張汕，閆玫霖(伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835000)

0 引言

在煤化工生產(chǎn)過程中，煤氣水分離工藝為核心技術(shù)，關(guān)系到能否順利完成煤炭資源的高效轉(zhuǎn)化。實際利用煤氣水分離裝置對粗煤氣進(jìn)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(zhì)。經(jīng)過反復(fù)洗滌、冷卻處理后，需要對得到的煤氣水進(jìn)行氣化，實現(xiàn)水中溶解氣、焦油和固體顆粒等各種物質(zhì)分離。而期間生產(chǎn)的含塵重芳烴成分復(fù)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(fā)嚴(yán)重能源浪費的同時，給環(huán)境帶來污染。因此有效處理含塵重芳烴是實現(xiàn)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(jù)煤氣水分離裝置工作原理可知，首先利用冷卻系統(tǒng)對煤氣水進(jìn)行冷卻，然后通過減壓膨脹方式對水中溶解氣體進(jìn)行分離。經(jīng)過膨脹器處理后，根據(jù)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?qū)崿F(xiàn)各組分分離。將剩余氣體融入過濾系統(tǒng)，可以進(jìn)行過濾凈化，部分返回煤氣化裝置進(jìn)行循環(huán)利用，部分利用酚氨回收裝置進(jìn)行處理。但結(jié)合實踐經(jīng)驗可知，裝置運行主要遭遇三種問題，將給裝置運行的穩(wěn)定性帶來影響。

首先，煤氣水中含有的粉塵顆粒等固態(tài)物質(zhì)較多，容易造成換熱器發(fā)生堵塞問題，繼而導(dǎo)致裝置頻繁發(fā)生故障。分析原因可知，與經(jīng)過氣化后生成的煤氣水含塵量較高有關(guān)，引發(fā)冷卻系統(tǒng)工況惡化，處于低負(fù)荷運行狀態(tài)，繼而導(dǎo)致后續(xù)焦油分離器等設(shè)備運行異常。在裝置整體運行工況出現(xiàn)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(zhì)溫度過高，存在嚴(yán)重油水乳化問題，繼而導(dǎo)致后續(xù)焦油分離器無法實現(xiàn)焦油和粉塵等物質(zhì)的有效分離。隨著分離器積塵日漸加重，導(dǎo)致系統(tǒng)排污量持續(xù)增加，運行負(fù)荷也隨之提高，造成分離空間、時間持續(xù)減少，陷入惡性循環(huán)[1]。因此裝置產(chǎn)品中COD 含量較高，粗粉等副產(chǎn)品的含油較多，給各項物質(zhì)指標(biāo)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(chǎn)出量過多。采取以往的轉(zhuǎn)運處理方式，將面臨含塵重芳烴堆積情況，導(dǎo)致周圍環(huán)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(chǎn)生的過量含塵重芳烴進(jìn)行處理，首先還應(yīng)明確物質(zhì)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(fù)雜組分，初期經(jīng)過冷卻、膨脹處理后，多數(shù)為分解物質(zhì)發(fā)生了冷凝，生成煤氣水混合液，進(jìn)入焦油分離器。在分離器的中心管中，混合液進(jìn)入首個沉降區(qū)，促使物流沿著徑向在內(nèi)壁中流動，經(jīng)過環(huán)縫升至下一個沉降區(qū)，最終進(jìn)入設(shè)備中心，由環(huán)形溢流堰收集，最終進(jìn)入到環(huán)狀槽[2]。經(jīng)槽底管道引出后，混合液進(jìn)入后續(xù)處理設(shè)備，而分離得到的焦油物質(zhì)發(fā)生沉降，進(jìn)入到設(shè)備錐形底部。從物質(zhì)構(gòu)成上來看，包含純焦油和含塵重芳烴，前者可以通過設(shè)備配備的液位調(diào)節(jié)器間斷排出，在重力作用下進(jìn)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(shè)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(shè)備內(nèi)壁上附著，因此設(shè)備內(nèi)部配備電動刮刀清除沉積的含塵重芳烴。此外，一旦焦油發(fā)生裂化分解等反應(yīng)，將出現(xiàn)流動性下降問題，因此需要在設(shè)備錐底外壁設(shè)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(xiàn)凝固現(xiàn)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(dá)到40%左右，同時水分含量也較高，約達(dá)12%左右；剩余物質(zhì)為焦油，內(nèi)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(zhì)，具有黏度大、流動性差等特點，因此處理起來較為困難。從現(xiàn)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(dāng)成是土窯燃料。但在實際應(yīng)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(chǎn)生廢氣。廢氣中包含較多的環(huán)芳烴等物質(zhì)，屬于有毒廢氣，直接排放將引發(fā)環(huán)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(yè)生產(chǎn)實踐中多采用該種處理方法，能夠生產(chǎn)得到低灰、高黏、揮發(fā)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(jīng)濟(jì)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(xiàn)充分燃燒。但該方法對燃料的配比要求較高，故尚未在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。

根據(jù)相關(guān)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(shù)，然后利用氣化技術(shù)生產(chǎn)原料氣[4]。在工業(yè)生產(chǎn)中，多使用含塵重芳烴進(jìn)行水煤漿配制，也能轉(zhuǎn)化為原料氣進(jìn)行循環(huán)處理。采取該工藝，利用均化器將含塵重芳烴磨碎，增強(qiáng)其流動性的同時，通過泵送加壓方式輸入循環(huán)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(xiàn)循環(huán)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(xiàn)焦油的高效利用，同時因含塵重芳烴容易造成循環(huán)管路堵塞，因此經(jīng)濟(jì)效益不高。

實現(xiàn)含塵重芳烴的深度處理，可以通過機(jī)械或化學(xué)萃取方式將煤塵和焦油分離開來，然后對有價值的組分進(jìn)行回收利用，加工成具有較高附加值的工業(yè)材料。采用機(jī)械分離方式，將根據(jù)含塵重芳烴各組分密度差異進(jìn)行離心分離，利用高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備提供離心力，具有工藝簡單、效率高等特點，但無法實現(xiàn)各種物質(zhì)的完全分離。采用化學(xué)分離法，利用萃取溶劑對含塵重芳烴中的有機(jī)組分進(jìn)行溶解、提取，可以實現(xiàn)物質(zhì)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(jīng)過過濾、離心、沉降等工序完成油、渣分離。在此基礎(chǔ)上利用汽提、蒸餾等手段實現(xiàn)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(xué)試劑則容易給環(huán)境帶來污染。此外，采用熱解分離方式，對含塵重芳烴進(jìn)行加熱促使有機(jī)物分解。在工藝實踐中，將含塵重芳烴輸入到緩沖罐中進(jìn)行初級加熱，經(jīng)過攪拌、沉淀和離心后，可以實現(xiàn)多數(shù)油渣分離[5]。得到的焦油經(jīng)過蒸餾、加氫制備等深度加工，能夠?qū)崿F(xiàn)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(nèi)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(chǎn)不同的油品。剩余殘渣送入氣化車間，經(jīng)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(fù)雜，包含較多處理步驟，因此運行成本較高，但生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有較高附加價值，可以實現(xiàn)資源充分利用。

通過綜合分析可知，將含塵重芳烴當(dāng)成是燃料、原料等使用，需要采用相應(yīng)的處理方法進(jìn)行油和煤粉的分離。而采用不同方法處理含塵重芳烴，應(yīng)知道各自的優(yōu)缺點，在工藝生產(chǎn)實踐中結(jié)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(jìn)

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(chǎn)生的含油含塵煤氣水進(jìn)行處理，設(shè)計規(guī)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(jīng)過初步分離的混合液。首先，含油煤氣水經(jīng)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(jìn)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(jìn)入最終油分離器[6]。其次，含塵煤氣水經(jīng)換熱、減壓后進(jìn)入焦油分離器，實現(xiàn)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(jìn)入最終油分離器。在重力引流作用下，混合煤氣水進(jìn)入緩沖槽，部分將泵送至氣化單元，部分進(jìn)入雙介質(zhì)過濾器進(jìn)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(chǎn)實踐中，每天含塵重芳烴量達(dá)到200 t，出現(xiàn)了堆積情況，面臨轉(zhuǎn)運難題的同時，引發(fā)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(jìn)入到油分離器和過濾器中，并流入酚氨回收裝置。通過現(xiàn)場檢查，可以發(fā)現(xiàn)回收裝置在進(jìn)口位置出現(xiàn)大量焦油沉積現(xiàn)象，造成原料酚水中含油量較高。與此同時，經(jīng)過一段時間運行后，用于噴射煤氣水的噴射泵出現(xiàn)水量下降問題，檢查確認(rèn)泵進(jìn)出口過濾網(wǎng)發(fā)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(wěn)定運行，則需定期進(jìn)行各處過濾網(wǎng)、濾料等零部件和材料更換，造成運行成本較高的同時，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)。

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(yīng)提出可以實現(xiàn)含塵重芳烴減量處理和高效分離的方案，以便為各種物質(zhì)的回收利用奠定扎實基礎(chǔ)。對幾種處理方法進(jìn)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(dá)到減量目標(biāo)。而采用氣化方式將含塵重芳烴返回汽化爐循環(huán)，盡管可以解決物質(zhì)運送和排放問題，但仍然未能實現(xiàn)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(hù)難題，總體經(jīng)濟(jì)效益不佳。采用深度處理方法，通過化學(xué)萃取放或熱裂解方式進(jìn)行含塵重芳烴處理，在現(xiàn)有工序較多的情況下，將導(dǎo)致工藝流程過于復(fù)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(chǎn)要求。在綜合考量的基礎(chǔ)上，決定采用多相分離方式進(jìn)一步完成含塵重芳烴分離處理，減少裝置最終產(chǎn)生的固廢的同時，加強(qiáng)焦油資源回收利用。

采用多相分離處理技術(shù)，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(jī)對從現(xiàn)有焦油分離器中流出的含塵重芳烴進(jìn)行處理，通過泵送方式輸送至離心機(jī)種，促使密度大的固體在離心作用下進(jìn)一步發(fā)生沉降，達(dá)到增強(qiáng)粉塵和焦油分離效果的目標(biāo)，繼而使整個煤氣水循環(huán)情況得到改善，保證煤氣水分離裝置能夠維持高效、穩(wěn)定運行。從離心機(jī)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(gòu)成同心圓柱，前者處于內(nèi)層，后者將在傳鼓壁上沉積，并經(jīng)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(jìn)入焦油槽，產(chǎn)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(jī)和前面的焦油分離器構(gòu)成分離系統(tǒng)，如圖1 所示，能夠加強(qiáng)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(xiàn)有工藝運行。而無需對原本工藝路線進(jìn)行改造，可以簡化分離操作和減少前期投資，使裝置產(chǎn)生的含塵重芳烴明顯減少，有助于實現(xiàn)清潔生產(chǎn)目標(biāo)。

圖1 含塵重芳烴分離系統(tǒng)

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(qiáng)控制，首先需要在裝置進(jìn)口位置增設(shè)固液分離設(shè)備，可以對上游輸送的液體中的大粒徑物質(zhì)進(jìn)行沉降，避免換熱器等設(shè)備發(fā)生堵塞，確保后續(xù)分離設(shè)備可以維持穩(wěn)定運行。增設(shè)該裝置，也能預(yù)防閥門、管道等配件堵塞，降低裝置維修頻率?？紤]到煤氣水中含有一定量油分，需要適量添加凈化助劑預(yù)防油分乳化，以免給分離系統(tǒng)運行帶來不良影響。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)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(diào)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(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，選用Z4E-3/44 型號的高效三相離心機(jī)，設(shè)計處理量可以達(dá)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(jìn)行分離，實現(xiàn)不同物質(zhì)分離處理。

對優(yōu)化后的工藝過程展開分析，可知含塵煤氣水經(jīng)過固液分離后，液相經(jīng)過換熱、膨脹后將進(jìn)入分離系統(tǒng)，首先利用焦油分離器進(jìn)行處理，得到的焦油泵送入罐，剩余物質(zhì)進(jìn)入三相離心機(jī)進(jìn)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(jìn)行回收。而含焦油煤氣水直接進(jìn)行換熱、膨脹后，進(jìn)入分離系統(tǒng)處理，并在緩沖槽中添加助劑，防止液體乳化的同時，加強(qiáng)酚氨的回收利用。通過對焦油和煤塵分離過程進(jìn)行強(qiáng)化，最終可以得到純焦油，泵送至罐區(qū)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(yōu)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(jīng)過前期固液分離、焦油分離器等設(shè)備處理后，進(jìn)入三相離心機(jī)的煤塵含量下降至9.08%，水含量達(dá)到15.08%，而離心機(jī)出料情況如表1 所示，生成的各種物質(zhì)組分均能達(dá)到合格指標(biāo)。因此采用分離系統(tǒng)實現(xiàn)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(chǎn)生有毒廢氣。對其他工藝指標(biāo)進(jìn)行分析，可知換熱器、分離器等設(shè)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(jī)分離得到的廢液返回煤氣水分離裝置中循環(huán)，可以保證整個分離裝置穩(wěn)定運行。

表1 離心機(jī)出料情況

對裝置副產(chǎn)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(biāo)有所改善，能夠增強(qiáng)水質(zhì)生化效果，時裝置獲得更強(qiáng)的水處理能力。從副產(chǎn)品產(chǎn)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(jié)約3 500 萬元固廢處理廢，通過增加副產(chǎn)品產(chǎn)量每年約帶來3 000 萬元收益，因此方案的實施創(chuàng)造了顯著效益。

4 結(jié)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(chǎn)生的含塵重芳烴逐漸增加，難以實現(xiàn)焦油組分的高效分離，引發(fā)含塵重芳烴堆積問題。為預(yù)防該類問題的發(fā)生，需要對現(xiàn)有工藝裝置進(jìn)行改進(jìn)，針對煤氣水中固體組分多的問題增設(shè)固液分離裝置，并通過添加凈化助劑和增設(shè)三相離心機(jī)等方式實現(xiàn)油、塵的高效分離，加強(qiáng)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(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。