焦炉煤气净化技术的应用现状与改进

杨小兵(武汉钢铁有限公司，湖北 武汉 430080)

0 引言

焦炉煤气，简称为焦炉气[1]。将两种以上的烟煤作为炼焦用煤，于炉火中经高温灼烧、干馏后生成焦油、焦炭的同时，也会产生一种炼焦副产品，即焦炉气。焦炉气中含有多种可燃性成分，热值极高[2]。焦炉气成分复杂，且产量和产率也随着焦炭种类、焦炭质量的差异而存在较大的差别[3]。通常情况下，一吨干煤炭经焦炉燃烧后可产生300至350m3体积的焦炉气，其成分有氢气、甲烷、一氧化碳、不饱和烃、二氧化碳、氧气及氮气等，因此，焦炉气中含有易燃易爆气体和有毒有害气体[4]。焦炉气排入外界环境，不仅会对生态造成严重的危害，还会对动物、人类的生命安全造成威胁。焦炉气净化问题是焦炉工业领域备受关注，净化符合可持续发展战略的基本要求，也满足发展低碳经济的基本战略[5]。焦炉煤气经过脱硫、脱氰净化处理后，其主要成分中可燃性组分含量明显增加，有害气体含量显著降低，有较高的利用价值。

焦炉气净化是炼焦过程中最重要的环节之一，许多焦化企业均用传统煤气回收工艺过程来处理焦炉气，工艺过程包括初冷、洗氨、终冷、洗苯四个步骤[6]。直至二十世纪五十年代末期，焦化领域专家在前人的基础上，自行设计出与我国自主研发的58型号焦炉所匹配的煤气净化工艺，例如单塔脱苯工艺、污水处理工艺、氨焚烧工艺、氨法脱硫工艺、硫胺与氨水工艺以及ADA脱硫工艺等几种。但此机种工艺虽可达到良好的焦炉煤气净化效果，但在实际应用过程中发现，几种工艺会对设备造成严重的腐蚀，也会对环境造成严重的污染，所得焦炉煤气质量难以保证，氨苯气体回收率较低等缺陷。与国外先进的焦炉煤气净化技术相比，国内净化处理工艺水平低下，难以满足焦炉气净化及政府机构对绿色环保和生态保护的标准要求。二十世纪七十年代末期开始，国内许多大型焦化企业纷纷引入国外先进的焦炉煤气净化处理工艺技术，以匹配大容积焦化炉的使用[7]。其中，最常用的焦炉气净化处理工艺包括氨分解工艺、全负压净化工艺以及脱酸蒸氨工艺此三种[8]。

1 焦炉煤气净化技术的应用现状

1.1 煤气初冷

煤气初冷指的是焦炉煤气初步降温冷却，使其温度由最初800℃高温降低至25℃左右[9]。煤气初冷过程所用设备为初冷器，冷却方式有直接冷却式、间接冷却式以及直接间接冷却结合式三种。所用冷却设备有直冷式喷淋塔、横管式冷却装置以及立管式冷却装置三种。直接冷却式式利用冷却塔来完成的，直冷方式可冷却煤气，也可净化焦炉煤气。而间接冷却方式在冷却焦炉煤气过程中，煤气不会直接与冷却水接触，而是借助于换热器来完成冷却过程。间接冷却方式过程中由于冷却水不直接接触煤气，可不受煤气污染，因此，间接冷却方式所用冷却水可重复利用，适用于水资源紧缺的焦化企业。基于直接冷却和间接冷却的优缺点，多数焦化企业选择使用直接、间接冷却结合式来完成煤气初冷过程。焦炉企业煤气净化实践结果证明，煤气初冷后，其中所含萘气体量大大降低。

1.2 焦油脱除与焦油回收

煤气初冷过程中，多数焦油也会随着煤气的冷却而冷却，小部分焦油则会进入焦油捕集装置，和氨水混合。目前多数焦化企业均以氨水焦油分离设备来脱除焦油，此过程还可以有效去除渣尘。一般而言，焦油脱除效果随着分离时间的延长而逐渐显著，但随着分离时间的延长，分离温度也会下降，使得焦油粘度大大增加，降低分离效果。因此，焦油脱除过程还需要满足温度和时间两个因素。

1.3 萘脱除工艺

粗煤气中含有约10g/m3萘气体，经煤气初冷后，萘气体含量可降至2g/m3左右，但冷却后的萘气体则处于过饱和状态。焦炉煤气经管路输送至下道工序时，可能会在温度过低或流速过慢的制约下出现萘沉积现象，进而堵塞管路。因此，将焦炉气体中的萘气体除去对焦化企业来说至关重要。目前，萘脱除工艺主要有水洗工艺和油洗工艺两类。其中，以油洗工艺来清洗焦炉煤气管路，可将其中萘气体含量降至1g/m3以下，进而降低管路堵塞概率。

1.4 煤气输送及煤气调节

常用的焦炉煤气输送设备主要是鼓风机，根据鼓风机结构的差异可将其分为两种：容积式鼓风机和离心式鼓风机。其中，离心式鼓风机可进行调节，根据要求可进行循环调节、自动调节以及转速调节。因此，国内多数焦化企业的煤气输送设备均选用离心式鼓风机。

2 焦炉煤气净化过程中存在的主要问题

焦炉煤气在净化过程中存在诸多问题，主要分为以下几个方面。第一，煤气初冷问题。横管初冷器在设备运行期间容易出现故障，导致煤气在管路中堵塞。因此，初冷需要消耗大量的冷水，且初冷后的煤气成分中除了气体，还有煤粉等固体颗粒存在，这些固体颗粒也会对后续高压氨水无烟装煤系统的正常运行造成影响。第二，煤气终冷问题。煤气终冷阶段出现问题主要和此阶段所需溴化锂制冷循环水用量较多有关，焦炉煤气冷却终过程是在冷却塔中进行的，因此，此阶段冷却效果较差。第三，焦炉煤气经净化处理后会产生大量的氨气，氨气在焦炉煤气净化处理过程中容易出现焦化问题。分析原因主要为，在完成蒸氨、生物脱酚两个步骤后，蒸氨废水再进行湿法熄焦，容易污染外界环境。且所产生的焦炭温度并未褪去，技术人员若不对焦炭进行回收，很容易造成资源浪费。

3 焦炉煤气净化技术的改进方法

综合以上分析，可以看出，焦炉煤气在应用过程中存在诸多问题。为了改善焦炉煤气净化工艺中存在的问题，改进净化技术是必经之路[10]。

3.1 焦炉煤气净化环保工艺

3.1.1 废气处理工艺

焦炉煤气净化废气指的是在净化过程中，由净化设备中发散出来的、对环境、对人体有害的废气[11]。此类废气的处理方式如下。首先，若废气中含有氨气、吡啶基盐类等碱性物质，可以用游离酸企业排出的溶液或工业废水进行清洗，也可以在煤气负压系统中引入煤气废气。其次，若净化废气中含有二氧化硫、三氧化硫等气体时，可以使用氨水等弱碱性溶液对废气进行清洗；若废气中含有酚类物质，可使用氢氧化钠溶液等碱性较强的溶液进行清洗。此外，若净化废气中含有苯类物质，则可以使用洗油清洗或低温清洗的方式，将废气冷凝回收，再引入煤气负压装置中进行深化处理。

3.1.2 废渣处理工艺

将焦油和氨水进行分离处理后，焦油渣通常被输送到煤场，再把焦油渣和煤炭混合均匀，进行炼焦处理或和煤炭配伍。苯脱除工艺产生的废渣以及硫元素脱除中产生的硫磺渣也应该和炼焦煤进行混合，送去焦炉进行回收处理，以此降低废渣对环境造成的影响。

3.1.3 废水处理工艺

废水处理技术主要有两种，分别为剩余氨水脱酚处理技术和蒸氨废水处理技术。国外焦炉煤气处理技术中并不涵盖剩余氨水脱酚处理工艺，而是将蒸氨处理后的产物直接输送至生化处理设备中。而国内焦炉煤气净化工艺则倾向于将剩余氨水进行脱酚处理，再进行蒸氨处理和生物脱酚处理工序。但由于当前剩余氨水脱酚处理过程需要消耗大量的资金，使得国内很多新型焦化企业倾向于不建设脱酚设备[12]。废水脱酚处理技术主要有溶剂脱酚、蒸汽脱酚两大类。

3.2 新型干法净化技术

为了进一步降低后续工序设备负载压力，可采用新型干法净化工艺，从根本上避免循环液体蒸发导致循环效益下降。一方面在保证煤气质量与环保要求相符的基础上，可将焦化生产系统转化为不同的操作模块，如煤气净化、煤气利用、煤气原料准备、焦炉热工、污水处理等。其中煤气净化主要包括煤气冷却、煤气焦油脱离、脱硫、脱氨、脱苯等几个环节。在工艺优化改造过程中，应及时进行物料能量平衡计算，结合上下工艺产生的匹配设置，确定最佳性价比能源指标。

如在焦炉脱苯环节，可将最低成本回收煤气中最多苯作为主要工作目标，依此为依据对蒸汽、电力、洗油、再生渣及废水量进行优化操作参数核算，确定最佳操作数值。另一方面可采用连铸加压站净化模式，将煤气脱萘与煤气脱硫工艺顺序进行适当调整。然后考虑到脱萘装置内填料再生效益，可采取空气通入再生的方式，将填料压力增加到12.0kPa，并利用换热装置将温度控制在125℃左右[2]。最后在焦炉煤气净化冷却杂质分离后，可将其输送到再生焦炉煤气主管网络通道中。将冷却塔冷凝后产物排入酚水池，综合采用冷却喷淋、蒸汽清洗两种措施，提高焦炉煤气冷却实际效益。

此外，在焦炉煤气干式煤气净化系统工艺运行过程中，若煤气净化温度一定，吸附质在吸附剂中的吸附量与吸附质分压浓度成正比；若煤气净化压力一定，则吸附质在吸附剂中吸附量与吸附温度成反比，因此在焦炉煤气干式净化系统运行过程中，可采取适当升温、降压或降温、加压措施，便于吸附质吸附或再生。

4 结语

文章结合工作实践经验和文献资料，总结了焦炉煤气净化技术、净化过程中存在的主要问题，以及净化工艺改进策略。现阶段，我国在焦炉煤气净化技术的应用上取得了瞩目的成就，但也存在诸多问题。针对此问题，提出改善策略。综上所述，焦炉煤气中含有许多对环境有毒有害的物质，也会对设备输送管路、工作人员造成损害。因此，焦炉煤气净化工作至关重要，且需要不断改良进步。