焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理系統研究與實踐

張恒健 金義忠,3 李家慶 李太福 梅青平

(1. 重慶科技學院，重慶 401331；2. 重慶城市管理職業學院，重慶 401331；3. 重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶 400041)

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焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理系統研究與實踐

張恒健1金義忠1,3李家慶1李太福1梅青平2

(1. 重慶科技學院，重慶 401331；2. 重慶城市管理職業學院，重慶 401331；3. 重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶 400041)

焦爐煤氣樣氣處理系統是在線分析樣氣處理系統的技術制高點之一，焦爐煤氣中的焦油、萘等有害污染物的處理非常困難，至今都未能完全解決。本研究提出的焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理系統，能夠很好適應焦爐煤氣含塵量高，焦油和萘污染嚴重的特殊樣氣條件，具有體積小、免維護、零排放和響應快速的優點。采用該樣氣處理系統組合構建的焦爐煤氣干法防爆氧分析系統已進入工程應用考核階段。本設計的原位處理和原位分析，由于是干法樣氣處理技術，能夠實現氧含量的高準確度在線分析，對安全生產有特殊的重要意義。

焦爐煤氣 焦油 原位整體式 干法處理 樣氣處理系統 高準確度

1 引 言

焦爐煤氣是高熱值的可燃性工業廢氣，可廣泛用于燃燒發電、多種化工原料、城市煤氣等領域[1，2]。焦爐煤氣含有大量煤焦油、萘等污染物質，必須予以清除，電捕焦工藝是捕集清除焦油、萘等污染物的有效手段。焦爐煤氣在電捕焦過程中(如圖1)，需要對焦爐煤氣中氧氣含量進行在線監測，當氧氣含量達到0.8%時要報警，達到1.5%時會有發生爆炸事故的風險，焦爐煤氣氧氣含量的實時在線準確監測，對于保障安全生產絕對重要[3]。

2 焦爐煤氣在線氧分析的技術史回顧

焦炭行業采用在線氧分析儀對焦爐煤氣氧含量進行實時在線監控，以確保焦爐煤氣生產的正常運行。為了實施對焦爐煤氣樣氣中焦油和萘等污染物的有效處理，確保氧分析儀及其系統的可靠運行，設計可靠的樣氣處理系統是至關重要的[4]。焦爐煤氣樣氣處理系統是在線分析樣氣處理技術的技術制高點之一，是至今都未能完全解決的工程應用難題[5]。焦爐煤氣工藝流程圖見圖1，某焦化廠焦爐煤氣的樣氣組分見表1。

表1 某焦化廠焦爐煤氣的樣氣組成

圖1 焦爐煤氣工藝流程圖

上世紀90年代初，焦爐煤氣電捕焦工藝流程就開始有氧含量監測，焦爐煤氣在線氧分析系統的樣氣處理系統，多家分析儀器廠長期探索采用水洗滌、煤油洗滌、柴油洗滌、酰油洗滌等除焦油的原始方法，都沒有取得具有工程意義的成功。例如，某國企的原機電部獲獎新產品XGF-406型焦爐煤氣過程氧分析系統，采用大容積的柴油洗滌筒靜態洗滌除焦油、萘等污染物，樣氣處理系統的后級出現嚴重污染，一年半時間損壞了兩臺氧分析儀[6]。有些系統集成商的樣氣處理系統采用抽氣泵、蠕動泵、電磁閥等常規部件的復雜設計，不能滿足工程應用真正意義的防爆要求，這些都是技術很不成熟的樣氣處理系統設計[7]。

焦爐煤氣樣氣處理的主流技術是由英國仕富梅公司發明的，以蒸汽噴射泵取樣探頭為主體的濕法技術路線：利用蒸汽噴射泵取樣，焦爐煤氣中的焦油和萘經高溫蒸汽(140℃)汽化后輸送到分析柜，然后用動態循環水冷卻和洗滌，氣水分離后輸送給在線氧分析儀檢測分析。此技術路線雖然有效，但是尚有嚴重技術缺陷：水洗滌會造成SO2、CO2等組分的小比例溶解流失，以及水中原來溶解氧部分釋放的原因，會造成樣氣有一定程度的失真，溶解和釋放都和多變量相關，無法定量確定其影響誤差，實踐表明，氧含量會有正的系統誤差，大約0.1%O2，從而明顯降低了分析準確度。另外，系統的長壽命周期也難有效保證。某工程用戶的進口設備，因發生焦油污染物堵塞樣氣管路而停用。此技術方案主要的產品結構相對復雜，要使用高溫蒸汽和冷卻水源，安裝、使用不太方便，維護量也較大。

重慶凌卡分析儀器有限公司采用LKP104型蒸汽噴射取樣探頭和LKP204型組合式高效動態水洗滌分離器的核心技術，處理焦爐煤氣中的焦油和萘，能夠達到免維護的工程應用效果。

長期流行的焦爐煤氣樣氣處理的濕法技術路線，顯而易見存在技術缺陷和不足。有鑒于此，很有必要探索、研究和實踐干法樣氣處理的技術路線。新設計的焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理系統，以干法原位處理法取代濕法處理，是焦爐煤氣樣氣處理技術突破性的創新探索。

3 探索焦爐煤氣在線分析的創新空間

焦爐煤氣一般采用洗滌法(即濕法)除塵，除焦油、萘等污染物，但會因水中溶解氧的部分釋放而造成明顯的正向系統誤差。氧氣為非極性分子，容易被極性水分子極化。氧分子可以和水形成水合物O2·H2O和O2·2H2O，氧因此有一定溶解度，氧氣難溶于水，而不是不溶于水。自然狀態的水，空氣中的20.7%的氧會在水中形成一定的溶解氧，在洗滌焦爐煤氣時，樣氣中的氧一般情況下小于1%，原來水中的溶解氧會釋放出一部分，氧分壓才能達到新的動態平衡，從而產生正的系統誤差，凡是濕法樣氣處理都有可能產生這種無法避免的系統誤差。但是目前為止，焦炭行業所有工程項目都還在采用在這種并不理想的濕法技術路線[8]。

本設計“焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理系統”是焦爐煤氣樣氣處理技術顛覆性的創新探索，采用的是原位處理法，在取樣點直接抽取、原位處理和原位分析，采用干法處理取代傳統的濕法處理。傳統的焦爐煤氣樣氣處理系統維護量較大，維護周期短。研究少維護甚至免維護的在線氧分析系統，也是工程應用應該突破的技術課題。

4 原位整體式焦爐煤氣樣氣處理裝置的研制

金義忠教授早在2009年就提出“原位處理法”這一新的技術概念[9]，本設計就是采用干法技術路線的原位處理法、原位分析，有效保障分析儀及系統長壽命周期的協調運行[10]。干法樣氣處理裝置和分析儀組成的在線分析系統就地原位安裝在取樣點處，樣氣處理系統對焦爐煤氣(樣氣)進行原位處理，樣氣在輸入到分析儀測量氣室之前，都不和水、蒸汽或其它液體有任何接觸，所以是干法技術路線。這種原位處理是在長期免維護的狀態下進行的，這種整體優化設計，使長壽命周期的協調運行真正成為現實[11]。

焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理裝置(以下簡稱原位處理裝置)原理結構如圖2所示，其外形結構圖見圖3，其外形圖見圖4。原位處理裝置主體部分有高效水冷卻器和高效除霧過濾分離器兩部分組成，總高度31公分。構成原位整體式干法樣氣處理系統時，還有深入煤氣管道的帶粉塵分離罩的取樣管組件。

圖2 焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理裝置原理圖

圖3 焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理裝置外形結構圖

5 基于干法原位處理的焦爐煤氣防爆分析系統

在蒸汽噴射采樣泵的抽吸驅動下，焦爐煤氣的樣氣進入采樣管，由于粉塵分離罩基于斯托克斯定律(Stokes)的物理分析作用，進入采樣管的粉塵、焦油、萘等污染物會大比例減少。樣氣上升經過特殊結構的高效水冷卻器(冷卻水流量約4L/min)，被冷卻降溫后，在高效除霧過濾分離器中實現氣水分離，高效除塵、除霧(0.3μm 99%)，處理產生的冷凝液連同粉塵，靠自重沿采樣管回流到煤氣管道中，從而實現最初的干法樣氣處理和免維護。基于原位法原位處理的防爆氧分析系統詳見圖5。

圖4 焦爐煤氣樣氣處理裝置外形圖

圖5 焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理系統原理圖

本裝置采用LKF2型超微孔SiC疏水型高效過濾器，長期工程應用仍有被焦油和萘污染進而堵塞的后顧之憂，所以設計了高溫蒸汽程序控制外反吹掃。由于過濾器是疏水型的表面過濾原理，才使外反吹設計行得通。高溫蒸汽用于抽氣和反吹，用兩個高溫蒸汽防爆電磁閥切換氣路，實現防爆要求。蒸汽噴射泵抽吸樣氣，以激光氧分析儀要求的流量通過測量氣室。高溫(140℃)反吹蒸汽將過濾器外表面聚集的焦油、萘等污染物汽化后，從樣氣管反吹回煤氣管道中，從而實現長期工程應用的免維護。抽氣后的混合氣也回流到煤氣管道中，實現零排放。

6 結 論

焦炭行業的焦爐煤氣回收利用，是節能減排最典型的重大工程項目之一。為保證安全生產，必須采用焦爐煤氣防爆氧分析系統，實時在線監測焦爐煤氣中的氧含量。焦爐煤氣粉塵含量高，焦油和萘等污染嚴重，其他行業十分有效的常規取樣和樣氣處理方法在此都不適用，不但氣路和部件容易污染和堵塞，甚至損壞氧分析儀。

焦爐煤氣原位整體式干法樣氣處理系統，能適應焦爐煤氣含塵量高，焦油和萘污染嚴重的特殊樣氣條件，能向氧氣分析儀提供無塵、無水、無焦油的合格樣氣，能實現低成本的無堵塞連續取樣、原位處理及原位分析，并且具有體積小、免維護、零排放、響應快速的優點。該產品已經投入工程應用考核。

[1]趙洪濱, 江婷, 楊倩,等. 采用焦爐煤氣為燃料的SOFC-CCHP流程方案研究[J]. 工程熱物理學報, 2015(8):1626-1632.

[2]賈保峰, 毛志民, 王立剛. 激光氣體分析系統在焦爐煤氣凈化中的應用[J]. 廣東化工, 2015, 42(24):108-109.

[3]余威庭, 黃文平, 胡子航. 激光氣體分析儀在焦化廠電捕焦霧裝置上的應用[J]. 分析儀器, 2014，(6):36-38.

[4] 劉莉圓. 順磁式氧分析儀與激光氧分析儀在焦爐煤氣中的應用[J]. 科技風, 2015(9):116-116.

[5] 范永福. 焦爐煤氣電捕焦油氧分析成套系統設計[J]. 分析儀器, 1997，(3):27-29.

[6] 是悠, 趙立欣, 孟海波,等. 生物質熱解焦油脫除方法研究進展[J]. 化工環保, 2016(1):17-21.

[7]辛宏偉, 王生軍. 焦爐煤氣凈化裝置洗萘工序的設計與研究[J]. 化學工程與裝備, 2016(6):178-179.

[8] Zhu Q, Cheng H, Zou X, et al. Synthesis, characterization, and catalytic performance of La 0.6 Sr 0.4 Ni x Co 1- x O 3, perovskite catalysts in dry reforming of Coke-Oven Gas[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2015, 36(7):915-924.

[9] 金義忠、鄧發榮.在線分析樣氣處理的原位處理法研究.環保聚光，2009，(2)：18-22.

[10] 楊永龍, 曹旭鵬, 李清玲,等. 原位處理法在線分析系統的研究與實踐[J]. 分析儀器, 2016，(2):63-68.

[11] 金義忠. 組合式樣氣處理部件的整體優化設計[J]. 分析儀器, 2014，(6):59-63.

Research and practice on coke-oven gas in-situ integrate dry sample gas handing system.

Zhang Hengjian1，Jin Yizhong1,3， Li Jiaqing1， Li Taifu1， Mei Qingping2

(1.ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China;2.ChongqingCityManagementCollege,Chongqing401331,China;3.ChongqingLinkaAnalyticalInstrumentsCo.,Ltd.,Chongqing400041,China)

This paper described the advantages of in-situ integrate dry sample gas handing system, such as small size, low maintenance, zero discharge and quick response. It can be used for high accurate on-line analysis of oxygen content.

coke oven gas; tar; in-situ integral structure; dry-processing method; sample gas handing system; pin-point accuracy

作者簡介:張恒健,男,1990年生,在讀研究生,研究方向:在線分析技術及樣品處理系統的工程應用研究,E-mail:dzzhj@126.com。

劉志榮，碩士，研究方向：藥品質量研究，E-mail: 553111058@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.03.018

2016-10-31