荒煤氣/焦爐氣壓縮機深度除焦方法對比

趙振強，徐俊輝，王興雙，詹 信，胡四斌

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

煤炭在煉焦過程中，經(jīng)中、高溫干餾后，在產(chǎn)出蘭炭/焦炭和焦油的同時，所得到的可燃氣體是煉焦的副產(chǎn)品，經(jīng)凈化處理后稱為焦爐氣/荒煤氣[1]。由于以不同煤為原料，經(jīng)過中、高溫干餾進行生產(chǎn)的蘭炭/焦炭所得到的荒煤氣/焦爐氣中，其各個組分的含量是不同的，但其所呈現(xiàn)出的共性為荒煤氣/焦爐氣中均含有焦油、萘以及硫化物等多種雜質(zhì)[2]，且焦油的成分特別復雜，已經(jīng)探明的所含物質(zhì)有500多種[3]。目前，國內(nèi)所有煉焦爐、蘭炭爐中副產(chǎn)的焦爐氣或荒煤氣，壓力基本接近常壓，荒煤氣/焦爐氣作為原料送到下游裝置需要增壓，因為壓縮機內(nèi)部流道狹小，荒煤氣/焦爐氣中含有的焦油和粉塵更容易在壓縮機缸內(nèi)黏結(jié)、沉積?；拿簹?焦爐氣中焦油會引起壓縮機的流道堵塞，壓縮機打氣量和壓比小于設(shè)計值，觸發(fā)壓縮機防喘振保護系統(tǒng)而跳車，致使焦爐氣或荒煤氣壓縮機連續(xù)運行周期短至數(shù)月到半年，停車清焦頻率過大，造成較大的經(jīng)濟損失。因此，設(shè)置原料氣凈化處理裝置，在進壓縮機壓縮前及壓縮過程中充分脫除焦油、粉塵等雜質(zhì)，降低壓縮機在運行過程中結(jié)焦和堵塞的風險，延長壓縮機穩(wěn)定運行的周期，是焦爐氣/荒煤氣綜合利用項目中需要考慮的首要問題。

1 荒煤氣/焦爐氣深度除焦的必要性

國內(nèi)焦化廠荒煤氣/焦爐氣進氣柜前典型的預處理措施見圖1。來自焦炭爐的荒煤氣通過粗氨水洗滌進行初步除焦后，用水冷降到20～25℃，然后再通過電捕焦油器除焦油，洗滌和電捕焦油均在微負壓環(huán)境下操作，出于安全考慮，電捕焦油位置也可能在風機增壓后。出電捕焦油器的荒煤氣進入風機增壓至約10 kPa(g)，然后進入脫硫、脫苯、脫氨等環(huán)節(jié)，最后送至氣柜的荒煤氣/焦爐氣中焦油可降至約25 mg/Nm3，苯萘等可降至160 mg/Nm3。

圖1 荒煤氣/焦爐氣進氣柜前預處理的典型工藝流程

來自氣柜的荒煤氣/焦爐氣進壓縮機進行壓縮，荒煤氣中仍含有一定量的焦油等雜質(zhì)，離心壓縮機在運行過程中仍存在結(jié)焦風險。從國內(nèi)調(diào)研工廠及壓縮機廠家反饋的情況來看，某些工廠焦爐氣壓縮機均存在結(jié)焦問題，導致其壓縮機正常運行周期基本不超過半年，最短2～4月必須停車清焦處理。結(jié)焦嚴重的基本都出現(xiàn)在壓縮機高壓缸的級間隔板、軸端密封和葉輪處(見圖2、圖3)。有的工廠高壓缸的段間冷卻器出口換熱管及管箱也有一定程度的結(jié)焦，而低、中壓缸結(jié)焦情況相對較好，說明焦油在高壓下更容易發(fā)生結(jié)焦情況。為了減少停車檢修時間，有的工廠甚至專門備用了壓縮機或高壓缸轉(zhuǎn)子。因此，在上述常規(guī)的預處理裝置后，還必須考慮荒煤氣/焦爐氣進一步的深度凈化處理，保證壓縮機長期穩(wěn)定運行。

圖2 國內(nèi)某工廠的荒煤氣壓縮機軸段密封結(jié)焦情況

圖3 國內(nèi)某工廠的荒煤氣壓縮機高壓缸內(nèi)結(jié)焦堵塞情況

本文結(jié)合所調(diào)研的幾家工廠的焦爐氣壓縮機運行情況及某荒煤氣壓縮機設(shè)計經(jīng)驗，探討幾種在荒煤氣/焦爐氣壓縮機入口或段間脫除焦油、粉塵的方法，為焦爐氣/荒煤氣壓縮機在壓縮介質(zhì)深度凈化方面提供參考。

2 離心式壓縮機除焦油的方法

目前，國內(nèi)在荒煤氣/焦爐氣壓縮機壓縮工程中，脫除焦油方面使用較多的措施有二次電捕焦油、段間噴水(油)、吸附脫除、段間油洗等。各種措施布置的位置各有差異，除油效果也各不相同。

2.1 二次電捕焦油

電捕焦油器是利用高壓直流電場的作用分離焦油霧滴和煤氣，電捕焦油器可設(shè)于焦爐煤氣鼓風機之前或之后的位置。電捕焦油器與機械除焦油器相比，具有捕焦油效率高、阻力損失小、氣體處理量大等特點。不僅可保證后續(xù)工序?qū)怏w質(zhì)量的要求，提高產(chǎn)品回收率，而且可明顯改善操作環(huán)境。

焦化廠常用管式電捕焦油器的焦油脫除率可達99%。由于焦爐氣/荒煤氣在進氣柜前基本上已經(jīng)過一次電捕焦油過程，出氣柜焦油含量可降至25 mg/Nm3以下。在進壓縮機前，如再經(jīng)過一次電捕焦油過程，可使焦油、粉塵含量降至8 mg/Nm3以下。這樣對于減緩壓縮機結(jié)焦過程、延長裝置運行周期有一定的意義。但二次電捕焦油除油效率遠遠低于一次電捕焦油，難以達到預期效果。

2.2 段間噴水(油)

壓縮機段間噴水(油)主要指在壓縮機各段入管道設(shè)置霧化噴淋裝置，缸體內(nèi)設(shè)置級間隔板噴水等，使懸浮在荒煤氣中的焦油、粉塵霧滴吸附在水滴之上，焦油、粉塵在液滴之上逐漸吸附聚集，經(jīng)壓縮后冷卻分離至段間分離器分出，噴水(油)可以根據(jù)壓縮機振動情況間斷操作或連續(xù)操作。部分工廠實際應用后反饋單獨噴水使用效果不佳。

2.3 吸附脫除

荒煤氣進入吸附設(shè)備，其內(nèi)部的吸附劑對不同雜質(zhì)進行有選擇地吸附。在吸附過程中，荒煤氣中的焦油、萘、粉塵等物質(zhì)被有效吸附脫除，而未被吸附脫除的甲烷、一氧化碳、氫氣等從吸附設(shè)備排出。

吸附脫除分為可再生吸附(如TSA)和非再生吸附(常用焦炭、活性炭)。TSA變溫吸附工藝需要一定數(shù)量的程控閥門來進行操作，整體投資和占地較大，另外，需要外部熱源供應用于吸附劑再生。一些工廠抽取一部分吸附出口的凈化焦爐氣加熱后用于再生，再生氣返回去焦爐燃燒回收。再生工藝的吸附劑壽命較長，可達2～3年，比非再生工藝具有更好的吸附效果。非再生吸附工藝的吸附劑消耗量較大，最多一年需要更換一批吸附劑。

焦化得到的荒煤氣經(jīng)過預處理后，可以利用TSA變溫吸附工藝對其內(nèi)部具有較高含量的焦油、萘等進行進一步處理，其涉及到的設(shè)備包括吸附床(2臺及以上的復合床)、加熱器、冷卻器、吸附劑與相應數(shù)量的閥門。一般設(shè)置于壓縮機前后缸之間或兩臺壓縮機之間，焦油含量可期望脫除至1 mg/Nm3。

2.4 段間油洗

相關(guān)機構(gòu)對于油洗脫除荒煤氣/焦爐氣中的雜質(zhì)也有一定的研究。有研究發(fā)現(xiàn)，油洗對于焦爐氣中的苯、萘等雜質(zhì)有較好的脫除效果[4，5]。壓縮機段間油洗的處理方式有兩種：第一種是在壓縮機各段入口管道上設(shè)置洗油霧化器，霧化后的洗油劑與荒煤氣混合，焦油等雜質(zhì)吸附溶解在洗油劑液滴中，壓縮后的雜質(zhì)經(jīng)過冷卻分離得以脫除；第二種是在壓縮機段間設(shè)置油洗塔(填料或板式塔)，多段逆流吸收荒煤氣中焦油、苯、萘等雜質(zhì)，可達到較好的處理效果。洗油通過塔底的洗油泵被送到塔頂霧化噴頭，在洗油塔內(nèi)循環(huán)。為保證吸收效果，通過定期或連續(xù)排出塔底洗油廢液，維持吸收平衡。另外，為保證較好的塔頂噴淋洗油的霧化效果，霧化噴頭的小孔孔徑較小，霧化噴頭易被堵，因此油洗塔塔底的循環(huán)洗油需要過濾后再進入霧化噴頭。霧化洗油劑采用一種堿性重質(zhì)油，配成一定濃度的水溶液。

高壓缸易結(jié)焦可能的原因是高壓下焦油易聚結(jié)，且高壓缸流道更狹窄。因此，在壓縮機的高壓缸采取除油措施會更有效，在高壓缸入口設(shè)置油洗塔對于降低壓縮機高壓缸結(jié)焦風險更具針對性。在調(diào)研某工廠通過改造設(shè)置油洗塔后，連續(xù)穩(wěn)定運行周期至少增加到一倍以上。工廠運行記錄表明，當運行段間油洗后，壓縮機的振動值從超過40μm降到約20μm，證明油洗的效果顯著。

3 脫除荒煤氣/焦爐氣焦油方法對比

結(jié)合工廠實際情況，設(shè)計了某20萬Nm3/h荒煤氣處理量的離心式壓縮機深度凈化方案(以除油為具體目標值)，對幾種深度凈化方案進行對比(見表1)。

表1 不同除焦油措施對比

從表1可以看出，表中方案對壓縮機壓降的影響可以忽略。電捕焦方案操作簡便，投資成本相比較低，占地適中，分離下來的焦油需集中收集再利用。電捕焦油器對于焦油含量高的原料氣脫除效率較高，可達99%，但是對于焦油含量較低、脫除要求又較高的，如焦油含量要求脫至5 mg/Nm3以下時，電捕焦油器又不能滿足要求，且脫除效率較低。TSA吸附脫除可以較好地達到吸附效果，但是固定投資成本及運行操作費用較高，另需要設(shè)備較多，所需占地面積較大，同時會產(chǎn)生固廢處理問題。

油洗塔工藝在目前的荒煤氣/焦爐氣壓縮過程中還處于開拓性應用階段，首先針對不同來源的荒煤氣/焦爐氣原料，其雜質(zhì)的細分種類及含量會有差異，因而洗油劑成分需要針對其原料特性進行配置，同時洗油補充量需要根據(jù)實際操作進行調(diào)整，達到最佳的除油效果和適度的補油量。油洗塔工藝占地較小，投資和操作成本適中，再輔以壓縮機段間噴水(油)措施，是一種兼顧成本的較優(yōu)手段，但需要考慮洗油廢液的處理，同時在操作過程中控制好噴水(油)量，避免造成壓縮機部件損壞。

以上方案目前均已有運行業(yè)績。油洗塔工藝因其投資低、布置占地小、流程簡便易于長周期穩(wěn)定操作等，將會是未來荒煤氣/焦爐氣制合成氣離心壓縮過程中脫除焦油、粉塵等的一種重要手段。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)已有工廠使用TSA吸附、油洗塔組合的手段，以達到更好的凈化效果。

4 結(jié)語

使用TSA吸附脫除，油洗塔單獨應用在深度除焦過程中，都能取得較好的效果。當上游預處理后的焦油含量未達到預期指標或波動較大時，TSA吸附脫除+油洗塔、段間噴水(油)+油洗塔組合使用，可以確保達到更好的除焦效果。

隨著荒煤氣/焦爐氣制合成氣及下游深加工領(lǐng)域逐步擴大，采取合理的深度凈化措施，保證荒煤氣/焦爐氣壓縮機長周期、穩(wěn)定運行，最大程度提升荒煤氣/焦爐氣深度開發(fā)利用的經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益，將是煉焦行業(yè)發(fā)展的趨勢。