固定床气化煤制天然气酚氨回收装置优化探讨

张成吉，王国平，崔富忠

（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁 835000）

伊犁新天煤化工有限责任公司（简称新天煤化工）煤制天然气项目采用固定床碎煤加压气化技术，设计年产天然气20 亿m3，副产品包括硫铵、重芳烃、粗酚、轻烃、氨水等。固定床碎煤加压气化技术在气化过程中会产生大量含石油烃、焦油类、脂肪酸、煤尘、酸性气体、NH3及酚等污染物的废水，这些废水经过除尘和除油后，送至酚氨回收装置脱除CO2、H2S 等酸性气体及NH3、酚类等物质，然后送至下游污水处理装置进一步处理后回用[1-4]。以1 套处理能力为300 m3/h 的酚氨回收装置为例，正常运行时需消耗各等级蒸汽约100 t/h，消耗碱液约0.5 t/h，受萃取设备选型及萃取能力的影响，萃取溶剂消耗一般在0.04 t/h～0.07 t/h，还需消耗水、电、汽、气等，运行成本较高。因此，降低酚氨回收装置运行成本和提高其处理能力，是气化废水低成本处理过程中的重要一环。现对新天煤化工酚氨回收装置运行过程中存在的问题进行分析，并提出了相应优化措施，改造后的运行效果良好，现介绍如下。

1 酚氨回收装置运行存在的问题

1.1 装置脱酸、脱氨单元能耗高

为有效脱除废水中溶解的酸性气和氨，并使氨净化装置运行顺畅，脱酸脱氨操作压力为0.5 MPa，需使用大量1.5 MPa 蒸汽加热以保证足够温差，因而酚氨回收装置能耗在全厂能耗中所占比例达25%，对全厂能量有效平衡造成不利影响。

1.2 脱氨单元碱液消耗量大

煤气化废水中溶解了H2S、CO2、短链脂肪酸等酸性组分，使得氨的离解平衡向离子态方向偏离，即生成了更多的“固定铵”，需加注碱液（质量分数32%的NaOH）将固定铵转化为游离氨。但加碱后的水体碱度增加，pH 值达8.5 左右，使得酚类在废水中更多以苯氧基形式存在，因而在水中溶解度增加，造成萃取单元萃取脱酚的效率降低。同时，污水脱盐装置负荷增大，回水品质降低，影响后系统运行。

1.3 萃取塔萃取效率低

萃取塔是整个酚氨回收装置的核心单元，其性能差异关系着装置处理能力和酚及同系物的萃取效率。试运行期间安装的萃取填料，水力分布性能差，导致萃取剂二异丙基醚在水体中的分散度低。在运行中出现单系列处理负荷仅达到260 t/h，远低于设计值300 t/h；且系统萃取相比（投加的二异丙基醚与萃取水量的体积比）达到0.35，远大于设计要求的0.14，导致酚回收系统处理量超过设备能力且能耗增加。

2 酚氨回收工艺优化

根据酚氨回收装置试运行过程中暴露出的问题，由新天煤化工、青岛科技大学、清华大学、赛鼎工程有限公司联合成立攻关小组，组织开展调查研究，在原工艺设计基础上，对脱酸脱氨工艺及设备进行优化，消除系统瓶颈问题。

2.1 集成、优化全厂蒸汽能级，降低高等级蒸汽消耗

通过核算[5]优化工艺在蒸汽用量、压力等级分布等方面的使用要求，对能量系统进行集成与优化：一是对脱酸脱氨装置的用能需求进行优化调整，利用全厂副产低压蒸汽或乏汽代替中压蒸汽；二是对全厂蒸汽等级进行动态优化匹配。

在负荷为200 m3/h 时，通过对脱酸脱氨塔参数的调整，找到最佳操作参数。优化前，全厂副产0.5 MPa低压蒸汽来源充足，且受季节影响消耗波动大，冬季采暖期热负荷需求大，非采暖期低压蒸汽过剩量大，采取放空处理，能源浪费严重。因此优化使用0.5 MPa蒸汽代替原1.5 MPa 蒸汽对脱酸脱氨塔进行加热试验，得到的运行参数及指标见表1。

表1 脱酸脱氨塔运行参数及指标

由表1 可知，使用0.5 MPa 蒸汽代替1.5 MPa 蒸汽作为热源对脱酸脱氨塔进行加热，能够满足指标要求，蒸汽能级调整效果良好，达到优化利用的目的，并且可有效利用0.5 MPa 蒸汽约70 t/h，节能效益非常显著。

2.2 调整脱氨过程的加碱量，优化工艺控制指标

脱氨塔在脱氨过程中，通过加碱来脱除固定铵，而加入的碱中，氢氧根与固定铵反应生成氨气和水，钠离子则与苯酚反应生成酚钠盐（这里以苯酚为代表，还可能存在多元酚与钠离子反应的情况），即加碱后脱氨塔内存在两个主反应，分别见式（1）、式（2）：苯酚微溶于水，但反应生成的苯酚钠则在水中有较大的溶解度，而在溶剂中的溶解度则相应降低，因此萃取效率大幅降低。

为了消除上述影响，在运行负荷为250 m3/h、原料水指标保持稳定的前提下，通过调整加碱量（质量浓度为32%的NaOH 溶液），控制出水氨氮及总酚的含量，加碱量对稀酚水氨氮及总酚含量的影响见表2。

表2 加碱量对稀酚水氨氮及总酚含量的影响

由表2 可知，在加碱量较高的情况下，脱氨水pH值也比较高，在pH 值达到8.5 的时候，会明显影响萃取效果，造成稀酚水出水总酚超标（酚质量浓度应≤620 mg/L），随着加碱量的降低，脱氨水pH 值降低、萃取相比及稀酚水总酚含量也会下降，这是因为pH 值降低后，酚钠盐的产生量减少，酚类物质在水中的溶解度降低，因此有利于萃取的进行。停止添加碱液后，萃取相比大幅降低，有利于稀酚水出水总酚含量达标；停止添加碱液后，水体pH 值在4～5，萃取剂的萃取效率可达最大化，水体中酚钠盐含量大幅降低，有利于降低污水处理的难度；同时，可利用生化细菌的硝化能力，在污水生化处理过程中降解氨氮。因煤气水中含有的酚类物质呈酸性，经运行试验，不加碱的情况下，游离氨脱除后，脱氨水pH 值会降至5 左右，为保护设备不受腐蚀，目前脱氨加碱量为设计值的1/3～1/2，控制脱氨水pH 值为5～7，控制稀酚水氨氮质量浓度为150 mg/L 左右，防止脱氨水pH 值过低腐蚀设备。

2.3 使用新型高效填料，提高萃取效率

新天煤化工酚回收装置萃取塔原设计使用共4段TJG-30 型格栅板填料+TJH-30 波纹板填料，萃取剂与水分散性能差，理论级数仅达到2，远低于设计理论级数大于5 的要求，萃取效果不理想，运行过程中存在稀酚水出水指标频繁超标、溶剂消耗大、萃取负荷达不到生产要求等问题。

为此，在萃取塔规格不变的条件下，更换为共6段FG-Ⅰ+FG-Ⅱ+FG-Ⅲ型格栅填料，并使用新配套的酚水及溶剂进料分布器。经运行对比，发现更换填料后萃取效率明显提高，萃取塔理论级数达到5，解决了原萃取塔填料萃取效率低的问题，萃取塔填料更换前后萃取效果对比见表3。

表3 萃取塔填料更换前后萃取效果对比

由表3 可知，萃取塔经填料改造后，稀酚水总酚及COD 含量较改造前大幅降低，萃取效率明显提高，二异丙基醚消耗量显著降低。

经运行试验，萃取塔填料改造后，系统处理废水负荷可提高至360 m3/h（原设计负荷为300 m3/h），解决了原萃取塔萃取效率低，制约系统高负荷运行的瓶颈问题。萃取剂消耗同比降低37%，并且在控制稀酚水总酚含量不超标的前提下，萃取相比最低可降至1∶7.0，降低了溶剂回收系统运行负荷及溶剂回收成本，经济效益显著。

3 酚氨回收工艺优化的成效

3.1 工艺技术指标

酚氨回收装置优化前后工艺技术指标对比见表4。

表4 酚氨回收装置优化改造前后工艺技术指标对比

由表4 可知，优化后较优化前，蒸汽消耗占全厂能耗比例降低了5 个百分点，装置处理能力提升了38%，萃取剂消耗降低37%，稀酚水中总酚含量降低20.7%，萃取效率提高了4 个百分点，酚类产品中粗酚同系物含量提高23.1%，粗酚产量提高了7.8%。优化后的酚氨回收装置实现了规模放大、能效提升、物料消耗降低和产品提质增效的目的。

3.2 经济效益分析

3.2.1 酚氨回收装置处理规模从单系列处理260 m3/h放大到360 m3/h，三个系列共增加300 m3/h 的处理量，解决了原装置处理量不足的瓶颈问题，满足了目前新天煤化工满负荷运行日产600 万m3天然气的要求，经过核算，相当于减少了一套酚氨回收装置的建设。

3.2.2 通过对装置能级进行优化，并实现动态调整，每年可替代使用超过100 万t 的低压蒸汽，相当于节约10 万t 标煤，节能效益达到2 000 万元以上。

3.2.3 通过对核心设备萃取塔进行升级改造，使得萃取塔理论塔级数由2 级提高到5 级，萃取效率大幅提升，萃取剂消耗降低37%，节约萃取剂超过1 000 t/a，节省费用1 500 万元/a 以上。同时使副产品粗酚增产2 000 t/a 以上，可增加600 万元/a 的销售收入。

4 结 语

酚氨回收装置作为固定床碎煤加压气化废水处理过程中的关键装置，其运行效果直接关系着整个生产系统能否平稳高效运行。新天煤化工通过对设计参数的不断优化和技术改进，实现了装置处理规模放大、能效提升、物料消耗降低和产品提质增效的目标；解决了固定床气化煤制天然气废水污染物成分复杂、处理困难的问题，为实现大型煤化工污水“零排放”及煤炭清洁化利用拓展了新途径。