焦炉煤气干法脱萘的理论分析与实际应用

吴晓虎，叶 帆

（上海同助化工科技有限公司，上海 200122）

焦炉煤气干法脱萘的理论分析与实际应用

吴晓虎，叶 帆

（上海同助化工科技有限公司，上海 200122）

焦炉煤气干法脱萘基于吸附原理，其再生是非常重要的环节，三种再生方法中蒸汽再生费用最低，但操作环境较差，氮气再生效果较好，但费用较高，煤气再生费用及工艺操作环境适中，是较好的选择。

焦炉煤气；干法脱萘；再生

1 概述

焦炉煤气（COG）中杂质主要包括焦油、萘、H2S、苯、HCN，其中萘由于其熔点高（80.26℃），常温下易结晶，非常容易堵塞设备及管道，是脱除的重点。

脱萘工艺主要有两种：湿法脱萘及干法脱萘。

湿法脱萘主要是用直馏轻柴油洗萘，即将萘溶解于轻柴油中，随着溶解作用的进行，轻柴油中萘逐渐达到饱和状态，此时需更换柴油。此种工艺由于占地面积大、操作费用高以及柴油易被带入下游工序等因素影响，其市场占有率正逐步降低。

干法脱萘即是用脱萘剂（经过特殊处理的活性炭）吸附COG中的萘，脱萘剂孔隙结构发达，比表面积大，吸附能力极强。该工艺优点如下：

（1）脱萘效率高，脱萘程度深；

（2）相较湿法脱萘，占地面积小，工艺简单；

（3）自动化程度高；

（4）脱萘剂可再生。

干法脱萘是今后COG脱萘技术的主要发展方向。

2 理论分析

干法脱萘剂可再生，故其可以长期有效地脱除COG中的萘。

2.1 脱萘原理

干法脱萘基于吸附原理。吸附是一种表面现象，固体（脱萘剂）表面分子相较于内部分子引力更大，当流体流过固体表面时，不同流体分子受到的引力大小不等，受到引力较大的分子停留在固体表面，受到引力较小的分子则顺利离开，以此达到分离的目的。参与吸附过程的固体被称为吸附剂（adsorbent or sorbent），而流体则被称为吸附质（adsorbate or sorbate）。

当然，引力只是吸附的作用力之一，基于极性、偶极矩、四级矩等作用力的吸附剂近几十年来也大量涌现。

图1 吸附等温线

图1为一典型的吸附等温线，其横坐标为吸附质的分压，纵坐标为吸附剂的吸附量。由图可以看出，压力越高，吸附量越大，而温度越高（T2＞T1），吸附量则越小。吸附时压力应尽量高，再生（也称为解吸）时，则温度应尽量高，以降低吸附量。通过提高温度达到再生目的的吸附工艺被称为变温吸附（Temperature Swing Adsorption，TSA），干法脱萘的再生即是使用变温吸附工艺。

萘分子在脱萘剂上的吸附属于单层吸附，如图2所示。此类吸附可用Langmuir-Freundlich模型进行模拟计算，即：

此模型对单分子层吸附模拟效果较好。

图2 吸附剂窄孔上吸附质分子的单层吸附

吸附质分子的分子半径对吸附过程有很大影响，萘分子的分子半径约为120Å，常用吸附剂的孔径分布如图3所示。

图3 常用吸附剂孔径分布

活性炭孔径分布如图3所示，由图3可知，活性炭中微孔（＜20Å）较多。活性炭改性是扩大吸附剂用途的主要方法之一，即以更改活性炭孔径及孔径分布、增加表面活性基团等方法以吸附特定分子，满足特定分离要求。

脱萘剂是一种改性后的活性炭。

萘的再生即是逆着萘分子进入脱萘剂孔的方向，离开脱萘剂表面。

2.2 再生方法

干法脱萘较为成熟的再生方式有三种：蒸汽再生、煤气再生及氮气再生。

蒸汽再生即用过热水蒸汽逆向吹扫使得脱萘剂升温，达到再生目的。煤气再生则使用净化后（脱萘、硫、苯后）的焦炉煤气加热后吹扫脱萘塔。而氮气再生则是加热管网氮气后吹扫脱萘塔以再生脱萘剂。

3 技术经济分析

脱萘一般是在常温及略高于大气压的压力条件下进行吸附过程，脱萘过程不仅要考虑吸附，更要考虑解吸再生过程。

一般随着再生次数的增加，脱萘剂的吸附性能会逐渐下降，2～3年后需更换脱萘剂。

3.1 经济分析

每种再生方法所需设备并非完全相同。每种介质对脱萘剂再生效果不同，所需介质流量及再生处理时间也不同，由此造成再生所需费用便有所差异。表1、2、3是基于40000 m3/h焦炉煤气净化处理所作的经济费用分析。

表中单次换料指每2年更换脱萘剂一次，设备使用年限按15年计算。

由表1，可以看出蒸汽再生中费用消耗主要用于蒸汽的加热。由表2、3亦可看出加热耗电是费用消耗的一个主要方向，随着介质单价增高，介质的费用消耗亦增加。三种再生方式中蒸汽再生费用最低，而氮气再生费用最高。

表2 煤气再生费用

表3 氮气再生费用

3.2 技术分析

三种再生工艺均有各自优缺点，简述如下：

（1）蒸汽再生

优点：再生温度高（300℃），再生效果好，对进脱萘装置的焦油含量要求不高，公用工程消耗低；可回收萘；

缺点：不是完全的气体再生，随再生次数增加，脱萘剂吸附容量下降较快；需要处理再生废水，废气排向大气，有一定环境污染；现场操作环境相对较差。

（2）煤气再生

优点：完全地气体再生，随再生次数增加，脱萘剂吸附容量下降较慢，再生煤气进入煤气总管网，系统封闭；

缺点：再生温度低（160℃），效果较差，再生频繁；再生气进入煤气总管，不能回收萘。

（3）氮气再生

优点：气体再生，再生效果好，随再生次数增加，脱萘剂吸附容量下降慢；

缺点：再生时应保证安全措施，防止氮气窒息；用量较小时，再生气进入煤气总管网对焦炉煤气热值影响小，用量较大时，若通入煤气总管网可能会对焦炉煤气热值有一定影响，若放空会产生一定环境污染。

4 结论

通过以上分析，可以看出，对于COG干法脱萘的再生方式：

（1）从经济上，氮气再生费用最高，蒸汽再生费用最低，而煤气再生费用适中。

（2）从工艺及操作环境上，蒸汽再生环境较差，工人劳动强度相对较大，而氮气及煤气再生环境较好，且气体再生对脱萘剂保护较好，脱萘效果影响低。

一般情况下，煤气再生是较好的选择。若煤气再生配合氮气再生则效果更佳。但是，不同厂家再生介质价格相差很大，因此操作费用会有较大差距，选择再生方式时，具体情况还需具体分析。

另外，随着吸附剂性能的改进，新型再生方法如变电吸附、微波吸附等也逐渐被引进工业化流程中。其他类型再生方法也将会出现。

[1]Ralph T.Yang.Adsorbents:Fundamentals and Applications[M].美国：John Wiley&Sons,Inc，2003：80-82.

[2]钟少贞，戴金华.韶钢精制焦炉煤气脱萘技术的发展与应用[J].冶金动力，2013（8）：14-16.

[3]Chiung-Fen Chang，Ching-Yuan Chang.Adsorption of naphtha -lene on zeolite from aqueous solution[J].Journal of Colloid and Interface Science.277(2004)：29-34.

[4]Berber Gmsick.Method for the removal of naphthalene from coke oven gas[P]：美国，4，001，347，1977-07-04.

[5]Herbert A.Grosick.System for the removal of naphthalene from coke oven gas[P]：美国，3，581，472，1971-06-01.

[6]王玉兴，刘继云.焦炉煤气脱萘系统再生方法的探讨[J].冶金动力，2012（5）：11-15.

[7]曾凡华，李克兵.干法脱萘技术及脱萘剂[J].天然气化工，2004（29）：75-78.

[8]M.Ruthven&S.Farooq.Pressure Swing Adsorption[M].美国：VCH Publishers,Inc，1994：13-15.

Theoretical Analysis and Practical App lication of Dry De-naphthalene Process for Coking Gas

WU Xiaohu，YE Fan
(Shanghai Tongzhu Chemical Science&Technology Co.,Ltd.,Pudong,Shanghai 200122,China)

The process of dry de-naphthalene process for coking gas is based on the principle of adsorption,in which regeneration is very important.In the three regeneration methods,steam regeneration costs the lowest but has poor operating conditions,while the nitrogen regeneration has excellent effect but costs high.Moderate regeneration cost and operation conditions would be a reasonable choice.

coking gas;dry de-naphthalene process;regeneration

TQ546.5

B

1006-6764(2014)03-0026-03

2013－10－21

吴晓虎（1988－），男，毕业于安徽工业大学，硕士研究生学历，现从事吸附设计工作。