中低溫煤焦油電化學脫水脫鹽技術(shù)研究與應(yīng)用

姚磊，崔盈賢

（長江三星能源科技股份有限公司，江蘇揚中 212200）

煤焦油是焦化工業(yè)的重要產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量約占爐煤的3%～4%，它的組成極為復雜[1-3]，而且煤焦油中很多組分是生產(chǎn)塑料、合成纖維、橡膠、染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、耐高溫材料及國防工業(yè)的貴重原料，還有一部分多環(huán)烴化合物是石油化工所不能生產(chǎn)和替代的，國內(nèi)外專家普遍認為煤焦油深加工精制產(chǎn)品具有非常好的應(yīng)用前景。

近年來，隨著煤化工投資和技術(shù)研發(fā)的不斷深入、各種化工原料需求的不斷增加和煉油廠加工資源的不斷拓展及煤制清潔燃料技術(shù)的不斷進步，煤焦油加工業(yè)再度引起人們的重視。煤焦油中含有大量的氨水、鹽和固體雜質(zhì)，極易造成油水乳化，分解出游離酸和氨，進而導致管道與設(shè)備腐蝕侵害和堵塞，因此，深加工之前為確保工藝穩(wěn)定運行和滿足后加工對產(chǎn)品質(zhì)量的要求,必須對其進行凈化處理。針對煤焦油脫水脫鹽也開展了大量的基礎(chǔ)和實驗研究[4-5]，但由于煤焦油與水的密度差較小且乳化現(xiàn)象嚴重，同時，不同煤焦油組分和性質(zhì)的差異性較大，造成目前應(yīng)用的煤焦油脫水脫鹽預處理技術(shù)效果非常有限[6-13]。傳統(tǒng)交直流電脫鹽技術(shù)在加工處理煤焦油時，操作電流大，能耗高。筆者以典型中低溫煤焦油為研究對象，采用物理+化學方法從加速乳液滴震動、熱處理、靜電聚結(jié)和化學輔助等多角度對煤焦油破乳脫水脫鹽效果進行了研究，優(yōu)化出了破乳劑類型和用量、電場強度和頻率、溫度、注水量和停留時間等工藝參數(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場煤焦油預處理，取得了較好的脫水脫鹽效果。

與交直流100%全阻抗電源相比，高頻電脫鹽技術(shù)在如下四個方面的技術(shù)創(chuàng)新使該技術(shù)具有良好的節(jié)能降耗效果：

1)取消了內(nèi)置在變壓器內(nèi)的100%電抗器，降低了損耗在電抗器上的電壓，減少了無用功消耗，特別是避免了乳化發(fā)生時的高能耗。

2)能根據(jù)原油乳化液的性質(zhì)自動調(diào)整和優(yōu)化施加在原油乳化液的高壓，使輸出的高壓更適合所加工原油的性質(zhì)，從而避免了固定檔位高壓輸出的能耗。

3)變壓器輸出曲線不是四分之一圓，有效工作區(qū)域從30%擴展到90%左右，提高了電源的效率。

4)采用智能自控技術(shù)調(diào)整變壓器的電壓電流，相比100%全阻抗變壓器，所設(shè)計的變壓器的額定容量大大減小。

在相同原油和同等工況下，智能響應(yīng)電脫鹽單位能耗是交直流的60%～70%，在處理重質(zhì)原油和易乳化原油時節(jié)能效果更加明顯，因此具有更加長遠的經(jīng)濟效益。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

實驗原料為國內(nèi)某煤化工公司提供的典型中低溫煤焦油原料，煤焦油參數(shù)見表1。

破乳劑為SX1031、SX2040、SX2070、SX169、SX36、SX8051、SX-20和SX0604，均由實驗室自制。

實驗儀器為超級恒溫器、電動離心機、SH-I型電脫鹽試驗儀、NDJ-7型旋轉(zhuǎn)粘度計、KY-4微機鹽含鹽測定儀和蒸餾法水含量分析儀。

表1 煤焦油參數(shù)

1.2 實驗方法

破乳劑篩選實驗：將油溶性破乳劑采用二甲苯作稀釋溶劑，配成1%溶液，水溶性破乳劑用水-乙醇稀釋成1%的溶液；將煤焦油80 ml、蒸餾水20 ml、不同型號的油溶性破乳劑或水溶性破乳劑按量（20 μg/g）加入容積為100 ml的具塞量筒中，在恒溫水浴中預熱到實驗溫度85℃；將具塞量筒從恒溫水浴中取出，稍稍旋松具塞，放掉產(chǎn)生的氣體，再旋緊具塞。經(jīng)振蕩混合后，放入恒溫水浴中靜置沉降；記錄不同時間乳化液脫出水量，優(yōu)選出適宜破乳劑。

電化學脫水脫鹽實驗：將優(yōu)選破乳劑、煤焦油和水按特定條件混合后加入到電脫鹽試驗儀中，設(shè)置參數(shù)，使其在相同的電場強度、電場溫度、電場頻率和停留時間等操作條件下進行煤焦油脫水脫鹽實驗，實驗結(jié)束后，取出煤焦油樣品，進行水含量和鹽含量分析。

1.3 分析方法

煤焦油水分含量按照GB/T 260-1977規(guī)定的方法測定；鹽含量按照SY/T0536-2008規(guī)定的方法測定；密度按照GB/T 1884-2000規(guī)定的方法測定；粘度按照SY/T 0520-2008規(guī)定的方法測定。

2 結(jié)果分析

2.1 破乳劑種類篩選

針對典型中低溫煤焦油，遴選了8種破乳劑，破乳劑不同時間化學熱沉降脫水結(jié)果見表2。

表2 破乳劑不同時間化學熱沉降脫水結(jié)果

由表2可知，SX2070，SX-20脫水較快，但這兩種破乳劑有輕微附壁。SX169脫水速度略慢，但油水界面齊平，因此，綜合各破乳劑的特點進行復配破乳劑，復配破乳劑型號為SXF2070A。

2.2 破乳劑注入量對脫水脫鹽效果的影響

實驗參數(shù)：溫度為130℃，頻率1 500 Hz，注水量為6%，電場中停留時間為10 min，電場強度為1 300 v/cm，不同破乳劑注入量脫鹽脫水效果見表3。

表3 不同破乳劑注入量脫鹽脫水效果

一般而言，在破乳劑的用量小于其臨界膠束濃度CMC時，其破乳效果隨著破乳劑用量的增加而增加；但在超過其臨界膠束濃度CMC時，其破乳效果隨著破乳劑用量的增加或保持不變，或出現(xiàn)反乳化狀態(tài)形成更為復雜的油水乳液而導致其脫水效果變差。所以，采用高壓靜電場處理煤焦油時須確定破乳劑的最佳使用量。由表6可知：破乳劑注入量5×10-5脫后含鹽最低，建議注入量為（3～5）×10-5。

2.3 電場強度對脫水脫鹽效果的影響

電脫鹽是通過脫水而實現(xiàn)的，因而煤焦油中水滴在電場中凝聚和分散的行為是影響電脫鹽效果的重要因素之一。水滴在電場中存在分散和凝聚兩個相反的過程，在低電壓下以電凝聚為主；而在高電壓下則為電分散所控制，電場強度過高，電耗也隨之增加。正是由于電分散的存在，使得脫鹽率在電場強度高于某一值時已基本不再增加。加上適當電壓時，煤焦油中懸浮的微小水滴迅速聚結(jié)下沉。

實驗溫度為130℃，電場頻率1 500 Hz，注水量為5%，電場中停留時間為10 min，破乳劑注入量3×10-5，不同場強脫鹽脫水效果見表4。

表4 不同場強脫鹽脫水效果

由表4可以看出場強1 200～1 400 V/cm范圍內(nèi)，含鹽量和脫水率結(jié)果差別均不大，因此，適宜的場強范圍在1 200～1 400 V/cm。

2.4 電場溫度對脫水脫鹽效果的影響

實驗參數(shù)：電場強度為1 300 v/cm，頻率為1 500 Hz，注水量為5%，電場中停留時間為10 min，加入3×10-5的破乳劑，不同溫度煤下焦油脫鹽脫水效果表5。

表5 不同溫度煤下焦油脫鹽脫水效果

從表5中可以看出在其它因素一定時，隨著溫度的升高煤焦油脫出水先增大后減小，含鹽先減少后增加，這是由于溫度增加粘度迅速減小，相對沉降速度增加，溫度增加到一定程度粘度趨近某一值，而油水密度差卻減小，推動力減小，適宜的溫度在130～135℃。綜合考慮影響因素以及能耗，選擇130℃作為適宜的實驗溫度。

2.5 注水量對脫水脫鹽效果的影響

實驗參數(shù)：溫度為130℃，頻率為1 500 Hz，電場強度為1 300 v/cm，電場中停留時間為10 min，破乳劑加入3×10-5，注水量對脫鹽脫水的影響見表6。

表6 注水量對脫鹽脫水的影響

注水的目的就是洗滌煤焦油中的鹽，注水過少達不到上述目的，過多又會導致處理后煤焦油中的含水增加和電脫鹽設(shè)備運行電流增大，甚至短路，能耗增加。從表6可以看出，適宜的注水量為6%～8%。

2.6 電場頻率對脫水脫鹽效果的影響

靜態(tài)模擬實驗采用高頻電源，頻率在50～3 600 Hz連續(xù)可調(diào)，增強對乳化膜沖擊頻次，相對于低頻高壓，增強了高壓電場對油水乳化液界面膜的穿透力，在高電導率的情況下也能送電，建立有效電場。實驗參數(shù)：溫度為130℃，電場強度為1 300 v/cm，6%的注水量，電場中停留時間為10 min，加入5×10-5的破乳劑，不同頻率對煤焦油脫鹽脫水的影響見表7。

表7 不同頻率對煤焦油脫鹽脫水的影響

由表7可知，頻率在1 500 Hz時脫鹽脫水后的含鹽量為4.0 mg/l，因此，適宜的頻率范圍在1 000～1 500 Hz。

2.7 電場停留時間對脫水脫鹽效果的影響

實驗參數(shù)：溫度為130℃，電場強度1 300 v/cm，6%的注水量，頻率為1 500 Hz，加入5×10-5的破乳劑，電場中不同停留時間對脫鹽脫水效果見表8。

表8 電場中不同停留時間對脫鹽脫水效果

在實驗考察的停留時間下，隨著停留時間的增加，脫鹽脫水后煤焦油含水量和含鹽量均為先降低，然后降低的趨勢逐漸減小。在電場中停留時間長有利于微小水滴進一步聚結(jié)，但時間過長效果也不明顯，而且能耗較高，需要的罐體也較大，設(shè)備投資增加，電場中適宜的停留時間為20～30 min.。

2.8 優(yōu)化條件下的二級電脫鹽實驗

實驗參數(shù)：操作溫度為130℃，電場強度為1 300 v/cm，電場停留時間為20 min，破乳劑注入量為5×10-5，脫金屬劑為3×10-4，注水量為6%。煤焦油兩級電脫鹽脫水結(jié)果見表9。

表9 煤焦油兩級電脫鹽脫水結(jié)果

2.9 現(xiàn)場應(yīng)用

靜態(tài)實驗利用傳統(tǒng)交直流電源時，電流過大會引起跳閘，無法施加電場。前期的所有靜態(tài)實驗，為了解決電源短路問題，全部采用高頻電源進行實驗。而公司現(xiàn)有高頻電源為工業(yè)用電源，容量大，動態(tài)裝置專門設(shè)計用于處理煤焦油。現(xiàn)場操作過程中，動態(tài)實驗操作參數(shù)如表10中所述，均在60 A左右。未出現(xiàn)交直流電源的電流過大及跳閘現(xiàn)象。因此采用高頻電源，能有效減小電流，降低能耗。

國內(nèi)某煉廠實施技術(shù)改造前后能耗對比見表11、動態(tài)電脫實驗結(jié)果表12。

由表12可以看出，現(xiàn)場煤焦油動態(tài)實驗裝置二級脫鹽脫水后含鹽小于3 mg/l，含水小于1.4%。

對比經(jīng)過該技術(shù)改造后的噸原油的總能耗（kgEo/t原油），由表11可見，能耗明顯降低，節(jié)能達30%以上。

3 結(jié)語

1）綜合考慮脫水速度和油水同層厚度，針對典型中低溫煤焦油優(yōu)選出了由SX2070、SX-20和SX169三組分復合的破乳劑SXF2070A。

2）優(yōu)化獲得了室內(nèi)試驗操作條件：在破乳劑用量為單級5×10-5、電場溫度為130℃、電場強度為1 300 v/cm、注水量為為6%、電場頻率1 500 Hz和停留時間30 min條件下，二級電化學處理后含水為1.5%、含鹽為1.1 mgNacl/l。

3）現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)表明，采用室內(nèi)優(yōu)化條件、交流供電方式，煤焦油電化學處理后含水小于1.4%，含鹽量小于3 mg-Nacl/l。

4）由室內(nèi)和現(xiàn)場應(yīng)用效果可知，通過高頻能加速乳液滴震動、熱處理和化學輔助等多方式組合的電化學預處理方法對煤焦油有明顯的破乳脫水脫鹽效果，同時工業(yè)裝置采用兩級高頻智能響應(yīng)控制電場，電壓和頻率應(yīng)根據(jù)油品性質(zhì)實時調(diào)整以進一步提升煤焦油的預處理效果。

表10 動態(tài)實驗操作參數(shù)

表11 國內(nèi)某煉廠實施技術(shù)改造前后能耗對比

表12 動態(tài)電脫實驗結(jié)果

5）通過現(xiàn)場工業(yè)數(shù)據(jù)分析，中低溫煤焦油電化學脫水脫鹽的新型高頻電源技術(shù)，可將總能耗降低31.8%，達到0.43 kgEo/t原油，節(jié)能效果明顯。