PSA技術在焦爐煤氣凈化中的應用

謝國進 黃光永

（廣西科技大學機械與汽車工程學院 廣西柳州545006）

1 前言

近年來，國內一些中厚板廠陸續新建一批中厚板熱處理生產線，總體來說，國內中厚板專用品種生產能力仍較低，品種結構難以滿足市場需求。某鋼企為提高中板的專用板比例，擴大產品品種范圍、提高產品檔次，一期建設一條中板常化熱處理生產線，主要用于鋼板的正火和回火。依據不同熱處理要求，鋼板在熱處理爐內經加熱、保溫，完成鋼板常化、高溫回火和中溫回火的熱處理要求，以改善鋼板的性能。常化熱處理爐設計用氣量為7000Nm3／h，焦爐煤氣凈化前后的指標見表1，對原料焦爐煤氣進行精制凈化處理，脫除焦爐煤氣中的有害成分，避免給后續使用煤氣設備壽命、大氣及環境造成影響。

表1 焦爐煤氣凈化前后指標

2 凈化流程介紹

焦化廠通過動力介質管網，將焦爐煤氣輸送到中板常化熱處理生產線廠房，經過煤氣凈化裝置凈化后，供常化熱處理爐使用。凈化流程框圖及工藝流程如圖1、圖2所示，焦爐煤氣管網壓力為3kPa～9kPa，首先進入電捕焦油器除去焦油，再進入由二塔組成的脫硫塔，通過脫硫劑脫除焦爐煤氣中的硫化氫，然后進入由三塔組成的PSA變壓吸附塔，經過硅膠、活性炭吸附劑進行脫苯脫萘后，將精制凈化后的煤氣送往常化熱處理加熱爐。對于變壓吸附（PSA）操作單元，其正常運行時，二塔處于吸附狀態，另一塔處于再生狀態的不同階段，吸附和再生交替操作，通過自動開閉程控閥門得以實現。再生吹掃氣采用加壓精制煤氣，吹掃后的含苯氣返回其它煤氣主管網下游。

圖1 焦爐煤氣凈化裝置流程框圖

圖2 焦爐煤氣凈化裝置工藝流程圖

焦爐煤氣凈化裝置系統為全密閉系統，沒有三廢排放，特別是沒有傳統蒸汽再生所產生的大量污水，操作環境好，采用加壓精制氣再生工藝，徹底解決了現場操作環境污染和廢水排放與處理問題，不使用電加熱器，降低了設備運行能耗。另外，系統采用脫硫＋PSA精制工藝的方法，精制再生能耗低、吸附劑使用壽命長，產品氣體質量有保證，所有操作切換均為全自動操作，操作簡單可靠。

3 凈化原理及設備

該套煤氣凈化裝置主要采用電捕焦油、氧化鐵脫硫及PSA變壓吸附脫苯脫萘技術。焦爐煤氣首先經過電捕焦油器去除焦油，避免吸附劑被焦油粘結，脫硫塔中的填充焦炭，可吸附煤氣中的水分，保證脫硫劑不會被煤氣中的水分板結。煤氣脫硫采用的是干法脫硫工藝，干法脫硫有活性炭法、氧化鐵法、氧化鋅法以及分子篩法等工藝方法［1］。比較濕法脫硫方法，干法脫硫效率高，適宜處理含H2S較低的煤氣，不產生脫硫劑廢液、投資低、工藝操作也較簡單。變壓吸附（PSA）是一種新型的氣體吸附分離技術，基本原理為：利用吸附劑對混合氣體中的各組分具有選擇吸附的特性，通過增壓來實現對混合氣體的吸附分離，通過降壓來實現吸附劑的再生，以此來完成對不同氣體的分離［2］。

電捕焦油器均由筒體、沉淀極、電暈極、上下吊架、氣體再分布板、吹洗管、絕緣箱和饋電箱等部件組成。蜂窩式電捕焦油器是由通道截面為正六邊形的蜂窩管組成，具有結構緊湊合理、沒有電場空穴、空間利用率高、重量輕、耗鋼材少和捕集特性好等優點。焦爐煤氣中，含有0.1μm～100μm的顆粒狀懸浮焦油霧，電捕焦油器入口焦油霧含量≤100mg／Nm3，可通過電捕焦的方法脫除，電捕焦油器的捕集效率在99%以上，保證了出口焦油霧含量≤10mg／Nm3。在電捕焦油器沉淀極（陽極）和電暈極（陰極）之間的高壓直流電場作用下，煤氣中的焦油霧、粉塵、水霧等被捕集在沉淀極上，最終靠自身重力沿極板下落，通過焦油出口排出。根據焦爐煤氣處理量為7000Nm3／h，選擇的蜂窩式電捕焦油器技術參數見表2。

表2 蜂窩式電捕焦油器的技術參數

脫硫塔由二塔組成，脫硫壓力4.0kPa～8.0kPa，脫硫溫度≤40℃，內裝填料，包括瓷球、焦炭及脫硫劑等，填充料在脫硫塔內的布置如圖3所示。焦炭的作用：1）焦爐煤氣首先經過預處理；2）除去部分焦油；3）吸附煤氣水分。根據本氣源條件，脫硫裝置每小時脫除H2S約16.5kg，故采用干法脫硫技術，氣體中的硫化氫與脫硫劑接觸發生反應生成硫化鐵［3，4］：

圖3 脫硫劑及填料裝填圖

由于煤氣中存在少量的氧氣，生成的硫化鐵進一步氧化并析出硫磺：

當焦爐煤氣中的O2／H2S≥3時，這一脫硫─再生過程將不斷進行，直至脫硫劑空隙被堵塞而失效。

PSA吸附塔有三塔組成，吸附壓力2.0kPa～8.0kPa，吹掃壓力8.0kPa～20.0kPa，工作溫度≤60℃，內裝吸附劑，用于脫除萘和苯。吸附塔裝填料包括：瓷球、硅膠、活性炭，填充料在PSA吸附塔內的布置如圖4所示。脫苯脫奈方法采用的是變壓吸附，變壓吸附（PSA）的循環周期短，吸附劑利用率高，吸附劑用量相對較少，不需要外加換熱設備，被廣泛用于大氣量多組分氣體的分離與純化。對變壓吸附（PSA）操作單元，其正常運行時，二塔處于吸附狀態，另一塔處于再生狀態的不同階段，吸附和再生交替操作通過自動開閉程控閥門得以實現。PSA吸附塔中的吸附劑在使用一定時間后，由于萘、苯及NH3、HCN等吸附在其表面與空隙內而失去吸附能力，從而使吸附劑失去脫苯及脫萘能力，此時，需進行吸附劑的再生，以除去其表面和空隙內吸附的苯和萘，恢復其吸附能力。吸附塔從吸附切換到再生操作狀態，利用加壓后的已凈化煤氣沖洗吸附劑床層來再生吸附劑，使得吸附在吸附劑上的萘、苯等雜質被解析并隨煤氣排出吸附塔，從而使吸附劑得到再生。

圖4 吸附劑及填料裝填圖

在變壓吸附（PSA）中，用加壓后的凈化精制煤氣對PSA吸附塔中吸附劑進行反吹再生，需要采用專門的焦爐煤氣加壓風機。選用的是單吸入、雙支撐、離心式風機，型號：C（M）120－1.156／1.023，升壓：13.3kPa，進口工況流量：120m3／min，進行三級加壓。通過從加壓后的主管道引出分管，采用程控閥控制反吹時間及流量，對吸附劑進行再生。

PSA變壓吸附技術應用于焦爐煤氣凈化系統中，運行一段時間后，凈化精制的煤氣能滿足技術指標要求，保證了常化熱處理生產線的正常生產運行，該精制凈化裝置系統具有以下優點：

1）工藝流程簡單，操作簡便，適應雜質變化的能力強，瞬時雜質含量升高時，裝置仍然可以達到預定指標。

2）系統為全密閉系統，沒有三廢排放，解決了現場操作環境污染和廢水排放與處理的問題。

3）吸附塔的內部結構非常有利于更換吸附劑和脫硫劑，焦爐煤氣首先經過預處理，再進入脫硫和吸附，這樣吸附劑不會被焦油粘結，脫硫劑不會被煤氣的水分板結，可以非常輕松的更換吸附劑和脫硫劑。

4）塔內復合或者混合床裝填技術，既保證了精制裝置指標，又降低了關鍵設備被堵塞的可能性。

5）選擇全自動控制的程控蝶閥控制切換方法，閥啟閉靈活可靠，降低了工人勞動強度，同時碟閥的流通面積大，使得氣體流通阻力減小。

6）重要工段均設計有備用塔，當故障時，可切除一個塔繼續生產，實現裝置的在線檢修，提高了該凈化裝置的可靠性。

4 結語

根據中板廠常化熱處理爐設計用氣量及指標要求，采用了電捕焦、脫硫＋PSA精制工藝的方法凈化焦爐煤氣，實際應用結果表明凈化裝置系統現場操作環境好，產品氣體質量有保證，設備運行能耗低，操作簡單可靠，為企業創造了一定的經濟效益。