重鋼環保搬遷焦爐煤氣二次精凈化技術的應用與研究

摘要：焦爐煤氣二次精制工藝，采用“粗精脫三段串聯塔式全干法凈化”的TSA法，脫除焦爐煤氣中H2S的同時一次性除去焦油、萘、苯雜質，得到合格的凈化焦爐煤氣。TSA吸附裝置是由脫焦油、萘系統和脫苯系統組成的。

關鍵詞：焦爐煤氣；精凈化；變溫吸附TSA

中圖分類號：TQ545文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）16-0013-03

焦爐煤氣凈化主要是脫除焦爐煤氣中的有害成分，具體包括冷卻和輸送出爐煤氣、脫除煤氣中的H2S、HCN等酸性氣體和NH3類堿性氣體、脫除及回收煤氣中的焦油類、苯類等物質以及萘等。焦爐煤氣凈化分為一次凈化和二次凈化。一次凈化主要在焦化部分，凈化工藝包括鼓冷、洗滌、解析以及后處理等主要工序內容。二次凈化主要是根據用戶對焦爐煤氣成分的特殊要求而再次采取精凈化措施。

1概述

重鋼集團環保搬遷工程余熱回收利用項目共設三套50 MW燃氣－蒸汽聯合循環發電機組。三菱燃氣輪機運行啟動點火和助燃采用凈化后焦爐煤氣。另預留一套三菱50 MW燃氣－蒸汽聯合循環發電機組建設場地。由于三菱機組燃機對焦爐煤氣的質量要求很高，同時焦爐煤氣中所含雜質包括H2S、苯、萘等多種復雜成份，不經過凈化燃放會形成對大氣和環境的污染，形成SO2等有害氣體，同時苯、萘等化學物質對人體也十分有害，焦油等也嚴重污染工作環境，常規的煤氣凈化工藝無法達到要求。經過多方面比較，淘汰了落后的電捕焦油器式的焦爐煤氣凈化等工藝，選用先進的變溫吸附TSA工藝。

2焦爐煤氣精凈化煤氣成份要求

原料焦爐煤氣雜質成份如表1所示，GE機組對焦爐煤氣雜質成分要求如表2所示，三菱機組對焦爐煤氣雜質成分要求如表3所示。

3TSA工藝流程

重鋼環保搬遷CCPP工程22 000 Nm3/h焦爐煤氣凈化采用變溫吸附TSA工藝，有效地脫除焦爐煤氣中的萘、硫化氫、焦油、HCN、氨等物質。整個裝置包括焦爐煤氣脫硫、初脫萘、精脫苯系統，以及儀表空氣、循環冷卻水以及電力、工業氮氣等單元構成。

①TSA工藝基本原理。采用TSA分離氣體工藝技術從焦爐煤氣中脫除萘、苯、焦油等雜質的過程，即焦爐煤氣凈化過程，是利用各種TSA新型吸附劑，對煤焦油有很強的吸附作用，萘及不飽和烴也能在吸附劑表面發生聚合反應，生成分子量大的聚合物。其次采用變溫吸附，利用吸附劑在不同溫度下對烴類化合物和其他較高沸點化合物的吸附性質的差異，對氣體進行分離凈化的一種方法。實現吸附—解析過程的循環。

②TSA工藝流程簡述。根據凈化煤氣產品指標，本裝置采用“粗精兩段串聯塔式全干法凈化”工藝，在脫除焦爐煤氣中H2S的同時除去焦油、萘、NH3和HCN等雜質，得到合格的凈化煤氣。焦爐煤氣凈化工藝由兩個部分組成，第一部分采用干法粗脫（變溫吸附TSA）技術脫除原料煤氣中的焦油、油霧、萘、H2S雜質，第二部分采用精脫（變溫吸附TSA）技術進一步脫除焦爐煤氣中的H2S和殘余的雜質，產出合格的產品氣。TSA工藝流程如圖1所示。

4TSA工藝方案

根據GE機組及三菱機組的凈化煤氣產品指標，本裝置采用全干法凈化工藝（TSA變溫吸附技術）。焦爐煤氣凈化裝置由粗脫系統、一級精脫系統、二級精脫系統三部分組成，分別達到GE機組和三菱機組的燃氣要求。工藝上考慮粗脫系統、一級精脫系統按凈化煤氣22 000 Nm3/h處理能力考慮，從合格的凈化煤氣中分出13 372 Nm3/h去GE機組，其余的凈化煤氣再經二級精脫系統，進一步脫除苯、硫等，達到三菱機組的燃氣要求后，7 800 Nm3/h凈化氣去三菱機組。

粗脫系統采用變溫吸附粗脫技術脫除原料煤氣中的H2S，同時脫除部分的焦油、油霧、萘等雜質，一級精脫系統采用變溫吸附TSA技術脫除焦爐煤氣中的萘、苯、焦油、氫氰酸和氨等雜質，二級精脫系統采用變溫吸附TSA技術進一步脫除苯等雜質，經過三部分的處理分別得到GE機組及三菱機組所需的合格凈化煤氣。

工藝特點：能徹底解決吸附劑精脫的同時大量吸附硫，導致吸附劑性能下降，更換頻繁，造成直接損失及間接損失的問題。

先粗脫后精脫的工藝保證措施：

①粗脫劑選擇硫容高、選擇性好的吸附劑。

②粗脫塔、精脫塔配有凈化后的焦爐煤氣脫硫、萘等管線，定期用加熱后的凈化焦爐煤氣對吸附劑表面上吸附的雜質等進行脫附，延長了吸附劑的使用壽命。

由于再生煤氣需返回煤氣管網系統（主管壓力10 kPa），考慮到凈化系統有3～5 kPa左右的壓降，而原料氣的進氣壓力又非常低（8 kPa），所以要保證焦爐煤氣的正常輸送，必須先對原料氣進行升壓。本裝置設三臺增壓風機，2開1備，采用美國AB變頻調節。

4.1粗脫系統

粗脫系統主要目的是脫除硫、部分萘、焦油等。

粗脫系統由4臺粗脫塔（2臺為1組，2組串并聯），1臺粗脫換熱器，1臺電加熱器組成。粗粗脫塔內裝填有專用吸附粗脫的吸附劑，可交替進行吸附和再生過程，實現連續有效。當其中2臺粗脫塔吸附飽和后，切換到另2臺并聯操作的粗脫塔；飽和的粗脫塔采用電加熱器加熱蒸汽至300～320℃進行再生；解析完成后，停止加熱再生氣，用常溫的凈化煤氣吹掃吸附床層，粗脫塔冷卻至常溫，冷吹用的凈化煤氣送回煤氣管網。

特點：粗脫塔的切換時間約為20 d，能保證粗脫塔的再生更徹底，粗脫吸附劑升溫和降溫速度合理，合理延長吸附劑的使用壽命。

粗脫劑包括：氧化鋁耐火球、焦炭、活性炭等。

4.2一級精脫系統

一級精脫系統主要目的是進一步脫除H2S、萘、焦油、氫氰酸和氨、部分苯等。

一級精脫系統采用變溫吸附脫萘等方案，共由3臺精脫塔、一臺加熱器組成。其中一級精脫塔一臺吸附，一臺再生，一臺處于備用狀態。

來自粗脫工序的焦爐煤氣，自塔底進入1臺一級精脫塔，其中一臺處于吸附脫油、精脫狀態、一臺處于再生狀態，另一臺處于備用狀態。當一級精脫塔吸附萘、苯、焦油等飽和后即轉入再生過程。一級精脫塔的再生過程包括：加熱脫附雜質、冷卻吸附劑兩道工序。

特點：一級精脫塔的切換時間約為25 d，能保證一級精脫塔的再生更徹底，脫萘劑升溫和降溫速度合理，延長吸附劑的使用壽命。同時使得解吸氣管道吹掃的更干凈，降低了解吸氣中的雜質對解吸氣管道的堵塞、腐蝕能力。

經過粗脫、一級精脫系統出來的煤氣即為滿足GE機組要求的合格凈化煤氣，一部分去GE機組，另一部分進入二級精脫系統進一步凈化以滿足三菱機組的要求。

4.3二級精脫系統

二級精脫系統主要目的是進一步脫除苯及殘余的其他雜質等。

二級精脫工藝采用變溫吸附脫苯方案，共由2臺二級精脫塔、一臺加熱器組成。其中二級精脫塔一臺吸附，一臺再生，通過裝置的閥門切換實現在線切換精脫塔的操作。

來自一級精脫系統的凈化煤氣，自塔底進入1臺二級精脫塔，其中一臺處于吸附脫苯、精脫狀態，一臺處于再生狀態。當二級精脫塔吸附苯等飽和后即轉入再生過程。再生方法為利用凈化后的煤氣（流量控制）經過精脫換熱器（C102）加熱到130℃后對精脫塔進行直接升溫沖洗再生，將精脫塔中的雜質脫附出來，再生氣去界外煤氣管網。

二級精脫劑包括：氧化鋁耐火球、活性炭、溶劑回收炭等。

4.4TSA工藝流程流程特點

焦爐煤氣凈化過去通常采用輕油洗滌吸收萘、焦油等大分子量物質，采用濕法脫除硫化氫（氨水吸附法、栲膠法、PDS法等），但這些方法流程長、操作復雜、投資大，因此本方案選擇工藝流程短、操作方便的干法工藝凈化焦爐煤氣。

①技術特點：采用TSA工藝可靠、有效地脫除粗煤氣中的油霧、焦油、萘、硫、苯等物質，性能可靠。

②采用全自動操作，勞動強度低。

③特殊的脫除塔內部結構設計使進設備的焦爐煤氣氣流分布更加合理；在塔底排污口設有蒸汽吹掃管，確保凈化過程中不致于因硫磺、萘等物質引起堵塞。

④復合床裝填技術：裝填后料層均勻，氣流分布更好，可防止氣體偏流。

⑤凈化工藝采用高吸附容量的吸附劑，可降低裝置的投資和運行費用。

5經濟效益

一套TSA焦爐煤氣精制裝置訂貨價：約1 400萬元。如采用常規電捕焦油器及相應供配電設施，總投入約1200萬元。

運行費用比較：常規COG凈化裝置：用水量：（連續/間斷）35 t/h，供電：380v/220V 50 Hz AC 160 kW。TSA COG精制裝置：用水量：（連續/間斷）30 t/h ，供電：380 V/220 V50Hz AC 75 kW。

經估算TSA COG精制裝置運行費用每年節省約60萬元(未包括減少檢修次數，燃機多發電產生的效益，該部分約600萬元)。

6社會和環境效益

重鋼集團老區運行的50 MW燃氣—蒸汽聯合循環機組采用常規煤氣凈化工藝，主要設備為電捕焦油器。該工藝實際運行證明運行效果差，對環境造成一定污染。由于采用電捕焦油器對焦油清除不充分，對于苯、硫、萘等均無法脫除，經常造成燃機設備腐蝕、管道或燒嘴堵塞等情況， 由于頻繁進行停機檢修，嚴重影響了GE燃機的發電量和發電效率，從而影響了經濟效益。

采用以吸附為主要原理的新型TSA焦爐煤氣精制工藝，基本上不對環境造成污染，操作簡便、安全，可保證在線檢修，整個工藝可無人值守。關鍵是能夠完全滿足燃機對COG質量的要求，對燃機的發電提供了保障，年發電量可達10.6億度，同時避免了含硫氣體對燃機設備的腐蝕，減少燃機的維護成本，產生可觀的社會和環境效益。

7結語

采用先進的TSA工藝可以通過變溫吸附粗脫和精脫（根據工藝要求的不同，可設置一、二級精脫）等過程，清除焦爐煤氣中存在的各種雜質（如S、焦油、苯、萘等）。根據用戶的對焦爐煤氣雜質含量的要求，確定相應的工藝流程。

重鋼環保搬遷工程CCPP項目22 000 Nm3/h焦爐煤氣精凈化裝置由于采用一套美國通用(GE公司)燃氣輪機、二套日本三菱燃氣輪機，由于兩種燃機對焦爐煤氣雜質含量的不同要求，決定了本工程采用了粗脫、一級精脫、二級精脫的工藝，對雜質含量要求較低的GE燃機采用一級精脫后的焦爐煤氣，對雜質含量要求較高的三菱燃機采用二級精脫后的精凈化焦爐煤氣， 該項目在國內是首套采用一套煤氣凈化裝置滿足兩種不同類型燃機發電的工藝流程。

主要創新點:采用了粗精脫三段全干法變溫吸附工藝；選用先進的活性炭類吸附劑，解決了因固體含硫廢棄物填埋，導致土壤酸化二次污染的吸附選型上的難題；該類吸附劑失效后，由專業廠家回收，進行高溫燃燒，最終實現固體廢棄物零排放；可靠性高，全過程可實現無人值守，在線切換和檢修。

參考文獻：

[1] 高建業，王瑞忠，王玉萍.焦爐煤氣凈化操作技術[M].北京: 冶金工業出版社，2009.