初冷、洗氨、終冷、洗苯四個步驟[6]。直至二十世紀(jì)五十年代末期，焦化領(lǐng)域?qū)＜以谇叭说幕A(chǔ)上，自行設(shè)計出與我國自主研發(fā)的58型號焦?fàn)t所匹配的煤氣凈化工藝，例如單塔脫苯工藝、污水處理工藝、氨焚燒工藝、氨法脫硫工藝、硫胺與氨水工藝以及ADA脫硫工藝等幾種。但此機(jī)種工藝雖可達(dá)到良好的焦?fàn)t煤氣凈化效果，但在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，幾種工藝會對設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕，也會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，所得焦?fàn)t煤氣質(zhì)量難以保證，氨苯氣體回收率較低等缺陷。與國外先進(jìn)的焦?fàn)t煤氣凈化技術(shù)相比，國內(nèi)凈化處理工藝水平低下，難以滿足焦?fàn)t氣凈化及政府機(jī)構(gòu)對綠色環(huán)保和生態(tài)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)要求。二十世紀(jì)七十年代末期開始，國內(nèi)許多大型焦化企業(yè)紛紛引入國外先進(jìn)的焦?fàn)t煤氣凈化處理工藝技術(shù)，以匹配大容積焦化爐的使用[7]。其中，最常用的焦?fàn)t氣凈化處理工藝包括氨分解工藝、全負(fù)壓凈化工藝以及脫酸蒸氨工藝此三種[8]。

1 焦?fàn)t煤氣凈化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 煤氣初冷

煤氣初冷指的是焦?fàn)t煤氣初步降溫冷卻，使其溫度由最初800℃高溫降低至25℃左右[9]。煤氣初冷過程所用設(shè)備為初冷器，冷卻方式有直接冷卻式、間接冷卻式以及直接間接冷卻結(jié)合式三種。所用冷卻設(shè)備有直冷式噴淋塔、橫管式冷卻裝置以及立管式冷卻裝置三種。直接冷卻式式利用冷卻塔來完成的，直冷方式可冷卻煤氣，也可凈化焦?fàn)t煤氣。而間接冷卻方式在冷卻焦?fàn)t煤氣過程中，煤氣不會直接與冷卻水接觸，而是借助于換熱器來完成冷卻過程。間接冷卻方式過程中由于冷卻水不直接接觸煤氣，可不受煤氣污染，因此，間接冷卻方式所用冷卻水可重復(fù)利用，適用于水資源緊缺的焦化企業(yè)。基于直接冷卻和間接冷卻的優(yōu)缺點(diǎn)，多數(shù)焦化企業(yè)選擇使用直接、間接冷卻結(jié)合式來完成煤氣初冷過程。焦?fàn)t企業(yè)煤氣凈化實(shí)踐結(jié)果證明，煤氣初冷后，其中所含萘氣體量大大降低。

1.2 焦油脫除與焦油回收

煤氣初冷過程中，多數(shù)焦油也會隨著煤氣的冷卻而冷卻，小部分焦油則會進(jìn)入焦油捕集裝置，和氨水混合。目前多數(shù)焦化企業(yè)均以氨水焦油分離設(shè)備來脫除焦油，此過程還可以有效去除渣塵。一般而言，焦油脫除效果隨著分離時間的延長而逐漸顯著，但隨著分離時間的延長，分離溫度也會下降，使得焦油粘度大大增加，降低分離效果。因此，焦油脫除過程還需要滿足溫度和時間兩個因素。

1.3 萘脫除工藝

粗煤氣中含有約10g/m3萘氣體，經(jīng)煤氣初冷后，萘氣體含量可降至2g/m3左右，但冷卻后的萘氣體則處于過飽和狀態(tài)。焦?fàn)t煤氣經(jīng)管路輸送至下道工序時，可能會在溫度過低或流速過慢的制約下出現(xiàn)萘沉積現(xiàn)象，進(jìn)而堵塞管路。因此，將焦?fàn)t氣體中的萘氣體除去對焦化企業(yè)來說至關(guān)重要。目前，萘脫除工藝主要有水洗工藝和油洗工藝兩類。其中，以油洗工藝來清洗焦?fàn)t煤氣管路，可將其中萘氣體含量降至1g/m3以下，進(jìn)而降低管路堵塞概率。

1.4 煤氣輸送及煤氣調(diào)節(jié)

常用的焦?fàn)t煤氣輸送設(shè)備主要是鼓風(fēng)機(jī)，根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的差異可將其分為兩種：容積式鼓風(fēng)機(jī)和離心式鼓風(fēng)機(jī)。其中，離心式鼓風(fēng)機(jī)可進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)要求可進(jìn)行循環(huán)調(diào)節(jié)、自動調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，國內(nèi)多數(shù)焦化企業(yè)的煤氣輸送設(shè)備均選用離心式鼓風(fēng)機(jī)。

2 焦?fàn)t煤氣凈化過程中存在的主要問題

焦?fàn)t煤氣在凈化過程中存在諸多問題，主要分為以下幾個方面。第一，煤氣初冷問題。橫管初冷器在設(shè)備運(yùn)行期間容易出現(xiàn)故障，導(dǎo)致煤氣在管路中堵塞。因此，初冷需要消耗大量的冷水，且初冷后的煤氣成分中除了氣體，還有煤粉等固體顆粒存在，這些固體顆粒也會對后續(xù)高壓氨水無煙裝煤系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。第二，煤氣終冷問題。煤氣終冷階段出現(xiàn)問題主要和此階段所需溴化鋰制冷循環(huán)水用量較多有關(guān)，焦?fàn)t煤氣冷卻終過程是在冷卻塔中進(jìn)行的，因此，此階段冷卻效果較差。第三，焦?fàn)t煤氣經(jīng)凈化處理后會產(chǎn)生大量的氨氣，氨氣在焦?fàn)t煤氣凈化處理過程中容易出現(xiàn)焦化問題。分析原因主要為，在完成蒸氨、生物脫酚兩個步驟后，蒸氨廢水再進(jìn)行濕法熄焦，容易污染外界環(huán)境。且所產(chǎn)生的焦炭溫度并未褪去，技術(shù)人員若不對焦炭進(jìn)行回收，很容易造成資源浪費(fèi)。

3 焦?fàn)t煤氣凈化技術(shù)的改進(jìn)方法

綜合以上分析，可以看出，焦?fàn)t煤氣在應(yīng)用過程中存在諸多問題。為了改善焦?fàn)t煤氣凈化工藝中存在的問題，改進(jìn)凈化技術(shù)是必經(jīng)之路[10]。

3.1 焦?fàn)t煤氣凈化環(huán)保工藝

3.1.1 廢氣處理工藝

焦?fàn)t煤氣凈化廢氣指的是在凈化過程中，由凈化設(shè)備中發(fā)散出來的、對環(huán)境、對人體有害的廢氣[11]。此類廢氣的處理方式如下。首先，若廢氣中含有氨氣、吡啶基鹽類等堿性物質(zhì)，可以用游離酸企業(yè)排出的溶液或工業(yè)廢水進(jìn)行清洗，也可以在煤氣負(fù)壓系統(tǒng)中引入煤氣廢氣。其次，若凈化廢氣中含有二氧化硫、三氧化硫等氣體時，可以使用氨水等弱堿性溶液對廢氣進(jìn)行清洗；若廢氣中含有酚類物質(zhì)，可使用氫氧化鈉溶液等堿性較強(qiáng)的溶液進(jìn)行清洗。此外，若凈化廢氣中含有苯類物質(zhì)，則可以使用洗油清洗或低溫清洗的方式，將廢氣冷凝回收，再引入煤氣負(fù)壓裝置中進(jìn)行深化處理。

3.1.2 廢渣處理工藝

將焦油和氨水進(jìn)行分離處理后，焦油渣通常被輸送到煤場，再把焦油渣和煤炭混合均勻，進(jìn)行煉焦處理或和煤炭配伍。苯脫除工藝產(chǎn)生的廢渣以及硫元素脫除中產(chǎn)生的硫磺渣也應(yīng)該和煉焦煤進(jìn)行混合，送去焦?fàn)t進(jìn)行回收處理，以此降低廢渣對環(huán)境造成的影響。

3.1.3 廢水處理工藝

廢水處理技術(shù)主要有兩種，分別為剩余氨水脫酚處理技術(shù)和蒸氨廢水處理技術(shù)。國外焦?fàn)t煤氣處理技術(shù)中并不涵蓋剩余氨水脫酚處理工藝，而是將蒸氨處理后的產(chǎn)物直接輸送至生化處理設(shè)備中。而國內(nèi)焦?fàn)t煤氣凈化工藝則傾向于將剩余氨水進(jìn)行脫酚處理，再進(jìn)行蒸氨處理和生物脫酚處理工序。但由于當(dāng)前剩余氨水脫酚處理過程需要消耗大量的資金，使得國內(nèi)很多新型焦化企業(yè)傾向于不建設(shè)脫酚設(shè)備[12]。廢水脫酚處理技術(shù)主要有溶劑脫酚、蒸汽脫酚兩大類。

3.2 新型干法凈化技術(shù)

為了進(jìn)一步降低后續(xù)工序設(shè)備負(fù)載壓力，可采用新型干法凈化工藝，從根本上避免循環(huán)液體蒸發(fā)導(dǎo)致循環(huán)效益下降。一方面在保證煤氣質(zhì)量與環(huán)保要求相符的基礎(chǔ)上，可將焦化生產(chǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為不同的操作模塊，如煤氣凈化、煤氣利用、煤氣原料準(zhǔn)備、焦?fàn)t熱工、污水處理等。其中煤氣凈化主要包括煤氣冷卻、煤氣焦油脫離、脫硫、脫氨、脫苯等幾個環(huán)節(jié)。在工藝優(yōu)化改造過程中，應(yīng)及時進(jìn)行物料能量平衡計算，結(jié)合上下工藝產(chǎn)生的匹配設(shè)置，確定最佳性價比能源指標(biāo)。

如在焦?fàn)t脫苯環(huán)節(jié)，可將最低成本回收煤氣中最多苯作為主要工作目標(biāo)，依此為依據(jù)對蒸汽、電力、洗油、再生渣及廢水量進(jìn)行優(yōu)化操作參數(shù)核算，確定最佳操作數(shù)值。另一方面可采用連鑄加壓站凈化模式，將煤氣脫萘與煤氣脫硫工藝順序進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。然后考慮到脫萘裝置內(nèi)填料再生效益，可采取空氣通入再生的方式，將填料壓力增加到12.0kPa，并利用換熱裝置將溫度控制在125℃左右[2]。最后在焦?fàn)t煤氣凈化冷卻雜質(zhì)分離后，可將其輸送到再生焦?fàn)t煤氣主管網(wǎng)絡(luò)通道中。將冷卻塔冷凝后產(chǎn)物排入酚水池，綜合采用冷卻噴淋、蒸汽清洗兩種措施，提高焦?fàn)t煤氣冷卻實(shí)際效益。

此外，在焦?fàn)t煤氣干式煤氣凈化系統(tǒng)工藝運(yùn)行過程中，若煤氣凈化溫度一定，吸附質(zhì)在吸附劑中的吸附量與吸附質(zhì)分壓濃度成正比；若煤氣凈化壓力一定，則吸附質(zhì)在吸附劑中吸附量與吸附溫度成反比，因此在焦?fàn)t煤氣干式凈化系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可采取適當(dāng)升溫、降壓或降溫、加壓措施，便于吸附質(zhì)吸附或再生。

4 結(jié)語

文章結(jié)合工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料，總結(jié)了焦?fàn)t煤氣凈化技術(shù)、凈化過程中存在的主要問題，以及凈化工藝改進(jìn)策略。現(xiàn)階段，我國在焦?fàn)t煤氣凈化技術(shù)的應(yīng)用上取得了矚目的成就，但也存在諸多問題。針對此問題，提出改善策略。綜上所述，焦?fàn)t煤氣中含有許多對環(huán)境有毒有害的物質(zhì)，也會對設(shè)備輸送管路、工作人員造成損害。因此，焦?fàn)t煤氣凈化工作至關(guān)重要，且需要不斷改良進(jìn)步。