煤氣水分離裝置含塵重芳烴處理方法分析

張汕，閆玫霖(伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆 伊寧 835000)

0 引言

在煤化工生產過程中，煤氣水分離工藝為核心技術，關系到能否順利完成煤炭資源的高效轉化。實際利用煤氣水分離裝置對粗煤氣進行處理，其中不僅含有大量水蒸氣，同時也含有焦油、脂肪酸、粉塵等各種雜質。經過反復洗滌、冷卻處理后，需要對得到的煤氣水進行氣化，實現水中溶解氣、焦油和固體顆粒等各種物質分離。而期間生產的含塵重芳烴成分復雜，包含的粗苯、酚類等屬于貴重化工原料，未能得到合理處理，將引發嚴重能源浪費的同時，給環境帶來污染。因此有效處理含塵重芳烴是實現煤炭資源清潔、高效利用所需解決的重要問題。

1 煤氣水分離裝置的運行

根據煤氣水分離裝置工作原理可知，首先利用冷卻系統對煤氣水進行冷卻，然后通過減壓膨脹方式對水中溶解氣體進行分離。經過膨脹器處理后，根據無壓重力沉降分離的原理，將氣體通入到焦油分離器和油氣分離器，由于油、焦油等各種組分的密度存在差異，能夠實現各組分分離。將剩余氣體融入過濾系統，可以進行過濾凈化，部分返回煤氣化裝置進行循環利用，部分利用酚氨回收裝置進行處理。但結合實踐經驗可知，裝置運行主要遭遇三種問題，將給裝置運行的穩定性帶來影響。

首先，煤氣水中含有的粉塵顆粒等固態物質較多，容易造成換熱器發生堵塞問題，繼而導致裝置頻繁發生故障。分析原因可知，與經過氣化后生成的煤氣水含塵量較高有關，引發冷卻系統工況惡化，處于低負荷運行狀態，繼而導致后續焦油分離器等設備運行異常。在裝置整體運行工況出現較大波動的情況下，將面臨較大安全隱患。

其次，受前期冷卻效果的影響，介質溫度過高，存在嚴重油水乳化問題，繼而導致后續焦油分離器無法實現焦油和粉塵等物質的有效分離。隨著分離器積塵日漸加重，導致系統排污量持續增加，運行負荷也隨之提高，造成分離空間、時間持續減少，陷入惡性循環[1]。因此裝置產品中COD 含量較高，粗粉等副產品的含油較多，給各項物質指標控制帶來較大難度。

最后，分離裝置運行不佳，造成含塵重芳烴等固廢產出量過多。采取以往的轉運處理方式，將面臨含塵重芳烴堆積情況，導致周圍環境受到污染。

2 含塵重芳烴的來源及處理

2.1 來源分析

為對裝置產生的過量含塵重芳烴進行處理，首先還應明確物質來源，通過把握其組分合理選擇處理方法。在油氣分離裝置中，粗煤氣包含甲烷、一氧化碳、硫化氫等各種復雜組分，初期經過冷卻、膨脹處理后，多數為分解物質發生了冷凝，生成煤氣水混合液，進入焦油分離器。在分離器的中心管中，混合液進入首個沉降區，促使物流沿著徑向在內壁中流動，經過環縫升至下一個沉降區，最終進入設備中心，由環形溢流堰收集，最終進入到環狀槽[2]。經槽底管道引出后，混合液進入后續處理設備，而分離得到的焦油物質發生沉降，進入到設備錐形底部。從物質構成上來看，包含純焦油和含塵重芳烴，前者可以通過設備配備的液位調節器間斷排出，在重力作用下進入到油槽中，通過泵送方式輸入儲存罐中。而含塵重芳烴將從設備底部流出，需要額外處理。由于含塵重芳烴較為黏稠，容易在設備內壁上附著，因此設備內部配備電動刮刀清除沉積的含塵重芳烴。此外，一旦焦油發生裂化分解等反應，將出現流動性下降問題，因此需要在設備錐底外壁設置加熱盤管，通過蒸汽加熱方式加速含塵重芳烴向下流動，以免出現凝固現象。由此可知，含塵重芳烴來自于焦油分離器，從組分上來看含塵量較高，可以達到40%左右，同時水分含量也較高，約達12%左右；剩余物質為焦油，內含粗苯、酚類等化合物，可用于橡膠、塑料等材料的制備，具有回收價值。

2.2 含塵重芳烴的處理方法

由于含塵重芳烴中包含較多煤塵、重芳烴等物質，具有黏度大、流動性差等特點，因此處理起來較為困難。從現有含塵重芳烴處理方法上來看，按照作用主要可以劃分為三類，即燃燒處理、氣化處理和深度處理。

采取直接燃燒處理方法，可以將含塵重芳烴當成是土窯燃料。但在實際應用過程中由于燃燒溫度不高，同時供氧量較低，因無法充分燃燒而產生廢氣。廢氣中包含較多的環芳烴等物質，屬于有毒廢氣，直接排放將引發環境污染。而將含塵重芳烴與煤混合，可以完成型煤配制，使用高溫鍋爐能夠使其充分燃燒。在工業生產實踐中多采用該種處理方法，能夠生產得到低灰、高黏、揮發分高的煉焦型煤，通過回爐煉焦可以獲得更多的煤氣和焦炭，具有一定經濟效益[3]。此外，也可以在含塵重芳烴中添加分散劑、稀釋劑等添加劑后得到乳化液燃料，也能實現充分燃燒。但該方法對燃料的配比要求較高，故尚未在工業生產中應用。

根據相關研究可知，含塵重芳烴也能用作煤氣化原料，采用水乳化制漿、煤瀝青-水制漿等技術，然后利用氣化技術生產原料氣[4]。在工業生產中，多使用含塵重芳烴進行水煤漿配制，也能轉化為原料氣進行循環處理。采取該工藝，利用均化器將含塵重芳烴磨碎，增強其流動性的同時，通過泵送加壓方式輸入循環管道，噴射到汽化爐中加壓氣化，剩余通過管道返回煤氣水分離裝置實現循環利用。采取該種處理方法，無需排放含塵重芳烴，但依然無法實現焦油的高效利用，同時因含塵重芳烴容易造成循環管路堵塞，因此經濟效益不高。

實現含塵重芳烴的深度處理，可以通過機械或化學萃取方式將煤塵和焦油分離開來，然后對有價值的組分進行回收利用，加工成具有較高附加值的工業材料。采用機械分離方式，將根據含塵重芳烴各組分密度差異進行離心分離，利用高速旋轉設備提供離心力，具有工藝簡單、效率高等特點，但無法實現各種物質的完全分離。采用化學分離法，利用萃取溶劑對含塵重芳烴中的有機組分進行溶解、提取，可以實現物質有效分離。在工藝實踐中，要求按比例混合含塵重芳烴和溶劑，經過過濾、離心、沉降等工序完成油、渣分離。在此基礎上利用汽提、蒸餾等手段實現油品和萃取劑分離。萃取劑的選擇存在一定難度，同時工藝流程較長，使用過多化學試劑則容易給環境帶來污染。此外，采用熱解分離方式，對含塵重芳烴進行加熱促使有機物分解。在工藝實踐中，將含塵重芳烴輸入到緩沖罐中進行初級加熱，經過攪拌、沉淀和離心后，可以實現多數油渣分離[5]。得到的焦油經過蒸餾、加氫制備等深度加工，能夠實現價值最大化。而針對含油粉渣，利用裂解蒸餾裝置升溫，隨著分子裂解，渣內油分、水分將得到蒸餾。油分中包含酚油、輕油等，可以用于生產不同的油品。剩余殘渣送入氣化車間，經過干燥、破碎等處理后直接送入流化床鍋爐燃燒，也可以通過加工制備石墨烯、活性炭等材料。整個工藝較為復雜，包含較多處理步驟，因此運行成本較高，但生產出的產品具有較高附加價值，可以實現資源充分利用。

通過綜合分析可知，將含塵重芳烴當成是燃料、原料等使用，需要采用相應的處理方法進行油和煤粉的分離。而采用不同方法處理含塵重芳烴，應知道各自的優缺點，在工藝生產實踐中結合實際條件選擇適宜的處理方法。

3 含塵重芳烴處理工藝的改進

3.1 處理工藝

3.1.1 工藝流程

某煤氣水分離裝置用于對氣化裝置產生的含油含塵煤氣水進行處理，設計規模為1 800 t/h。對裝置分離流程展開分析可知，煤氣水將在裝置中分為三股物流，具體為含油煤氣水、含塵煤氣水和經過初步分離的混合液。首先，含油煤氣水經過換熱、膨脹后釋放溶解氣體，壓力下降至接近大氣壓。前期釋放氣體混合物與膨脹氣融合，冷卻后送入硫回收裝置。而液體部分進入油分離器后，油分因不溶和密度差異上浮，溢流至油槽，剩余部分與含塵煤氣水混合，進入最終油分離器[6]。其次，含塵煤氣水經換熱、減壓后進入焦油分離器，實現純焦油和含塵重芳烴分離。含塵重芳烴利用均化器處理，然后裝車運輸至氣化爐焚燒。最后，將從不同分離器流出的液體混合，進入最終油分離器。在重力引流作用下，混合煤氣水進入緩沖槽，部分將泵送至氣化單元，部分進入雙介質過濾器進行過濾，利用酚氨回收裝置處理。

3.1.2 含塵重芳烴的處理情況

在工藝生產實踐中，每天含塵重芳烴量達到200 t，出現了堆積情況，面臨轉運難題的同時，引發了分離器運行效率下降問題，造成分離效果不佳，未分離焦油進入到油分離器和過濾器中，并流入酚氨回收裝置。通過現場檢查，可以發現回收裝置在進口位置出現大量焦油沉積現象，造成原料酚水中含油量較高。與此同時，經過一段時間運行后，用于噴射煤氣水的噴射泵出現水量下降問題，檢查確認泵進出口過濾網發射堵塞。分析原因可知，由于焦油分離不徹底，造成回流煤氣水中油分較多，給塔盤、換熱器等帶來的影響，造成泵料臟污和泵口堵塞。為保證裝置可以穩定運行，則需定期進行各處過濾網、濾料等零部件和材料更換，造成運行成本較高的同時，產品質量不穩。

3.2 裝置改造

3.2.1 改造方案

從含塵重芳烴處理角度展開分析，在裝置改造方面還應提出可以實現含塵重芳烴減量處理和高效分離的方案，以便為各種物質的回收利用奠定扎實基礎。對幾種處理方法進行比較，原裝置采用外運燃燒處理方法，顯然面臨含塵重芳烴堆積問題，無法達到減量目標。而采用氣化方式將含塵重芳烴返回汽化爐循環，盡管可以解決物質運送和排放問題，但仍然未能實現焦油組分高效回收和利用，并且同樣面臨管道堵塞和定期檢修維護難題，總體經濟效益不佳。采用深度處理方法，通過化學萃取放或熱裂解方式進行含塵重芳烴處理，在現有工序較多的情況下，將導致工藝流程過于復雜，給各種物相分離控制帶來困難。與此同時，配備過多的工藝裝置，也將造成裝置改造成本過高，無法滿足實踐生產要求。在綜合考量的基礎上，決定采用多相分離方式進一步完成含塵重芳烴分離處理，減少裝置最終產生的固廢的同時，加強焦油資源回收利用。

采用多相分離處理技術，能夠延長流體在分離器中的靜置時間。具體來講，需要選用三相離心機對從現有焦油分離器中流出的含塵重芳烴進行處理，通過泵送方式輸送至離心機種，促使密度大的固體在離心作用下進一步發生沉降，達到增強粉塵和焦油分離效果的目標，繼而使整個煤氣水循環情況得到改善，保證煤氣水分離裝置能夠維持高效、穩定運行。從離心機運行過程來看，由于粉塵和焦油密度存在差異，在離心過程中較輕的液相和較重的固相將構成同心圓柱，前者處于內層，后者將在傳鼓壁上沉積，并經過輸送器輸入到筒體錐體端，排入到固體集料箱中。而分離得到的焦油進入焦油槽，產生的廢水由集液箱返回到煤氣水分離裝置入口。采取三相離心機和前面的焦油分離器構成分離系統，如圖1 所示，能夠加強熱值高的焦油回收，同時可以完成煤氣水、粉渣的分離處理，配合現有工藝運行。而無需對原本工藝路線進行改造，可以簡化分離操作和減少前期投資，使裝置產生的含塵重芳烴明顯減少，有助于實現清潔生產目標。

圖1 含塵重芳烴分離系統

3.2.2 方案實施

在方案實施階段，針對煤氣水中固體顆粒物含量較多的情況，為從源頭加強控制，首先需要在裝置進口位置增設固液分離設備，可以對上游輸送的液體中的大粒徑物質進行沉降，避免換熱器等設備發生堵塞，確保后續分離設備可以維持穩定運行。增設該裝置，也能預防閥門、管道等配件堵塞，降低裝置維修頻率。考慮到煤氣水中含有一定量油分，需要適量添加凈化助劑預防油分乳化，以免給分離系統運行帶來不良影響。結合生產經驗，選用親水親油凈化助劑，可以直接作用于液體表面，通過調整液面張力吸附煤塵、固體懸浮物等，使油水混合物的分離效果得到增強。在此基礎上，選用Z4E-3/44 型號的高效三相離心機，設計處理量可以達到10 m3/h，能夠在2 500～3 000 倍超重力條件下對煤塵、煤氣水和焦油進行分離，實現不同物質分離處理。

對優化后的工藝過程展開分析，可知含塵煤氣水經過固液分離后，液相經過換熱、膨脹后將進入分離系統，首先利用焦油分離器進行處理，得到的焦油泵送入罐，剩余物質進入三相離心機進行處理，固相用于燃燒，液相返回煤氣水分離裝置入口，焦油進行回收。而含焦油煤氣水直接進行換熱、膨脹后，進入分離系統處理，并在緩沖槽中添加助劑，防止液體乳化的同時，加強酚氨的回收利用。通過對焦油和煤塵分離過程進行強化，最終可以得到純焦油，泵送至罐區出售，剩余煤塵運輸至汽化爐所在位置，與粉煤混合后燃燒處理。因此采取優化工藝，固廢量將有所減少，焦油等資源將得到高效利用。

3.3 效果分析

對裝置改造效果展開分析，可知經過前期固液分離、焦油分離器等設備處理后，進入三相離心機的煤塵含量下降至9.08%，水含量達到15.08%，而離心機出料情況如表1 所示，生成的各種物質組分均能達到合格指標。因此采用分離系統實現三相處理，得到的重芳烴可以直接銷售，而塵渣可以與膠粉混合生成型煤，在鍋爐中可以充分燃燒，避免產生有毒廢氣。對其他工藝指標進行分析，可知換熱器、分離器等設備運行周期有所延長，如換熱器運行時間從20～40 d 延長至240 d，冷卻器運行時長從30～60 d 延長至240 d，焦油分離器從30～60 d 延長至240～300 d，由此可見，利用三相離心機分離得到的廢液返回煤氣水分離裝置中循環，可以保證整個分離裝置穩定運行。

表1 離心機出料情況

對裝置副產品分離效果展開分析，可知COD 值有所下降，從28 000～35 000 mg/L 降低至18 000～ 23 000 mg/L，煤氣水含量1 200～2 500 mg/L 從降低至300～800 mg/L。因此裝置改造后煤氣水各項指標有所改善，能夠增強水質生化效果，時裝置獲得更強的水處理能力。從副產品產量來看，重芳烴從10.5 萬噸/年提升至12.0 萬噸/ 年，多元烴從5.4 萬噸/ 年提升至8.5 萬噸/年，說明分離裝置能夠保持高效運行，提高資源回收利用率。而裝置累計投資4 000 萬元，每年可以節約3 500 萬元固廢處理廢，通過增加副產品產量每年約帶來3 000 萬元收益，因此方案的實施創造了顯著效益。

4 結語

在煤氣水分離裝置運行的過程中，含塵重芳烴主要來源于焦油分離器，在裝置運行狀況不佳的情況下產生的含塵重芳烴逐漸增加，難以實現焦油組分的高效分離，引發含塵重芳烴堆積問題。為預防該類問題的發生，需要對現有工藝裝置進行改進，針對煤氣水中固體組分多的問題增設固液分離裝置，并通過添加凈化助劑和增設三相離心機等方式實現油、塵的高效分離，加強含塵重芳烴的減量化處理和資源化利用，為裝置運行帶來更多經濟效益和環保效益。