趙振強(qiáng)，徐俊輝，王興雙，詹 信，胡四斌

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

煤炭在煉焦過(guò)程中，經(jīng)中、高溫干餾后，在產(chǎn)出蘭炭/焦炭和焦油的同時(shí)，所得到的可燃?xì)怏w是煉焦的副產(chǎn)品，經(jīng)凈化處理后稱為焦?fàn)t氣/荒煤氣[1]。由于以不同煤為原料，經(jīng)過(guò)中、高溫干餾進(jìn)行生產(chǎn)的蘭炭/焦炭所得到的荒煤氣/焦?fàn)t氣中，其各個(gè)組分的含量是不同的，但其所呈現(xiàn)出的共性為荒煤氣/焦?fàn)t氣中均含有焦油、萘以及硫化物等多種雜質(zhì)[2]，且焦油的成分特別復(fù)雜，已經(jīng)探明的所含物質(zhì)有500多種[3]。目前，國(guó)內(nèi)所有煉焦?fàn)t、蘭炭爐中副產(chǎn)的焦?fàn)t氣或荒煤氣，壓力基本接近常壓，荒煤氣/焦?fàn)t氣作為原料送到下游裝置需要增壓，因?yàn)閴嚎s機(jī)內(nèi)部流道狹小，荒煤氣/焦?fàn)t氣中含有的焦油和粉塵更容易在壓縮機(jī)缸內(nèi)黏結(jié)、沉積?；拿簹?焦?fàn)t氣中焦油會(huì)引起壓縮機(jī)的流道堵塞，壓縮機(jī)打氣量和壓比小于設(shè)計(jì)值，觸發(fā)壓縮機(jī)防喘振保護(hù)系統(tǒng)而跳車，致使焦?fàn)t氣或荒煤氣壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)行周期短至數(shù)月到半年，停車清焦頻率過(guò)大，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)置原料氣凈化處理裝置，在進(jìn)壓縮機(jī)壓縮前及壓縮過(guò)程中充分脫除焦油、粉塵等雜質(zhì)，降低壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中結(jié)焦和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的周期，是焦?fàn)t氣/荒煤氣綜合利用項(xiàng)目中需要考慮的首要問(wèn)題。

1 荒煤氣/焦?fàn)t氣深度除焦的必要性

國(guó)內(nèi)焦化廠荒煤氣/焦?fàn)t氣進(jìn)氣柜前典型的預(yù)處理措施見(jiàn)圖1。來(lái)自焦炭爐的荒煤氣通過(guò)粗氨水洗滌進(jìn)行初步除焦后，用水冷降到20～25℃，然后再通過(guò)電捕焦油器除焦油，洗滌和電捕焦油均在微負(fù)壓環(huán)境下操作，出于安全考慮，電捕焦油位置也可能在風(fēng)機(jī)增壓后。出電捕焦油器的荒煤氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)增壓至約10 kPa(g)，然后進(jìn)入脫硫、脫苯、脫氨等環(huán)節(jié)，最后送至氣柜的荒煤氣/焦?fàn)t氣中焦油可降至約25 mg/Nm3，苯萘等可降至160 mg/Nm3。

圖1 荒煤氣/焦?fàn)t氣進(jìn)氣柜前預(yù)處理的典型工藝流程

來(lái)自氣柜的荒煤氣/焦?fàn)t氣進(jìn)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，荒煤氣中仍含有一定量的焦油等雜質(zhì)，離心壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中仍存在結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。從國(guó)內(nèi)調(diào)研工廠及壓縮機(jī)廠家反饋的情況來(lái)看，某些工廠焦?fàn)t氣壓縮機(jī)均存在結(jié)焦問(wèn)題，導(dǎo)致其壓縮機(jī)正常運(yùn)行周期基本不超過(guò)半年，最短2～4月必須停車清焦處理。結(jié)焦嚴(yán)重的基本都出現(xiàn)在壓縮機(jī)高壓缸的級(jí)間隔板、軸端密封和葉輪處(見(jiàn)圖2、圖3)。有的工廠高壓缸的段間冷卻器出口換熱管及管箱也有一定程度的結(jié)焦，而低、中壓缸結(jié)焦情況相對(duì)較好，說(shuō)明焦油在高壓下更容易發(fā)生結(jié)焦情況。為了減少停車檢修時(shí)間，有的工廠甚至專門備用了壓縮機(jī)或高壓缸轉(zhuǎn)子。因此，在上述常規(guī)的預(yù)處理裝置后，還必須考慮荒煤氣/焦?fàn)t氣進(jìn)一步的深度凈化處理，保證壓縮機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 國(guó)內(nèi)某工廠的荒煤氣壓縮機(jī)軸段密封結(jié)焦情況

圖3 國(guó)內(nèi)某工廠的荒煤氣壓縮機(jī)高壓缸內(nèi)結(jié)焦堵塞情況

本文結(jié)合所調(diào)研的幾家工廠的焦?fàn)t氣壓縮機(jī)運(yùn)行情況及某荒煤氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探討幾種在荒煤氣/焦?fàn)t氣壓縮機(jī)入口或段間脫除焦油、粉塵的方法，為焦?fàn)t氣/荒煤氣壓縮機(jī)在壓縮介質(zhì)深度凈化方面提供參考。

2 離心式壓縮機(jī)除焦油的方法

目前，國(guó)內(nèi)在荒煤氣/焦?fàn)t氣壓縮機(jī)壓縮工程中，脫除焦油方面使用較多的措施有二次電捕焦油、段間噴水(油)、吸附脫除、段間油洗等。各種措施布置的位置各有差異，除油效果也各不相同。

2.1 二次電捕焦油

電捕焦油器是利用高壓直流電場(chǎng)的作用分離焦油霧滴和煤氣，電捕焦油器可設(shè)于焦?fàn)t煤氣鼓風(fēng)機(jī)之前或之后的位置。電捕焦油器與機(jī)械除焦油器相比，具有捕焦油效率高、阻力損失小、氣體處理量大等特點(diǎn)。不僅可保證后續(xù)工序?qū)怏w質(zhì)量的要求，提高產(chǎn)品回收率，而且可明顯改善操作環(huán)境。

焦化廠常用管式電捕焦油器的焦油脫除率可達(dá)99%。由于焦?fàn)t氣/荒煤氣在進(jìn)氣柜前基本上已經(jīng)過(guò)一次電捕焦油過(guò)程，出氣柜焦油含量可降至25 mg/Nm3以下。在進(jìn)壓縮機(jī)前，如再經(jīng)過(guò)一次電捕焦油過(guò)程，可使焦油、粉塵含量降至8 mg/Nm3以下。這樣對(duì)于減緩壓縮機(jī)結(jié)焦過(guò)程、延長(zhǎng)裝置運(yùn)行周期有一定的意義。但二次電捕焦油除油效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一次電捕焦油，難以達(dá)到預(yù)期效果。

2.2 段間噴水(油)

壓縮機(jī)段間噴水(油)主要指在壓縮機(jī)各段入管道設(shè)置霧化噴淋裝置，缸體內(nèi)設(shè)置級(jí)間隔板噴水等，使懸浮在荒煤氣中的焦油、粉塵霧滴吸附在水滴之上，焦油、粉塵在液滴之上逐漸吸附聚集，經(jīng)壓縮后冷卻分離至段間分離器分出，噴水(油)可以根據(jù)壓縮機(jī)振動(dòng)情況間斷操作或連續(xù)操作。部分工廠實(shí)際應(yīng)用后反饋單獨(dú)噴水使用效果不佳。

2.3 吸附脫除

荒煤氣進(jìn)入吸附設(shè)備，其內(nèi)部的吸附劑對(duì)不同雜質(zhì)進(jìn)行有選擇地吸附。在吸附過(guò)程中，荒煤氣中的焦油、萘、粉塵等物質(zhì)被有效吸附脫除，而未被吸附脫除的甲烷、一氧化碳、氫氣等從吸附設(shè)備排出。

吸附脫除分為可再生吸附(如TSA)和非再生吸附(常用焦炭、活性炭)。TSA變溫吸附工藝需要一定數(shù)量的程控閥門來(lái)進(jìn)行操作，整體投資和占地較大，另外，需要外部熱源供應(yīng)用于吸附劑再生。一些工廠抽取一部分吸附出口的凈化焦?fàn)t氣加熱后用于再生，再生氣返回去焦?fàn)t燃燒回收。再生工藝的吸附劑壽命較長(zhǎng)，可達(dá)2～3年，比非再生工藝具有更好的吸附效果。非再生吸附工藝的吸附劑消耗量較大，最多一年需要更換一批吸附劑。

焦化得到的荒煤氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，可以利用TSA變溫吸附工藝對(duì)其內(nèi)部具有較高含量的焦油、萘等進(jìn)行進(jìn)一步處理，其涉及到的設(shè)備包括吸附床(2臺(tái)及以上的復(fù)合床)、加熱器、冷卻器、吸附劑與相應(yīng)數(shù)量的閥門。一般設(shè)置于壓縮機(jī)前后缸之間或兩臺(tái)壓縮機(jī)之間，焦油含量可期望脫除至1 mg/Nm3。

2.4 段間油洗

相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)于油洗脫除荒煤氣/焦?fàn)t氣中的雜質(zhì)也有一定的研究。有研究發(fā)現(xiàn)，油洗對(duì)于焦?fàn)t氣中的苯、萘等雜質(zhì)有較好的脫除效果[4，5]。壓縮機(jī)段間油洗的處理方式有兩種：第一種是在壓縮機(jī)各段入口管道上設(shè)置洗油霧化器，霧化后的洗油劑與荒煤氣混合，焦油等雜質(zhì)吸附溶解在洗油劑液滴中，壓縮后的雜質(zhì)經(jīng)過(guò)冷卻分離得以脫除；第二種是在壓縮機(jī)段間設(shè)置油洗塔(填料或板式塔)，多段逆流吸收荒煤氣中焦油、苯、萘等雜質(zhì)，可達(dá)到較好的處理效果。洗油通過(guò)塔底的洗油泵被送到塔頂霧化噴頭，在洗油塔內(nèi)循環(huán)。為保證吸收效果，通過(guò)定期或連續(xù)排出塔底洗油廢液，維持吸收平衡。另外，為保證較好的塔頂噴淋洗油的霧化效果，霧化噴頭的小孔孔徑較小，霧化噴頭易被堵，因此油洗塔塔底的循環(huán)洗油需要過(guò)濾后再進(jìn)入霧化噴頭。霧化洗油劑采用一種堿性重質(zhì)油，配成一定濃度的水溶液。

高壓缸易結(jié)焦可能的原因是高壓下焦油易聚結(jié)，且高壓缸流道更狹窄。因此，在壓縮機(jī)的高壓缸采取除油措施會(huì)更有效，在高壓缸入口設(shè)置油洗塔對(duì)于降低壓縮機(jī)高壓缸結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)更具針對(duì)性。在調(diào)研某工廠通過(guò)改造設(shè)置油洗塔后，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行周期至少增加到一倍以上。工廠運(yùn)行記錄表明，當(dāng)運(yùn)行段間油洗后，壓縮機(jī)的振動(dòng)值從超過(guò)40μm降到約20μm，證明油洗的效果顯著。

3 脫除荒煤氣/焦?fàn)t氣焦油方法對(duì)比

結(jié)合工廠實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了某20萬(wàn)Nm3/h荒煤氣處理量的離心式壓縮機(jī)深度凈化方案(以除油為具體目標(biāo)值)，對(duì)幾種深度凈化方案進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表1)。

表1 不同除焦油措施對(duì)比

從表1可以看出，表中方案對(duì)壓縮機(jī)壓降的影響可以忽略。電捕焦方案操作簡(jiǎn)便，投資成本相比較低，占地適中，分離下來(lái)的焦油需集中收集再利用。電捕焦油器對(duì)于焦油含量高的原料氣脫除效率較高，可達(dá)99%，但是對(duì)于焦油含量較低、脫除要求又較高的，如焦油含量要求脫至5 mg/Nm3以下時(shí)，電捕焦油器又不能滿足要求，且脫除效率較低。TSA吸附脫除可以較好地達(dá)到吸附效果，但是固定投資成本及運(yùn)行操作費(fèi)用較高，另需要設(shè)備較多，所需占地面積較大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生固廢處理問(wèn)題。

油洗塔工藝在目前的荒煤氣/焦?fàn)t氣壓縮過(guò)程中還處于開(kāi)拓性應(yīng)用階段，首先針對(duì)不同來(lái)源的荒煤氣/焦?fàn)t氣原料，其雜質(zhì)的細(xì)分種類及含量會(huì)有差異，因而洗油劑成分需要針對(duì)其原料特性進(jìn)行配置，同時(shí)洗油補(bǔ)充量需要根據(jù)實(shí)際操作進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最佳的除油效果和適度的補(bǔ)油量。油洗塔工藝占地較小，投資和操作成本適中，再輔以壓縮機(jī)段間噴水(油)措施，是一種兼顧成本的較優(yōu)手段，但需要考慮洗油廢液的處理，同時(shí)在操作過(guò)程中控制好噴水(油)量，避免造成壓縮機(jī)部件損壞。

以上方案目前均已有運(yùn)行業(yè)績(jī)。油洗塔工藝因其投資低、布置占地小、流程簡(jiǎn)便易于長(zhǎng)周期穩(wěn)定操作等，將會(huì)是未來(lái)荒煤氣/焦?fàn)t氣制合成氣離心壓縮過(guò)程中脫除焦油、粉塵等的一種重要手段。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)已有工廠使用TSA吸附、油洗塔組合的手段，以達(dá)到更好的凈化效果。

4 結(jié)語(yǔ)

使用TSA吸附脫除，油洗塔單獨(dú)應(yīng)用在深度除焦過(guò)程中，都能取得較好的效果。當(dāng)上游預(yù)處理后的焦油含量未達(dá)到預(yù)期指標(biāo)或波動(dòng)較大時(shí)，TSA吸附脫除+油洗塔、段間噴水(油)+油洗塔組合使用，可以確保達(dá)到更好的除焦效果。

隨著荒煤氣/焦?fàn)t氣制合成氣及下游深加工領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，采取合理的深度凈化措施，保證荒煤氣/焦?fàn)t氣壓縮機(jī)長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行，最大程度提升荒煤氣/焦?fàn)t氣深度開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益，將是煉焦行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。