淺談碎煤加壓氣化工藝煤氣水預(yù)分離

王建軍

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000）

引言

近年來，國家對于環(huán)境保護(hù)重視程度越來越高，特別是煤化工生產(chǎn)過程中“三廢”的處理是國家環(huán)保的嚴(yán)控環(huán)節(jié)。碎煤加壓氣化工藝中煤氣化廢水（以下簡稱煤氣水）處理過程也是其成熟工藝技術(shù)的重要組成部分。預(yù)分離是煤氣水處理的首要環(huán)節(jié)，分離效果好壞不僅影響氣化過程正常進(jìn)行，而且也影響后續(xù)處理環(huán)節(jié)能否達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，煤氣水預(yù)分離對于整個碎煤加壓氣化工藝系統(tǒng)的正常運行非常關(guān)鍵。

1 煤氣水的預(yù)分離組分

碎煤加壓氣化工藝衍生的煤氣水組分非常復(fù)雜，為更好地闡述預(yù)分離過程，從預(yù)分離方法角度簡單歸納出以下4 種組分，即蒸汽冷凝液、物理溶解性氣體、有機化合物和固態(tài)物。

1.1 蒸汽冷凝液

碎煤加壓氣化工藝的排渣方式為干法固態(tài)排渣，生產(chǎn)過程中為了控制煤氣化反應(yīng)層溫度，防止溫度過高形成大塊灰渣影響排渣順利進(jìn)行，參與反應(yīng)的氣化劑中保持過量蒸汽來調(diào)節(jié)反應(yīng)層溫度。這部分蒸汽隨煤氣離開氣化爐在后工序中冷凝，形成煤氣水的主要組分，約占總量的95.0%～96.8%（w）[1]。

1.2 物理溶解性氣體

碎煤加壓氣化工藝中離開氣化爐煤氣中主要包含CO、H2、CO2、NH4、N2、CH4、H2S 等，在后工序洗滌分離操作中，部分氣體溶解進(jìn)蒸汽冷凝液中成為煤氣水的組分，約占總量的3.0%～4.5%%（w）。

1.3 有機化合物

碎煤加壓氣化工藝中煤的氣化是煤與氣化劑（蒸汽和氧氣）在逆流運動中發(fā)生反應(yīng)的過程。原料煤在下降過程中溫度逐漸遞增，煤中大分子發(fā)生側(cè)鏈和基團(tuán)斷裂現(xiàn)象，產(chǎn)生的初級分解物稱之為煤焦油，大致包括脂肪族化合物、芳香族化合物、酚類、雜環(huán)化合物、環(huán)芳香族化合物等。煤焦油在氣化爐的高溫下以氣態(tài)形式隨煤氣離開，在后工序洗滌分離操作中冷凝下來成為煤氣水的組分，約占總量的0.85%～1.36%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.4 固態(tài)物

碎煤加壓氣化工藝生產(chǎn)過程中來不及參與反應(yīng)的微粒煤塵以及在反應(yīng)過程中煤塊受熱膨脹爆裂產(chǎn)生的煤粉（粒徑＜0.1mm）被上升的煤氣攜帶出氣化爐，在后系統(tǒng)中隨蒸汽冷凝液、有機物液滴從煤氣中分離出一同進(jìn)入煤氣水，成為煤氣水的部分組分，約占總量的0.36%～0.53%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

2 煤氣水的預(yù)分離過程

煤氣水預(yù)分離過程包括氣-液分離、液-液分離、液-固分離3 種。氣-液分離是指溶解性氣體從煤氣水中分離，利用減壓閃蒸過程來完成；液-液分離是指煤焦油從煤氣水中分離；液-固分離是指煤塵從煤氣水中分離和煤塵從煤焦油中分離。后兩種是利用沉降分離過程來完成。煤焦油是一種組分非常復(fù)雜的混合物，在與煤氣水的分離過程中包括有兩種形式的煤焦油：一種是密度大于比煤氣水密度的煤焦油；另一種是密度接近或者小于煤氣水密度的煤焦油，有關(guān)文獻(xiàn)將前者稱之為高溫煤焦油，后者稱為低溫煤焦油。因此，煤焦油與煤氣水的分離可分為兩種形式，即高溫煤焦油與煤氣水分離和低溫煤焦油與煤氣水分離。

2.1 氣-液兩相的分離

溶解性氣體與煤氣水分離是利用減壓閃蒸過程來完成的，分離效率由過程中的閃蒸壓力和閃蒸溫度決定的。

對閃蒸壓力的分析可知，閃蒸過程是利用降低液體壓力使溶解氣體析出，實現(xiàn)氣液分離。在煤氣水閃蒸過程中隨著煤氣水壓力降低，一方面溶解性氣體的溶解度降低；另一方面煤氣水沸點也降低，隨著沸騰進(jìn)行溶解氣從液相中析出。由兩相平衡機理可知，影響煤氣水中氣體連續(xù)析出的主要因素是氣相壓力。持續(xù)保持較低氣相壓力可以使氣體析出更徹底，甚至在負(fù)壓狀態(tài)下更有利于溶解氣體的析出?？紤]負(fù)壓下對設(shè)備密封度的影響，均衡負(fù)壓和微正壓的氣相析出效率，故選擇微正壓閃蒸方式。實際操作中利用輸送設(shè)備將閃蒸設(shè)備上部析出氣體連續(xù)性抽出，從而控制氣相壓力在0.5 kPa～1.0 kPa，使得氣-液分離效率達(dá)到最優(yōu)。

確定了閃蒸壓力后來分析閃蒸溫度，由亨利定律可知，在氣液兩相共存狀態(tài)中，當(dāng)氣相分壓相對恒定時不同溫度下氣相溶質(zhì)在液相溶劑中溶解度不同。由表1 可以看出，煤氣水中的物理性溶解氣體其溶解度隨著煤氣水的溫度升高而快速降低。但是實際運行中并非溫度越高越好，確定閃蒸溫度還應(yīng)該考慮以下兩方面：一方面是閃蒸過程的能量損耗導(dǎo)致煤氣水的溫度損失，實踐運行數(shù)據(jù)顯示，閃蒸過程溫度損失在10 ℃～15 ℃；另一方面是后工序液-液分離對溫度的要求，預(yù)分離工藝中氣-液分離后是高溫煤焦油與煤塵及煤氣水的沉降分離，有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，煤焦油在煤氣水中沉降分離的最佳溫度是65℃～70℃[2]。綜合以上因素，將閃蒸溫度控制在80℃～85℃之間，即兼顧了后工序的運行，也盡可能地確保較高的分離效率。

表1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓不同溫度下氣體在煤氣水中的溶解度（g/100g）

2.2 高溫煤焦油與煤塵及煤氣水的沉降分離

在煤氣水沉降分離過程中首先進(jìn)行的是煤塵、高溫煤焦油、煤氣水的分離，工業(yè)化裝置將三者分離設(shè)計在焦油分離器中進(jìn)行。國內(nèi)運行的焦油分離器應(yīng)用最廣泛型號為Φ8 000 mm 型（見圖1），全容積428 m3，Ⅰ區(qū)為煤塵和焦油混合物與煤氣水分離區(qū)，分離空間約258 m3；Ⅱ區(qū)為煤塵與焦油分離區(qū)，分離空間約126 m3。如圖1 所示煤氣水由管口1 通過中心管進(jìn)入中部小傘狀沉降區(qū),沿徑向擴(kuò)散至分離器壁的過程中由于空間擴(kuò)大流速減緩，煤塵和焦油混合物從煤氣水中分離出來沿小傘狀斜面流入錐部（Ⅱ區(qū)）。煤氣水沿設(shè)備壁環(huán)縫進(jìn)入大傘狀沉降區(qū)進(jìn)行二次沉降分離，煤塵和焦油混合物沿大傘狀斜板通過下降管進(jìn)入Ⅱ區(qū)；煤氣水沿徑向回流至安裝在分離器頂部中心管環(huán)形溢流堰內(nèi)靠重力由管口4 流出設(shè)備。在Ⅱ區(qū)，兩臺電機驅(qū)動的刮泥機在底部連續(xù)旋轉(zhuǎn)防止黏稠的混合物沉積在壁上，煤塵從焦油中分離出來并沉入底部管口3 排出，焦油從Ⅱ區(qū)上部的管口5 排出。

圖1 Φ8 000 mm 型焦油分離分離器簡圖

工藝運行中，保證煤塵和焦油混合物與煤氣水的分離效率是非常重要的，因此將Ⅱ區(qū)上部焦油及時排出是保證Ⅰ區(qū)沉降空間的最直接手段，充裕的沉降空間就是確保分離效率的關(guān)鍵因素。在實踐中，為降低煤焦油中的固態(tài)物含量，將煤焦油液面提升至Ⅰ區(qū)沉降空間內(nèi)，沉降空間增大靜置時間延長煤塵與煤焦油的分離效率提高。但隨之而來是Ⅰ區(qū)沉降空間減小分離效率下降，煤氣水中焦油含量增加嚴(yán)重影響后系統(tǒng)的運行。目前通用的操作方法是保證Ⅰ區(qū)分離效率；Ⅱ區(qū)僅作為煤塵和煤焦油混合物的緩沖空間，煤焦油排出Ⅱ區(qū)后通過新增三相分離設(shè)備來提高其產(chǎn)品質(zhì)量[3-4]。

2.3 低溫煤焦油與煤氣水的沉降分離

相對于高溫煤焦油、煤塵、煤氣水的分離過程，低溫煤焦油在煤氣水中以微粒油滴的形式存在，因密度與煤氣水非常接近，因此分離過程分兩步：第一步微粒油滴的碰撞聚合過程；第二步大顆粒油滴與煤氣水的分離過程。工業(yè)化裝置中分離設(shè)備結(jié)構(gòu)如第117 頁圖2 所示，內(nèi)部設(shè)置2 個微粒油滴碰撞聚合器（焦炭過濾器和TPI 組件）和3 個分離區(qū)。煤氣水由管口5 進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部分離Ⅰ區(qū)，微量高溫煤焦油或者煤塵下降至底部由排放管口6 定期排出；少量大顆粒低溫煤焦油從煤氣水中分離上升通過收集管12 進(jìn)入頂部液面。煤氣水自下而上通過焦炭過濾框9。在焦炭內(nèi)部狹小通道中微粒油滴相互碰撞聚合形成大顆粒液滴。在分離Ⅲ區(qū)大顆粒油滴上升至頂部液面；含有未聚合微粒油滴的煤氣水通過TPI 板框10，油滴再一次碰撞聚合，TPI 板框為45°傾斜角布置安裝，有利于離開TPI 板的煤氣水和大顆粒油液滴形成層流狀態(tài)，由于黏度差異，低溫焦油在內(nèi)側(cè)上升，被折流板攔獲通過收集管11 進(jìn)入頂部液面；外側(cè)上升的煤氣水由溢流口18 靠重力離開設(shè)備。3 個分離區(qū)匯集至頂部液面的低溫煤焦油通過收集口1、2、3、4 排至焦油槽。

圖2 低溫焦油最終分離器簡圖

工藝運行中，確保低溫煤焦油與煤氣水的分離效率應(yīng)注意以下方面：首先，及時通過管口6 排出Ⅰ區(qū)底部的煤塵與高溫煤焦油，既可以確保Ⅰ區(qū)充裕的沉降分離空間；又可以防止高溫煤焦油返流堵塞聚合器焦炭框底部影響低溫煤焦油的聚合。其次，周期性通過管線13 用蒸汽對聚合器底部吹掃防止堵塞影響油微粒聚合。第三，定期對管口8 的煤氣水進(jìn)行取樣分析檢測，當(dāng)焦油含量明顯上升且蒸汽吹掃效果不佳時，將設(shè)備從系統(tǒng)中切出，更換焦炭聚合器中的焦炭以及對TPI 聚合板通道進(jìn)行人工清理。

3 結(jié)語

煤氣水預(yù)分離是碎煤加壓氣化工藝技術(shù)的組成部分之一，控制好閃蒸和沉降操作是保障煤氣水順利預(yù)分離的關(guān)鍵。對于閃蒸操作，溫度和壓力是其控制的重要指標(biāo)；對于沉降操作，保障有充裕的沉降空間是分離操作的核心。煤氣水預(yù)分離好壞直接影響碎煤加壓氣化裝置和后續(xù)處理裝置的平穩(wěn)運行，因此控制好閃蒸和沉降分離的操作是確保煤氣水預(yù)分離效率的重要手段。