焦?fàn)t煤氣加壓脫硫工藝模擬與優(yōu)化

張慧玲

（西山煤電焦化事業(yè)部，山西 太原 030053）

煉焦是指原煤在隔絕空氣的環(huán)境下將其加熱至900 ℃～1 000 ℃，并在干餾工藝條件下最終形成焦炭的過程。在煉焦過程中，由于原煤中含有C、S、N 等元素，上述元素將以氣體的形式混入煉焦廢氣中，也就是本文所研究的焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣直接排放不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，而且還會(huì)對(duì)空氣環(huán)境造成污染[1]。因此，對(duì)焦?fàn)t煤氣的凈化處理尤為重要。在焦?fàn)t煤氣的凈化處理環(huán)節(jié)中對(duì)其中硫化物的處理尤為重要。本文將通過對(duì)焦?fàn)t煤氣加壓脫硫工藝進(jìn)行研究，優(yōu)化了其中的脫硫參數(shù)。

1 焦?fàn)t煤氣脫硫現(xiàn)狀及問題分析

在多年的發(fā)展中，針對(duì)焦?fàn)t煤氣的脫硫操作可采用的工藝包括有塔-希法脫硫工藝、索爾菲班法脫硫工藝、苦味酸（FRC）法脫硫工藝、氨硫循環(huán)洗滌脫硫工藝、真空碳酸鹽脫硫工藝等。

1.1 脫硫工藝現(xiàn)狀分析

本文所研究的煤化工廠每年生產(chǎn)焦炭的量為110 萬t，為避免焦?fàn)t煤氣直接排放導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問題和環(huán)境污染問題，該廠還配套有生產(chǎn)能力為10 萬t/a 的焦?fàn)t煤氣制備甲醇裝置。本煤化工廠針對(duì)焦?fàn)t煤氣所采用的脫硫工藝為以氨為堿源的HPF 脫硫工藝[2]。目前，該煤化工廠共配置有兩套脫硫裝置，并處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的工藝流程如圖1 所示。

如圖1 所示，本煤化工廠所采用的HPF 脫硫工藝流程與A.D.A 工藝流程類似，都屬于液相催化氧化的脫硫工藝類別。區(qū)別在于HPF 脫硫工藝相對(duì)比與A.D.A 工藝流程具有較好的活性和流動(dòng)性。目前，HPF脫硫工藝在本煤化工廠的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要可歸納為如下兩點(diǎn)：

圖1 焦?fàn)t煤氣脫硫工藝流程圖

1）將HPF 脫硫工藝安裝在焦?fàn)t煤氣凈化工藝的前一個(gè)環(huán)節(jié)，可以減少對(duì)凈化裝置的腐蝕；此外，HPF脫硫工藝的活性較高，其在實(shí)際脫硫操作過程中的能耗較大，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)成本偏低；

2）HPF 脫硫工藝涉及到的工藝設(shè)備較少，后期運(yùn)行和維護(hù)成本低[3]。

1.2 脫硫工藝的問題分析

雖然HPF 脫硫工藝在實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)勢(shì)頗多，但是其在實(shí)際生產(chǎn)中仍存在眾多的問題，具體可歸納如下：

1）從整體上看，該工藝對(duì)應(yīng)的脫硫效果并未達(dá)到預(yù)期效果。經(jīng)實(shí)測得：脫硫塔后所測得H2S 的質(zhì)量濃度最低為300 mg/m3，最高可達(dá)到500 mg/m3，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的200 mg/m3的要求。

2）脫硫工藝對(duì)應(yīng)所得脫硫液中副鹽出現(xiàn)嚴(yán)重的積累的現(xiàn)象，從而造成皮帶走廊被嚴(yán)重腐蝕，且周圍空氣中散布著大量的氨氣味，對(duì)現(xiàn)場作業(yè)人員的身心健康造成影響。

3）脫硫液處理不當(dāng)對(duì)現(xiàn)場再生塔造成嚴(yán)重的腐蝕，并已經(jīng)出現(xiàn)了溝蝕和穿孔的現(xiàn)象。

4）本脫硫工藝對(duì)應(yīng)所得的硫泡沫的水分較多，產(chǎn)品的純度不足，只能以市場低價(jià)進(jìn)行銷售[4]。

綜上所述，為進(jìn)一步提升焦?fàn)t煤氣的脫硫效果，減少對(duì)設(shè)備的腐蝕以及提高硫泡沫的純度，急需對(duì)焦?fàn)t煤氣脫硫工藝進(jìn)行優(yōu)化改造。

2 焦?fàn)t煤氣加壓脫硫工藝的提出與參數(shù)的優(yōu)化

2.1 焦?fàn)t煤氣加壓脫硫工藝的提出

針對(duì)本煤化工廠當(dāng)前脫硫工藝所面臨的問題，并結(jié)合導(dǎo)致上述問題的原因提出新的脫硫工藝?？蓪PF 脫硫工藝所面臨問題的原因歸結(jié)為：煤氣溫度過高、副鹽難處理、系統(tǒng)氨損失嚴(yán)重、產(chǎn)品質(zhì)量差等。

根據(jù)上述原因并結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的脫硫工藝，經(jīng)對(duì)比加壓脫硫工藝與HPF 脫硫工藝相對(duì)具有投資成本小、無副鹽積累、無氨損失以及所得硫膏產(chǎn)品純度高等方面存在明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，擬在本煤化工廠采用加壓脫硫工藝進(jìn)行改造。

2.2 焦?fàn)t煤氣加壓脫硫工藝參數(shù)的優(yōu)化

加壓脫硫工藝中涉及到加壓脫硫脫氨和氣體再生兩部分。因此，為進(jìn)一步達(dá)到采用加壓脫硫工藝后的改造效果，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)脫硫塔操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

目前，脫硫塔的操作參數(shù)的具體數(shù)值如下：煤荒氣溫度為25 ℃，脫硫液溫度為35 ℃，脫硫塔及塔頂清水用量為150 m3/h，脫硫塔的操作壓力為120 kPa[5]。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)操作溫度、操作壓力、脫硫液用量、塔頂清水用量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 操作溫度參數(shù)的優(yōu)化

操作溫度指的是煤荒氣的溫度，不同煤荒氣溫度對(duì)應(yīng)脫硫塔后H2S 和NH3質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 操作溫度對(duì)H2S 和NH3 濃度的影響

如圖2 所示，煤荒氣溫度對(duì)脫硫塔后H2S 質(zhì)量濃度的影響不大，從15 ℃增加至40 ℃，塔后H2S 的質(zhì)量濃度僅從0.01 mg/m3增大為0.2 mg/m3；而對(duì)于NH3而言，從15 ℃增加至40 ℃，塔后NH3的質(zhì)量濃度從1 311 mg/m3增大為4 190 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)要求。由于后續(xù)還要對(duì)影響NH3的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。此處僅考慮對(duì)H2S 的影響，綜合確定將煤荒氣溫度確定為25 ℃。

2.2.2 脫硫塔操作壓力對(duì)塔后NH3濃度的影響

不同脫硫塔操作壓力對(duì)塔后NH3質(zhì)量濃度和鼓風(fēng)機(jī)能耗之間的關(guān)系如圖3 所示。

如圖3 所示，隨著操作壓力的增加，對(duì)應(yīng)脫硫塔塔后NH3質(zhì)量濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而對(duì)應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)等能耗呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，不同在于變化的幅度不同。綜合分析可知，當(dāng)操作壓力從120 kPa 升高至490 kPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)脫硫塔塔后NH3質(zhì)量濃度從1 000 mg/m3降為60mg/m3，而鼓風(fēng)機(jī)能耗僅從1885kW 增大為1890kW。因此，根據(jù)變化趨勢(shì)的緩急程度，最終確定操作壓力為490 kPa。

圖3 操作壓力對(duì)塔后NH3 濃度和鼓風(fēng)機(jī)能耗之間的關(guān)系

2.2.3 脫硫液用量對(duì)塔后煤氣組成的影響

不同脫硫液用量對(duì)脫硫塔塔后H2S 和NH3質(zhì)量濃度的影響曲線，即煤氣主要成分影響之間的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 不同脫硫液用量對(duì)煤氣組分的影響

如圖4 所示，隨著脫硫液用量的增加，塔后H2S用量呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)；而塔后NH3呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為，當(dāng)塔后H2S 質(zhì)量濃度從0.016 mg/m3降低為0.000 2 mg/m3；而塔后NH3的質(zhì)量濃度從31 mg/m3增大為64 mg/m3。綜合分析兩種組分的變化趨勢(shì)，并綜合評(píng)估，為了避免煤氣組分中混入大量的NH3，脫硫液用量最終確定為50 m3/h。

3 結(jié)語

焦?fàn)t煤氣為煤炭焦化過程中副產(chǎn)物，焦?fàn)t煤氣處理不當(dāng)不僅會(huì)造成環(huán)境的污染，而且還會(huì)造成資源的浪費(fèi)。但是，焦?fàn)t煤氣中含有一定量的N、S 等元素的雜質(zhì)，在利用焦?fàn)t煤氣之前需進(jìn)行脫硫、脫氮處理。本文針對(duì)煤化工廠HPF 脫硫工藝所存在的脫硫效率低、副產(chǎn)物純度低以及成本高的問題，采用加壓脫硫工藝對(duì)焦?fàn)t煤氣脫硫處理，并重點(diǎn)對(duì)加壓脫硫工藝中脫硫塔操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化確定，最終確定為：脫硫液用量最終確定為50 m3/h，操作壓力為490 kPa，煤荒氣溫度確定為25 ℃。