煤炭直接液化硫酸亞鐵催化劑溶液配制高效運行方案優化探討

劉濤

摘 要：針對硫酸亞鐵在溶解運行中存在板結、溶解效率不足、酸氣腐蝕、物料管控等問題或缺陷進行原因分析，并有針對性地提出解決措施，提升物料溶解效果，滿足安全、穩定運行，積極保障煤炭液化裝置油收率。

關鍵詞：硫酸亞鐵催化劑;溶液配制;運行方案優化

煤炭直接液化制油技術，是以煤炭為主要原料制取可以廣泛應用的石油類產品，該項技術在發展變化中逐步趨于完整、成熟。近年來煤炭液化技術的研究又有了大的發展，催化劑在煤炭化學轉化過程中受到廣泛重視。煤炭直接液化制油所用催化劑按其活性大致可分為三類：一是鐵系催化劑;二是Ni、Mo系石油加氫催化劑;三是Zn、Sn等熔融氯化物。而催化劑參與煤炭液化反應，按形態和加入方式不同可分為分散型催化劑、負載型催化劑、均相催化劑等。在實際應用中，煤直接液化制油多選用分散型催化劑，其制作方法就是將催化劑原料配制為一定濃度的溶液，加入到煤或油煤漿中以達到有效分散活性的目的，從而更好地實現煤到油的轉變。本文就針對鐵系催化劑溶液配制進行一些學習性探討，結合運行中存在問題提出一些可行的解決措施應用于實際生產，提升溶液配制綜合運行效率。

1 存在的主要問題

硫酸亞鐵在配制溶液中主要存在：一是硫酸亞鐵在溶液配制中，水溶液所用熱媒蒸汽助溶存在缺陷，如采用中壓（1.1MPa蒸汽，180℃）蒸汽助溶時間不易過長，否則就會導致溶液溫度過高，影響反應裝置對物料的使用，而短時間、小流量又對物料溶解效果不佳，加之硫酸亞鐵溶解溫度又局限在一定溫度范圍，一般在40-50℃溶解效率最好;二是攪拌方式的選用對物料溶解效率、溶液濃度、運行能耗、設備維護費用等存在的問題;三是硫酸亞鐵溶解過程中存在物料板結（物料未能有效溶解）影響池體有效容積，清池頻率較高（一年兩次之多），費用較大（一次清池費用在10萬以上）;四是溶解過程中采用蒸汽進行助溶，池內熱溶液引發溶解池內的酸霧、水汽向外逸散對廠房內設施、設備的腐蝕影響;五是硫酸亞鐵固料采用裝載機人工加入過程中溶液的飛濺以及固料對池內加熱管、池壁等的損害;六是所儲硫酸亞鐵物料粉塵及結晶水析水（硫酸亞鐵固料含有七個結晶水）所形成的酸性水（pH=1-2）對料場地面的腐蝕、物料儲存自身所形成的酸脂物對物料自身的影響，運輸車輛拉運中硫酸亞鐵析出的水化物對周邊道路、環境的影響;七是整個儲料場及溶解池防滲措施的缺陷，長期運行顯現出的物料下滲、地基下沉問題。

2 改進措施

2.1 溶液配制運行方案對比與選優

在實際運行中不斷嘗試、對比硫酸亞鐵物料溶解效率提高的方法，并通過必要的試驗方法進行試驗，在實際運行中得到良好效果。首先，從增加攪拌以及攪拌方式的選用上，提升物料溶解效率。受實際情況的制約，物料溶解池體形狀有圓形、長方形，但池型對物料溶解影響程度不大，主要影響因素為溶解溫度和攪拌動力。

第一種攪拌方法，采用機泵對溶解池內物料打循環進行噴射攪拌，從運行情況以及池內物料前后沉積情況來看，運行效果良好，但是最大的不足是機泵因結晶物、液體腐蝕等造成機封泄漏頻率高，一年機封更換費用約兩萬多元（年更換機封約8-10套）;能耗大，一年電費約八萬多（33kW電機，24h連續運行），綜合考慮經濟性差。

第二種攪拌方法，利用配制溶液水、蒸汽攪拌，利用水、蒸汽沖力來攪動物料溶解，同時補充溶解所需的熱量，受溶解池容積限制、裝置用量變化、溶液溫度指標要求，攪拌時間與工藝運行形成矛盾，溶液攪拌時間不足，溶解效果不佳，物料在溶解池內形成板結物，池體運行時間縮短，增加清池頻率，運行成本加大。

第三種攪拌方法，采用工廠風相向對流攪拌。在硫酸亞鐵溶解池內不間斷供入工廠風對溶液形成連續擾動來達到對物料的充分攪拌溶解。供風線與蒸汽助溶線間隔布置，通過調節風量、蒸汽量，一則實現對溶解池內物料攪拌，二則借助風量合理調控溶液溫度在合理范圍，實現風與蒸汽相互作用，克服蒸汽助溶溫度控制的不足，溶液溫度既達到溶解合理溫度區間，也有效滿足裝置對物料溫度的需要。通過前期小樣實驗，硫酸亞鐵溶解過程中通入工廠風攪拌，硫酸亞鐵在強酸環境下，溶液鐵離子濃度未發生明顯變化。后期單池改造運行一年后，池內板結物較以往減少約三分之二，清池時間縮短一半，清池維修費用降低近30%。運行中溶液濃度、密度穩定，與以往相比無大的波動，采樣檢測濃度值幾乎都在裝置需要的工藝指標上限值內。在運行成本上該種方式動能消耗最小，維護費用最小。目前，在運溶解池全部采用工廠風攪拌運行。

2.2 溶液配制中溶解池內所產生酸霧、水汽治理

硫酸亞鐵溶解池，因人工間斷倒料、觀察池體運行、溶液狀態，溶解池在設計上為敞口運行，在實際運行中池內產生的酸霧、水汽在溶解池上方彌漫、擴散，對廠房內鋼梁、天車軌道、工藝管線等造成不同程度的腐蝕影響，特別在北方的冬季和氣溫變化幅度大的夜間，廠房內霧氣濃度較大直接影響作業人員視線，對正常的物料接卸、倒料都作業存在著極大地安全隱患。酸霧、水汽在廠房屋頂冷凝后形成水滴大面積下落，下落的水滴經常易造成電器設備腐蝕損壞，對運行設備安全運行也十分不利。實施酸霧回收治理已迫在眉睫，我們針對酸霧性質及危害制定相應的方案。

第一種方案，針對溶解池內逸散出的酸霧、水汽集中收集，之后將這類物料送到一個特制的噴淋塔內用冷卻水進行噴淋冷卻，使酸霧、水汽冷凝變成冷凝液，由塔底排放到溶解池中，以達到回收利用。該方案參與運行設備多，設備材質、后期維護等各項費用較大。

第二種方案，在硫酸亞鐵溶液溶解池上方加蓋以密封整個溶解池，溶解池加蓋上方采用管道通過風機抽出溶解池內的蒸汽并輸送到換熱器上方殼程筒體內。同時用水泵經過冷卻水管道將外部水源（來自自來水或新建水池，為潔凈水）輸入換熱器管程內，由于換熱器殼程內的廢蒸汽溫度較高，而換熱器管程內冷卻水的溫度較低，兩種介質通過換熱管管壁兩側進行熱量交換，使廢蒸汽的溫度降低并冷卻達到酸蒸汽冷凝成液體，同時酸氣中的水蒸汽也同時冷卻或冷凝成水，積存在換熱器殼程筒體下方，然后用循環水泵將殼程筒體內的廢液抽出到溶解池內，完成含酸廢蒸汽的回收全過程。對于還余留在換熱器殼程筒體上部的部分未完全冷凝的廢蒸汽或一次換熱未完全冷凝的廢蒸汽氣體，再通過換熱器筒上部的副線管道連接到風機進風端的管路上，在風機抽出溶解池內氣體的同時，再通過風機抽取換熱器殼程筒體內上部的余留氣體，重新輸送到換熱器內進行二次循環冷卻分離。這個過程在噴淋塔分離過程中始終保持存在，但其再循環分離的氣體量同樣較少。

第三種方案，在池體上方安裝三個抽氣罩，采用離心風機直接將池體上方產生的酸氣、水霧等直接抽出匯集后排至一個密閉的水槽內，由槽內水直接吸收，水槽設有溢流管線，當水槽水位超高后溢流到硫酸亞鐵溶解池內，水槽設有液位、溫度、壓力監控，水槽吸收液位過低時，水槽設有自動補水裝置進行自動補水。排氣管線設有低點凝液排液系統，管線內產生的凝液及時排至溶解池內回收。

2.3 精細化管控滿足保環境、保質量

硫酸亞鐵在長距離運輸過程，鑒于物料自身存在析水的情形，物料運輸車輛底部采用防滲材料進行防護，克服物料在運輸途中析滲出的酸性物料對運輸車輛和道路造成的危害。對運輸車輛在運輸、裝卸中產生的零散物料集中回收利用，杜絕隨意丟棄造成周邊環境危害。

在物料儲存場所，嚴格防滲措施和析出結晶水回收措施，同時做好儲存場所粉塵防控措施和衛生定期清理制度。儲存物料執行先來先用，物料加注時進行提前備料，對塊狀物料進行破碎、混勻，注入時控制注入量，克服物料注入對池內設施造成損壞;場地循環儲用，定期檢測、分析，提高物料有效使用，克服不合格物料和無效管控物料對環境和生產造成次生危害。

3 總結

煤炭直接液化技術所使用的鐵系催化劑，對促進該工藝油收率有著重要作用，從每一個環節細化工藝管控意義重要。在實際運行中存在不同的問題，我們需要從物料、設備、工藝、管理等諸方面不斷改進思路，立足經濟、環境、安全去創新，力爭以最為合理的運行方案促進煤炭直接液化技術高效、健康地發展。

參考文獻：

[1]吳秀章.煤炭直接液化工藝與工程[M].北京：科學出版社，2015.