初文，史學(xué)松，隋東宇，金慧，韓美玲

焦?fàn)t煤氣凈化終冷工藝的比較研究

初文1，史學(xué)松1，隋東宇1，金慧1，韓美玲2

（1. 中冶焦耐(大連) 工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116085； 2. 大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026）

近年來，我國將經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略放在重要位置，高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的煤氣凈化工藝在焦?fàn)t工業(yè)領(lǐng)域備受關(guān)注。介紹了焦?fàn)t煤氣凈化流程中常采用的兩種終冷工藝，分別從設(shè)備選型及造價、運(yùn)行費用、工藝特點三方面對兩種工藝流程進(jìn)行比較，指出各自的優(yōu)缺點，并提出可結(jié)合煉焦企業(yè)自身情況進(jìn)行合理的選擇和應(yīng)用。

焦?fàn)t煤氣；凈化；終冷工藝

煉焦用煤經(jīng)高溫灼燒、干餾后產(chǎn)生的煉焦副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣中，可提取出煤焦油、氨、萘、硫化氫、氰化氫及粗苯等化學(xué)產(chǎn)品[1]。通常情況下，1 t干煤炭經(jīng)焦?fàn)t燃燒后可產(chǎn)生300～350 m3體積的焦?fàn)t煤氣，其組成包括氫氣、甲烷、一氧化碳、不飽和烴及二氧化碳等易燃易爆和有毒有害氣體[2]。若焦?fàn)t煤氣直接排入外界，不僅會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，對動物、人類的生命安全亦可造成威脅。此外，煉焦過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣含有大量物質(zhì)和能量，做好這些副產(chǎn)品的回收和利用，對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)也將起到重大作用[3]。近年來, 我國越來越重視經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展路徑，而焦?fàn)t煤氣回收和凈化工藝符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求。因此，如何高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地解決焦?fàn)t煤氣凈化問題，在焦?fàn)t工業(yè)領(lǐng)域備受關(guān)注[4-5]。

1 焦?fàn)t煤氣終冷工藝流程簡介

在煉焦化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，焦?fàn)t煤氣整個凈化流程可分為初冷、脫氨、終冷、洗苯、脫硫、精制、加壓過濾、輸送等步驟[6]。其中，從焦?fàn)t炭化室出來的荒煤氣，經(jīng)過橋管以及集氣管時，使用循環(huán)氨水噴灑冷卻后的溫度仍然高達(dá)80～85 ℃，且含有大量的煤焦油、水蒸氣及其他物質(zhì)。在后續(xù)凈化工段中，通過初冷單元降低煤氣溫度使煤焦油氣和水蒸氣冷凝下來，對回收其他化學(xué)產(chǎn)品、減少煤氣體積、節(jié)省輸送煤氣所需動力是有利的[7]。洗苯單元的前序通常為硫銨單元，飽和器后煤氣溫度通常為55 ℃左右，而回收苯族烴的適宜溫度為25 ℃左右，因此需要在回收苯族烴之前將煤氣再次進(jìn)行冷卻，這個步驟便稱之為最終冷卻（終冷）[8]。目前，我國使用的煤氣終冷工藝包括間接式終冷和直接式終冷兩種方式。

1.1 間接式煤氣終冷工藝

間接式煤氣終冷工藝主要采用的是橫管式間接終冷器，對煤氣進(jìn)行間接冷卻。為了防止終冷器堵塞，采用循環(huán)噴灑冷凝液的方法，對終冷器的管間進(jìn)行清洗，循環(huán)液需要少量排放，最終返回到焦油氨水分離單元前的焦油氨水主管道，其排量等于終冷過程中煤氣的冷凝液量。間接式煤氣終冷工藝流程如圖1所示。

圖1 間接式煤氣終冷工藝流程示意圖

來自硫銨工段55 ℃左右的煤氣從頂部進(jìn)入橫管式煤氣終冷器，煤氣和冷凝液走管間，冷卻水走管內(nèi)。終冷器采用兩段冷卻，上段用32～35 ℃循環(huán)水冷卻，下段用16～18 ℃低溫水冷卻，以保證煤氣出口溫度在24～27 ℃之間。煤氣從終冷塔底部離開，進(jìn)入洗苯塔。終冷器內(nèi)采用煤氣的冷凝循環(huán)液噴灑，以防止萘的堵塞[9]。終冷器后的煤氣溫度通過調(diào)節(jié)低溫水量加以控制。

1.2 直接式煤氣終冷工藝

直接式煤氣終冷工藝使用的是直冷式冷卻塔，塔內(nèi)用循環(huán)噴灑的終冷水直接冷卻，循環(huán)水再經(jīng)過換熱器取走所吸收熱量。循環(huán)用終冷水定期少量排污，其排污量等于煤氣在終冷塔內(nèi)冷凝的冷凝液量。直接式煤氣終冷工藝流程圖如圖2所示。

圖2 直接式煤氣終冷工藝流程示意圖

終冷塔一般使用空噴塔或者填料塔，來自前道工序的煤氣從直接式終冷塔底部進(jìn)入，與塔頂噴灑的終冷水逆流接觸，煤氣從終冷塔塔頂經(jīng)捕霧層后離開終冷塔，進(jìn)入洗苯塔。終冷塔分兩段單獨循環(huán)冷卻，上段采用低溫水冷卻循環(huán)液，以保證煤氣出口溫度達(dá)到24～27 ℃的要求。

2 兩種焦?fàn)t煤氣終冷工藝比較

2.1 設(shè)備選型及造價比較

以青島鋼鐵有限公司城市鋼廠環(huán)保搬遷工程160萬t·a-1焦化項目和山西省黎城縣裕福焦化有限公司300萬t·a-1焦化項目一期為例進(jìn)行比較，二者單期煤氣凈化裝置設(shè)計煤氣處理能力均為90 000 Nm3·h-1。前者新建2×65孔JNX3-70-1型炭化室高7 m復(fù)熱式焦?fàn)t，終冷洗苯單元采用間接終冷工藝，終冷器2臺（1開1備）、捕霧器2臺、離心泵2臺，洗苯塔為兩塔串聯(lián)，采用不銹鋼孔板波紋填料；后者新建4×65孔6.25 m搗固焦?fàn)t，終冷洗苯單元采用直接終冷工藝，終冷塔1臺、捕霧器2臺、離心泵3臺、換熱器6臺，采用5層填料，將苯脫至≤2 g·Nm-3。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，上述兩個工程在使用間接式煤氣終冷和直接式煤氣終冷兩工藝時，設(shè)備選型的差別主要體現(xiàn)在塔器結(jié)構(gòu)的組成、離心泵的選擇和換熱器的使用上，其數(shù)量、規(guī)格及各自造價情況詳見表1。經(jīng)核算，間接式煤氣終冷工藝在設(shè)備選型和投資費用上比直接式煤氣終冷工藝多出164萬元左右。

表1 主要設(shè)備選型及造價比較

2.2 運(yùn)行費用比較

在參考各生產(chǎn)企業(yè)實際運(yùn)行投資情況后，分析總結(jié)出焦?fàn)t煤氣終冷工藝的運(yùn)行費用可主要從能源消耗費用、設(shè)備折舊費及維修費用來考量，其中煤氣終冷工藝的能源消耗主要包括循環(huán)水消耗、低溫水消耗和電力消耗，其各自用量、單價及費用情況詳見表2。

經(jīng)統(tǒng)計，間接式煤氣終冷工藝循環(huán)水用量較直接式煤氣終冷工藝多40 m3·h-1，低溫水用量較直接式煤氣終冷工藝少40 m3·h-1，每年水費相差28萬元左右。兩工藝的用電差異為135 kW，那么每年的差異為1.18×106kW·h，按照工業(yè)用電平均0.6元/kW·h來計算，直接式煤氣終冷工藝每年的運(yùn)行成本較間接式煤氣終冷工藝多出80萬元左右。然而，由于間接式煤氣終冷工藝的管間易堵塞、設(shè)備及管道易腐蝕，其設(shè)備折舊費及維修費用要高于直接式煤氣終冷工藝。因此，直接式煤氣終冷工藝在每年整體運(yùn)行費用上比間接式煤氣終冷工藝多出82萬元左右。

表2 運(yùn)行費用比較

2.3 工藝特點比較

間接式煤氣終冷工藝采用橫管式間接終冷器對煤氣進(jìn)行間接冷卻換熱，冷卻效率偏低、運(yùn)行穩(wěn)定性偏低。該種工藝特點是不需要增加額外的換熱器和噴灑泵等設(shè)備，設(shè)備投資小、電能消耗低、占地面積小。同時，煤氣不與低溫水、循環(huán)水直接接觸，不會造成大氣污染和廢水處理需求。但對于部分水質(zhì)不高的廠區(qū)，易造成管間結(jié)垢嚴(yán)重、管道易被腐蝕的現(xiàn)象[10]，需要經(jīng)常維護(hù)換熱設(shè)備，例如切換備用塔器，拆開換熱管進(jìn)行維修保養(yǎng)，而維護(hù)工序則較為復(fù)雜。

直接式煤氣終冷工藝采用循環(huán)噴灑的終冷水直接冷卻，冷卻效率高、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)。該種工藝特點是終冷塔分兩段單獨循環(huán)冷卻，需要增加換熱器和泵等設(shè)備，設(shè)備投資大、電能消耗高、占地面積大。煤氣與冷卻水直接接觸，會產(chǎn)生一定廢氣廢水需要排污，所以要定期檢查噴頭，進(jìn)行必要的清洗和維護(hù)，以免堵塞，出現(xiàn)噴灑不均勻或噴灑液偏流等現(xiàn)象，影響噴灑效果，導(dǎo)致煤氣溫度上升。但維護(hù)工序較為簡單，不影響塔器正常運(yùn)行。

表3給出了兩種終冷工藝特點比較結(jié)果。

表3 工藝特點比較

3 結(jié) 論

目前，焦?fàn)t煤氣間接式終冷工藝和直接式終冷工藝在國內(nèi)各大煤焦化工企業(yè)項目都得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過對兩種工藝的設(shè)備選型及造價、工藝能耗、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及工藝特點的比較研究可以看出，間接式煤氣終冷工藝在設(shè)備投資和能耗方面具有優(yōu)勢，直接式煤氣終冷工藝的運(yùn)行成本更低。但從二者整體投資費用來看，項目在運(yùn)行2年時即可達(dá)到整體費用的平衡，之后間接式煤氣終冷工藝的成本優(yōu)勢會越來越大。從全廠來看，由于從煤氣中吸收的總熱量相同，理論冷卻水用量也相同。而間接式煤氣終冷工藝使用全場冷卻水系統(tǒng)直接供給，在運(yùn)行費用上一定比小單元內(nèi)部設(shè)置離心泵提供動能要節(jié)省能源，提高效率。當(dāng)然，在工程項目實際設(shè)計中，還應(yīng)結(jié)合兩種工藝各自的優(yōu)缺點和煉焦企業(yè)自身情況進(jìn)行合理的選擇和應(yīng)用。

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Comparative Study on Final Cooling Processes of Coal Oven Gas Purification

1,1,1,1,2

(1. ACRE Coking & Engineering Consulting Corporation, MCC, Dalian Liaoning 116085, China;2. College of Navigation, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China）

In recent years, China has put the coordinated development strategy of economy and environment in an important position. The efficient, economic and environmental protection gas purification process has attracted much attention in the field of coal oven industry. In this paper, two kinds of final cooling processes commonly used in the coal oven gas purification process were introduced. The two processes are compared from three aspects of equipment selection, operation cost and process characteristics. Their advantages and disadvantages were pointed out, and a reasonable selection andit was proposed that reasonable selection and application should be carried out according to the own situation of coking enterprises.

Coal oven gas; Purification; Final cooling process

遼寧省教育廳科研項目(項目編號：LJKZ0047)；遼寧省自然科學(xué)基金(項目編號：20170520209)。

2021-08-20

初文（1984-），男，遼寧省大連市人，工程師，碩士，研究方向：污染物控制技術(shù)及工藝。

TQ520.6

A

1004-0935（2021）10-1565-04