碎煤加壓氣化煤氣水分離工藝存在問題及改進措施

祝逢棟

(中海油大同煤制氣項目組，山西 大同 037100)

引 言

氣化是現代煤化工的源頭技術，碎煤加壓氣化是在我國經過多年發展、具有近300臺爐應用的經典氣化技術，在煤制油、煤制甲醇、煤制合成氨及煤制天然氣等煤化工項目廣泛應用，在煤制天然氣項目具有甲烷含量高及附加產品價值高等獨特優勢[1]。碎煤氣化屬于固定床低溫氣化技術，氣化操作溫度為900 ℃～1200 ℃，由此造成蒸汽分解率低，煤中有機物分解不徹底。蒸汽夾雜未分解的有機物冷凝后得到大量煤氣水，且其中有機物雜質多，增大了煤氣水的處理難度[2]。煤氣水分離單元的主要任務，就是把來自氣化工段、煤氣變換冷卻單元的煤氣水通過減壓膨脹及降溫等措施把其中的焦油、中油及煤塵等分別分離出來，處理后的部分煤氣水返回到氣化單元作為洗滌煤氣用水。因此，煤氣水分離單元工藝設計的合理性及實用性，對于煤氣水中焦油、中油等雜質的分離效果具有決定性的作用，對整個氣化裝置的平穩運行具有重要意義。

1 煤氣水分離流程

1.1 煤氣水主要來源

煤氣水主要來自碎煤加壓氣化及下游單元。碎煤加壓氣化爐內底部輸入的氣化劑(蒸汽+氧氣)自下而上與燃料煤在氣化爐里逆流接觸，在操作壓力2.95 MPa～3.05 MPa下經一系列化學反應生成CH4、CO2、H2、CO及H2S等成分復雜的合成粗煤氣，同時將熱量傳遞給逐漸下降的煤層，以500 ℃～600 ℃離開氣化爐。離開氣化爐的粗煤氣經洗滌冷卻器噴淋冷卻，降至204 ℃左右，再經廢熱鍋爐冷卻，氣液混合物被冷卻至180 ℃左右，粗煤氣經氣液分離后，送出氣化界區進入到變換冷卻裝置。粗煤氣攜帶的大部分未分解的有機物被冷凝洗滌下來，洗滌冷凝混合液作為大部分煤氣水送往煤氣水分離裝置。另一部分煤氣水來自變換冷卻單元粗煤氣的冷卻和洗滌所產生的冷凝洗滌液。粗煤氣經來自煤氣水分離裝置高壓煤氣水洗滌，分離出的煤氣水與經過冷卻裝置的粗煤氣洗滌降溫產生的煤氣水混合返回到煤氣水分離裝置的油分離器。另外，進入低溫甲醇洗的粗煤氣經冷卻及石腦油處理的煤氣水也輸入到煤氣水分離裝置[3]。

1.2 煤氣水分離流程

煤氣水分離裝置將收集到的高溫、高壓煤氣水在膨脹器中通過減溫、減壓，將溶解在煤氣水中的氣體分離出來，再通過沉降、上浮、過濾等方法分別將廢水中的焦油、油類、懸浮固體等物質從煤氣水中分離出來。煤氣水分離裝置的主要流程為含塵和含油煤氣水分別經過焦油分離器和油分離器分離后進入到最終油分離器進一步分離，分離后的煤氣水進入到雙介質過濾器，最后進入到產品煤氣水罐中送往后系統酚氨回收裝置。

煤氣水分離流程主要分為含油煤氣水流向、含塵煤氣水流向及分離后兩者混合后煤氣水走向，主要分為三股物流[4]，如第121頁圖1所示。第一股物流，從粗煤氣變換冷卻單元來的含油煤氣水經換熱降溫后進入到含油煤氣水膨脹槽中，煤氣水中所溶解的氣體被釋放出來，減壓至接近大氣壓。減壓膨脹后的煤氣水進入油分離器，由于密度差和不溶性，煤氣水中的油浮到上層，通過溢流堰溢流到油槽，再由油泵送到罐區。經油分離器分離后的煤氣水與含塵煤氣水部分混合進入最終油分離器進一步分離處理。

第二股物流，自碎煤加壓氣化的高溫含塵煤氣水換熱降溫后進入含塵煤氣水膨脹器中膨脹減壓至接近常壓，然后進入初焦油分離器。釋放出來的蒸汽和溶解氣混合物與來自含油煤氣水膨脹槽的膨脹氣一起送到膨脹氣冷卻器冷卻，后送往硫回收裝置進一步處理。含塵煤氣水送往初焦油分離器，在此將含塵焦油和純焦油沉降于分離器下部的錐形體部分，分離出的純焦油送往純焦油槽，再由焦油泵輸送到罐區。下部含塵重質焦油經過均化器返氣化爐燒掉或者裝車外銷。為了避免乳化，需根據重輕油比例設定最終油分離器的操作溫度[5]，故煤氣水分離操作溫度因地而異，因煤而異。

第三股物流，來自初焦油分離器的煤氣水與來自油分離器的煤氣水混合由重力引流一部分進入最終油分離器，另一部分出第一緩沖槽的含塵煤氣水由泵將煤氣水送入煤氣水冷卻器，冷卻到設定溫度再進入最終油分離器。此后，煤氣水再由重力引流入第二緩沖槽，其中一部分煤氣水用煤氣水泵送入氣化單元作為低壓煤氣水；另一部分用煤氣水輸送泵送入雙介質過濾器，過濾后的煤氣水用產品煤氣水泵送往酚回收裝置。

圖1 碎煤加壓氣化煤氣水分離流程

2 煤氣水分離工藝存在的問題及改造措施

2.1 煤氣水分離工藝存在的問題

含塵煤氣水經初焦油分離器分離后，部分進入第一緩沖罐經高壓噴射泵送到氣化爐出口和變換冷卻裝置作為洗滌煤氣用水，剩余煤氣水進入到油分離器脫油。實際生產中一段時間后經常出現高壓噴射煤氣水泵出水量明顯降低的現象，檢查發現泵已堵塞，由此造成泵進口處濾網頻繁更換，其原因主要是含塵焦油分離不徹底，泵料過臟造成。另一方面，焦油分離器的分離效果不好，未分離的焦油也會夾帶到油分離器和雙介質過濾器中，從而進入到酚氨回收裝置中，影響到酚氨回收裝置的穩定運行。清理酚氨回收裝置進口煤氣水罐時發現大量的焦油沉降在底部，也例證了焦油分離器未分離的焦油會攜帶到后續系統中。這樣，煤氣水殘留的焦油導致原料酚水中含油偏高，對后續酚氨回收裝置最明顯的影響是換熱器、塔盤及泵吸入口經常堵塞，情況嚴重時還會導致萃取效果偏差，影響到副產粗酚與稀氨水的質量。

2.2 改造措施分析

含塵煤氣水經初焦油分離器通過重力沉降實現含塵焦油和煤氣水的分離，流速一定的情況下，流體靜置時間越長分離效果越明顯。想得到滿意的分離效果就需延長煤氣水停留時間，使焦油和煤塵混合物實現完全沉降分離，這是提高煤氣水分離效果的有效方法。目前國內現有煤氣水分離工藝流程中通常設一級初級焦油分離器難以達到預期的效果，可采用增設一級焦油分離器或增大初焦油分離器容積的方法延長煤氣水靜置時間，提高分離效果，以保證后續系統的平穩運行。

國內碎煤加壓氣化配套煤氣水分離裝置的初焦油分離器原理相同，結構相似，但設計容積大小各異。目前國內的初焦油分離器主要有兩種設計尺寸。第一種初焦油分離器，φ8 000 mm×6 810 mm，總容積402 m3，以攪拌器為界將初焦油分離器有效容積分為上、下兩部分，其有效容積為297.1 m3，煤氣水在初焦油分離器的設計流量為50 m3/h，則煤氣水在初焦油分離器的靜置停留時間5.9 h；第二種初焦油分離器，φ12 000 mm×8 500 mm，總容積1 170 m3，有效容積855.4 m3，煤氣水在初焦油分離器的設計流量為125 m3/h，則煤氣水在初焦油分離器的靜置停留時間6.8 h。

從以上兩種初焦油分離器的設計尺寸分析，在煤氣水水質、水量相同的情況下，煤氣水在第二種初焦油分離器的停留時間比第一種初焦油分離器要長近1 h，從靜置停留時間上分析，第二種初焦油分離器的沉降分離效果明顯優于第一種。為了強化第一種焦油分離器沉降分離效果，可在其后增設一級焦油分離器，煤氣水的沉降停留時間則變為11.8 h，比擴充容積的第二種初焦油分離器停留時間增長了近5 h，沉降分離效果更為顯著。從設備購置費上分析，增加一級初焦油分離器低于第二種擴充容積初焦油分離器，投資成本更低。據了解，目前國外碎煤氣化煤氣水分離裝置的初焦油分離器均已采用兩級串聯設計，而且初焦油分離器設計容積也較以前有了明顯擴大。

從投資成本及分離效果上分析，增設一級初焦油分離器的設計流程更具優勢，更適用于煤氣水分離裝置。通過增設一級焦油分離器，進一步提高了含塵煤氣水的雜質的分離效果，既減少了對高壓煤氣水泵的堵塞損壞，又降低了雙介質過濾器的運行負荷和使用頻率，明顯延長了雙介質過濾器的更換周期。同時，雙介質過濾器使用效率的提高及過濾效果的改善，使帶入后續酚氨回收裝置的焦油大幅減少，降低酚氨回收脫酚塔等塔板的堵塞，有益于整個系統的穩定運行。

2.3 應用實例

國內某碎煤加壓氣化裝置，根據多年的運行經驗對煤氣水分離裝置進行了技術改造，增加了一級初焦油分離器，經過兩級串聯后的焦油分離器，取得了預期的分離效果。含塵煤氣水中的含塵焦油連續通過一級焦油分離器及二級焦油分離器，在第二級焦油分離器中含塵焦油、焦油及中油等得到徹底分離；煤氣水經二級分離后進入高壓煤氣水噴射泵，基本消除了因含塵焦油堵塞而導致的泵出水不足問題，優化了整個碎煤加壓氣化水系統的運行環境，初焦油分離器的分離效果得到較大改善。

有技術人員認為，將碎煤加壓氣化煤氣水分離裝置中高壓煤氣水泵移到煤氣水分離出口煤氣水儲罐處，既可改善高壓煤氣水泵的輸水環境，也可保證該煤氣水泵的安穩運行。但這樣進一步擴大了煤氣水循環系統，由于高壓循環煤氣水后置，從焦油分離器以后的設備的處理能力都需要擴大才能滿足后續生產的需要，以實現將煤塵和焦油等混合物的完全分離，保證煤氣水分離及后續酚氨回收裝置的穩定運行。

這兩種改進措施均可改善煤氣水運行環境，提高煤氣水分離裝置的分離效果。最終采用何種方法，需由生產單位根據煤氣水分離現場運行情況，結合行業運行經驗，從技術經濟上綜合考慮確定。

3 結論

1) 煤氣水分離是碎煤加壓氣化水處理系統的重要組成部分，主要包括含油煤氣水流向、含塵煤氣水流向及初步分離后的煤氣水走向三部分。經過多年的積累完善，國內煤氣水分離的工藝已趨于成熟。初焦油分離器的分離效果是煤氣水分離乃至整個碎煤加壓氣化水處理系統長周期穩定運行的關鍵，初焦油分離器優化設計是煤氣水分離技術改造的重點。

2) 來自氣化及下游單元的煤氣水匯合流過初焦油分離器，通過重力沉降靜置分層實現含塵焦油和純焦油的分離。初焦油分離器有效容積設計較小，焦油沉降時間不足是焦油分離不徹底、煤氣水循環系統不穩定的主要原因。實例證明，根據煤種產生煤氣水成分的不同，通過擴大初焦油分離器有效容積或增設第二級初焦油分離器的方法，延長煤氣水停留時間，是提高分離效果、改善煤氣水循環系統的有效途徑。

3) 將高壓煤氣水泵后移至煤氣水儲罐處，也可作為改善高壓煤氣水泵運行環境的有力措施，但這樣會進一步擴大煤氣水循環系統，增大了煤氣水分離系統的處理能力，相應設備需提高選型。根據現場實際情況，借鑒行業運行經驗，綜合考慮從優選擇改進措施，是改善煤氣水分離效果的必由之路，對整個煤氣水處理系統的穩定運行具有重要意義。