焦爐煤氣凈化技術的應用現狀與改進

楊小兵(武漢鋼鐵有限公司，湖北 武漢 430080)

0 引言

焦爐煤氣，簡稱為焦爐氣[1]。將兩種以上的煙煤作為煉焦用煤，于爐火中經高溫灼燒、干餾后生成焦油、焦炭的同時，也會產生一種煉焦副產品，即焦爐氣。焦爐氣中含有多種可燃性成分，熱值極高[2]。焦爐氣成分復雜，且產量和產率也隨著焦炭種類、焦炭質量的差異而存在較大的差別[3]。通常情況下，一噸干煤炭經焦爐燃燒后可產生300至350m3體積的焦爐氣，其成分有氫氣、甲烷、一氧化碳、不飽和烴、二氧化碳、氧氣及氮氣等，因此，焦爐氣中含有易燃易爆氣體和有毒有害氣體[4]。焦爐氣排入外界環境，不僅會對生態造成嚴重的危害，還會對動物、人類的生命安全造成威脅。焦爐氣凈化問題是焦爐工業領域備受關注，凈化符合可持續發展戰略的基本要求，也滿足發展低碳經濟的基本戰略[5]。焦爐煤氣經過脫硫、脫氰凈化處理后，其主要成分中可燃性組分含量明顯增加，有害氣體含量顯著降低，有較高的利用價值。

焦爐氣凈化是煉焦過程中最重要的環節之一，許多焦化企業均用傳統煤氣回收工藝過程來處理焦爐氣，工藝過程包括初冷、洗氨、終冷、洗苯四個步驟[6]。直至二十世紀五十年代末期，焦化領域專家在前人的基礎上，自行設計出與我國自主研發的58型號焦爐所匹配的煤氣凈化工藝，例如單塔脫苯工藝、污水處理工藝、氨焚燒工藝、氨法脫硫工藝、硫胺與氨水工藝以及ADA脫硫工藝等幾種。但此機種工藝雖可達到良好的焦爐煤氣凈化效果，但在實際應用過程中發現，幾種工藝會對設備造成嚴重的腐蝕，也會對環境造成嚴重的污染，所得焦爐煤氣質量難以保證，氨苯氣體回收率較低等缺陷。與國外先進的焦爐煤氣凈化技術相比，國內凈化處理工藝水平低下，難以滿足焦爐氣凈化及政府機構對綠色環保和生態保護的標準要求。二十世紀七十年代末期開始，國內許多大型焦化企業紛紛引入國外先進的焦爐煤氣凈化處理工藝技術，以匹配大容積焦化爐的使用[7]。其中，最常用的焦爐氣凈化處理工藝包括氨分解工藝、全負壓凈化工藝以及脫酸蒸氨工藝此三種[8]。

1 焦爐煤氣凈化技術的應用現狀

1.1 煤氣初冷

煤氣初冷指的是焦爐煤氣初步降溫冷卻，使其溫度由最初800℃高溫降低至25℃左右[9]。煤氣初冷過程所用設備為初冷器，冷卻方式有直接冷卻式、間接冷卻式以及直接間接冷卻結合式三種。所用冷卻設備有直冷式噴淋塔、橫管式冷卻裝置以及立管式冷卻裝置三種。直接冷卻式式利用冷卻塔來完成的，直冷方式可冷卻煤氣，也可凈化焦爐煤氣。而間接冷卻方式在冷卻焦爐煤氣過程中，煤氣不會直接與冷卻水接觸，而是借助于換熱器來完成冷卻過程。間接冷卻方式過程中由于冷卻水不直接接觸煤氣，可不受煤氣污染，因此，間接冷卻方式所用冷卻水可重復利用，適用于水資源緊缺的焦化企業?；谥苯永鋮s和間接冷卻的優缺點，多數焦化企業選擇使用直接、間接冷卻結合式來完成煤氣初冷過程。焦爐企業煤氣凈化實踐結果證明，煤氣初冷后，其中所含萘氣體量大大降低。

1.2 焦油脫除與焦油回收

煤氣初冷過程中，多數焦油也會隨著煤氣的冷卻而冷卻，小部分焦油則會進入焦油捕集裝置，和氨水混合。目前多數焦化企業均以氨水焦油分離設備來脫除焦油，此過程還可以有效去除渣塵。一般而言，焦油脫除效果隨著分離時間的延長而逐漸顯著，但隨著分離時間的延長，分離溫度也會下降，使得焦油粘度大大增加，降低分離效果。因此，焦油脫除過程還需要滿足溫度和時間兩個因素。

1.3 萘脫除工藝

粗煤氣中含有約10g/m3萘氣體，經煤氣初冷后，萘氣體含量可降至2g/m3左右，但冷卻后的萘氣體則處于過飽和狀態。焦爐煤氣經管路輸送至下道工序時，可能會在溫度過低或流速過慢的制約下出現萘沉積現象，進而堵塞管路。因此，將焦爐氣體中的萘氣體除去對焦化企業來說至關重要。目前，萘脫除工藝主要有水洗工藝和油洗工藝兩類。其中，以油洗工藝來清洗焦爐煤氣管路，可將其中萘氣體含量降至1g/m3以下，進而降低管路堵塞概率。

1.4 煤氣輸送及煤氣調節

常用的焦爐煤氣輸送設備主要是鼓風機，根據鼓風機結構的差異可將其分為兩種：容積式鼓風機和離心式鼓風機。其中，離心式鼓風機可進行調節，根據要求可進行循環調節、自動調節以及轉速調節。因此，國內多數焦化企業的煤氣輸送設備均選用離心式鼓風機。

2 焦爐煤氣凈化過程中存在的主要問題

焦爐煤氣在凈化過程中存在諸多問題，主要分為以下幾個方面。第一，煤氣初冷問題。橫管初冷器在設備運行期間容易出現故障，導致煤氣在管路中堵塞。因此，初冷需要消耗大量的冷水，且初冷后的煤氣成分中除了氣體，還有煤粉等固體顆粒存在，這些固體顆粒也會對后續高壓氨水無煙裝煤系統的正常運行造成影響。第二，煤氣終冷問題。煤氣終冷階段出現問題主要和此階段所需溴化鋰制冷循環水用量較多有關，焦爐煤氣冷卻終過程是在冷卻塔中進行的，因此，此階段冷卻效果較差。第三，焦爐煤氣經凈化處理后會產生大量的氨氣，氨氣在焦爐煤氣凈化處理過程中容易出現焦化問題。分析原因主要為，在完成蒸氨、生物脫酚兩個步驟后，蒸氨廢水再進行濕法熄焦，容易污染外界環境。且所產生的焦炭溫度并未褪去，技術人員若不對焦炭進行回收，很容易造成資源浪費。

3 焦爐煤氣凈化技術的改進方法

綜合以上分析，可以看出，焦爐煤氣在應用過程中存在諸多問題。為了改善焦爐煤氣凈化工藝中存在的問題，改進凈化技術是必經之路[10]。

3.1 焦爐煤氣凈化環保工藝

3.1.1 廢氣處理工藝

焦爐煤氣凈化廢氣指的是在凈化過程中，由凈化設備中發散出來的、對環境、對人體有害的廢氣[11]。此類廢氣的處理方式如下。首先，若廢氣中含有氨氣、吡啶基鹽類等堿性物質，可以用游離酸企業排出的溶液或工業廢水進行清洗，也可以在煤氣負壓系統中引入煤氣廢氣。其次，若凈化廢氣中含有二氧化硫、三氧化硫等氣體時，可以使用氨水等弱堿性溶液對廢氣進行清洗；若廢氣中含有酚類物質，可使用氫氧化鈉溶液等堿性較強的溶液進行清洗。此外，若凈化廢氣中含有苯類物質，則可以使用洗油清洗或低溫清洗的方式，將廢氣冷凝回收，再引入煤氣負壓裝置中進行深化處理。

3.1.2 廢渣處理工藝

將焦油和氨水進行分離處理后，焦油渣通常被輸送到煤場，再把焦油渣和煤炭混合均勻，進行煉焦處理或和煤炭配伍。苯脫除工藝產生的廢渣以及硫元素脫除中產生的硫磺渣也應該和煉焦煤進行混合，送去焦爐進行回收處理，以此降低廢渣對環境造成的影響。

3.1.3 廢水處理工藝

廢水處理技術主要有兩種，分別為剩余氨水脫酚處理技術和蒸氨廢水處理技術。國外焦爐煤氣處理技術中并不涵蓋剩余氨水脫酚處理工藝，而是將蒸氨處理后的產物直接輸送至生化處理設備中。而國內焦爐煤氣凈化工藝則傾向于將剩余氨水進行脫酚處理，再進行蒸氨處理和生物脫酚處理工序。但由于當前剩余氨水脫酚處理過程需要消耗大量的資金，使得國內很多新型焦化企業傾向于不建設脫酚設備[12]。廢水脫酚處理技術主要有溶劑脫酚、蒸汽脫酚兩大類。

3.2 新型干法凈化技術

為了進一步降低后續工序設備負載壓力，可采用新型干法凈化工藝，從根本上避免循環液體蒸發導致循環效益下降。一方面在保證煤氣質量與環保要求相符的基礎上，可將焦化生產系統轉化為不同的操作模塊，如煤氣凈化、煤氣利用、煤氣原料準備、焦爐熱工、污水處理等。其中煤氣凈化主要包括煤氣冷卻、煤氣焦油脫離、脫硫、脫氨、脫苯等幾個環節。在工藝優化改造過程中，應及時進行物料能量平衡計算，結合上下工藝產生的匹配設置，確定最佳性價比能源指標。

如在焦爐脫苯環節，可將最低成本回收煤氣中最多苯作為主要工作目標，依此為依據對蒸汽、電力、洗油、再生渣及廢水量進行優化操作參數核算，確定最佳操作數值。另一方面可采用連鑄加壓站凈化模式，將煤氣脫萘與煤氣脫硫工藝順序進行適當調整。然后考慮到脫萘裝置內填料再生效益，可采取空氣通入再生的方式，將填料壓力增加到12.0kPa，并利用換熱裝置將溫度控制在125℃左右[2]。最后在焦爐煤氣凈化冷卻雜質分離后，可將其輸送到再生焦爐煤氣主管網絡通道中。將冷卻塔冷凝后產物排入酚水池，綜合采用冷卻噴淋、蒸汽清洗兩種措施，提高焦爐煤氣冷卻實際效益。

此外，在焦爐煤氣干式煤氣凈化系統工藝運行過程中，若煤氣凈化溫度一定，吸附質在吸附劑中的吸附量與吸附質分壓濃度成正比；若煤氣凈化壓力一定，則吸附質在吸附劑中吸附量與吸附溫度成反比，因此在焦爐煤氣干式凈化系統運行過程中，可采取適當升溫、降壓或降溫、加壓措施，便于吸附質吸附或再生。

4 結語

文章結合工作實踐經驗和文獻資料，總結了焦爐煤氣凈化技術、凈化過程中存在的主要問題，以及凈化工藝改進策略?，F階段，我國在焦爐煤氣凈化技術的應用上取得了矚目的成就，但也存在諸多問題。針對此問題，提出改善策略。綜上所述，焦爐煤氣中含有許多對環境有毒有害的物質，也會對設備輸送管路、工作人員造成損害。因此，焦爐煤氣凈化工作至關重要，且需要不斷改良進步。