液滴倍增技術在煤焦化行業中的應用

裴 文，李海波，王 浩

（上海安賜環保科技股份有限公司，上海 201201）

煤焦化行業的剩余氨水中含有少量經重力沉降或過濾難以有效去除的焦油，這些焦油是造成蒸氨塔和換熱器堵塞的主要原因[1]；洗苯后的焦爐煤氣中含有焦油塵、苯族烴、萘、氨等雜質，會影響壓縮機的正常、連續運行[2]；焦爐煙道廢氣經濕法脫硫后，需進一步除霧、除塵，才能達到超低排放的要求。針對此類問題，上海安賜環保科技股份有限公司（簡稱安賜環保）結合新材料和流體力學技術的發展，進行了纖維材料在液滴倍增方面的研究，開發了基于液滴倍增理論的AFBP相分離器、Anhorn除霧器和AFMD除霧除塵器等產品，并在煤焦化行業進行了應用，現介紹如下。

1 液滴倍增技術原理

液滴倍增是指物料通過由液滴倍增材料所構成的填料層，使分散相液滴凝聚、變大，最終從材料表面釋放，實現快速、高精度分離的過程。由斯托克斯公式[見式（1）]可知[3]，小液滴分離速度與重力加速度、物料密度差、主要相黏度以及分散相液滴的直徑有關。相對于重力加速度、密度差和黏度因素，通過改變液滴的直徑來改變液滴的分離速度在技術上是可行的，而且分離速度與液滴直徑的二次方成正比。

式中：uv為分離速度，m/s；g為重力加速度，一般取9.81 m/s2；ρH，ρL分別為重相、輕相的密度，kg/m3；d為分散相液滴直徑，m；μ為主要相的動力黏度（為溫度的函數），Pa·s。

2 液滴倍增技術在煤焦化行業的應用

目前國內液滴倍增技術主要應用在石油化工、新材料、環保等油水分離領域，如航空煤油和柴油的水分離以及化工過程中的輕烴與水的分離普遍使用液滴倍增技術及相關設備。但是，液滴倍增技術在黏度高、密度差小以及物料復雜工況下的研究和應用還不多見。安賜環保通過對材料改性及深加工，研發了具有分離精度高、防堵塞、耐腐蝕、壽命長等特點的液滴倍增技術和設備，實現了對密度差小于2%、黏度大于5 000 Pa·s等常規液滴倍增技術難以分離工況的相高效快速分離，并在剩余氨水除焦油、焦爐煤氣凈化和焦爐煙道氣超低排放等工況進行了應用。

2.1 AFBP相分離器用于剩余氨水除焦油

2.1.1 AFBP相分離器工作原理

AFBP相分離器原理示意圖見圖1。不相溶的油水混合相首先經由特殊設計的分布器進入設備內，經分布器處理后，物料均勻地流過疏松纖維床填料段（纖維倍增段），分散相液滴吸附在改性纖維上，并在改性纖維上實現液滴倍增，液滴增大到一定程度后，脫離纖維填料段進入特殊板組段；倍增后的分散相液滴在特殊板組上進一步增大，并在淺池效應下（即斜管沉淀池池長度和池中水平流速不變時，池身越淺，可被去除的懸浮物顆粒越小），實現油水的高效分離。

圖1 AFBP相分離器原理示意圖

AFBP相分離器凈化剩余氨水的工藝流程示意圖見圖2。剩余氨水經泵進入AFBP相分離器，分散在剩余氨水中的煤焦油首先在相分離器的纖維倍增段倍增，將微小油滴凝聚成大油滴，凝聚后的大油滴在相分離的特殊板組段快速分離，此后輕焦油從相分離器上端分離出，重焦油從相分離器下端分離出，分離出的輕、重煤焦油排入地下槽，凈化后的剩余氨水進入蒸氨塔。

圖2 AFBP相分離器凈化剩余氨水的工藝流程示意圖

2.1.2 應用案例

2016年山東金能科技股份有限公司10萬t/a焦爐氣制甲醇裝置采用AFBP相分離器代替原來的陶瓷膜過濾器，進行剩余氨水中的焦油分離。在剩余氨水流量60 m3/h～70 m3/h、進口焦油質量濃度200 mg/L～300 mg/L工況下，經AFBP相分離器處理后，剩余氨水中未溶解焦油質量濃度小于50 mg/L，剩余氨水進入蒸氨塔，輕、重煤焦油排入地下槽。在此過程中，AFBP相分離器阻力小于15 kPa，且由于AFBP相分離器為靜設備，無能耗。

2.2 Anhorn除霧器用于焦爐煤氣凈化

為了延長壓縮機的檢維修周期，大部分焦化企業在壓縮機的氣柜前增設焦炭吸附塔，用于去除煤氣中雜質。但在夏季焦爐煤氣工況惡劣時，下游壓縮機運行一周就不得不維護、清理，并需開啟備用壓縮機，給企業的正常生產運行帶來較大壓力。針對此問題，安賜環保開發了Anhorn除霧器。

2.2.1 Anhorn除霧器基本原理

Anhorn除霧器原理示意圖見圖3。含霧含塵的焦爐煤氣進入Anhorn除霧器，包裹有焦油塵、萘、氨和苯等雜質的液滴在改性纖維上凝并增大后，不斷吸附氣體中的微小顆粒，增大至一定程度后形成液流，在疏松纖維床的導流結構作用下，脫離疏松纖維床。

圖3 Anhorn除霧器原理示意圖

Anhorn除霧器凈化焦爐煤氣流程示意圖見圖4。回收粗苯后的焦爐煤氣進入Anhorn除霧器，焦油塵與焦爐煤氣在此實現高精度分離，凈化后的焦爐煤氣進入氣柜，廢水排至機械化澄清槽，為了減少焦油塵在Anhorn除霧器的累積，設計了定時沖洗系統。

圖4 Anhorn除霧器凈化焦爐煤氣流程示意圖

2.2.2 應用案例

云南大為制焦有限公司20萬t/a焦爐氣制甲醇裝置設計焦爐氣量為112 000 m3/h，焦爐煤氣成分及雜質含量見表1。

表1 焦爐煤氣成分及雜質含量

該公司原使用焦炭過濾器凈化脫苯后的焦爐煤氣，運行一段時間后，焦炭過濾器出現阻力上升、過濾效率下降等問題，導致壓縮機夏天運行3 d～7 d、冬天運行10 d～15 d就要清理零部件，焦爐氣初預熱器運行約20 d必須清理內件，回爐加熱的煤氣噴頭堵塞問題嚴重。

該公司后經改進采用了Anhorn除霧器，在操作溫度10℃～40℃，操作壓力5 kPa（G）～10 kPa（G）下，檢測數據顯示：Anhorn除霧器進口煤氣中苯平均質量濃度1.98 g/m3，出口平均質量濃度1.07 g/m3，去除率平均約46%；進口煤氣中萘平均質量濃度63.6 mg/m3，出口平均質量濃度約21.4 mg/m3，去除率平均約66.4%；進口煤氣中氨平均質量濃度15 mg/m3，出口氨平均質量濃度4.5 mg/m3，去除率平均為70%左右。

Anhorn除霧器投運后，壓縮機倒車時，缸體內及活門上無明顯油污及油泥富集的情況，三段油過濾器正常并聯投用后，阻力均未出現超0.15 MPa的情況；轉化系統單臺焦爐氣初預熱器運行周期最長至44 d，且清洗頻率下降；洗脫苯后凈化煤氣回爐加熱的煤氣噴頭堵塞情況有所好轉。

2.3 AFMD除霧除塵器用于焦爐煙道氣超低排放

焦爐煙道氣脫硫漿液中含固質量分數約20%，傳統除霧器出口煙氣中含液質量濃度設計值為75 mg/m3，相當于煙氣中攜帶的漿液顆粒物質量濃度為15 mg/m3（75×20%），意味著煙氣通過濕法脫硫裝置后，煙氣中至少會新增15 mg/m3的顆粒物，無法達到顆粒物超低排放要求。鑒于此，安賜環保開發了AFMD除霧除塵器。

2.3.1 AFMD除霧除塵器原理

AFMD除霧除塵器由“異形管+特殊板組+疏松纖維床+沖洗系統”組成。異型管主要用于分離粒徑2 000μm以上的脫硫漿液液滴，同時均布煙氣流場，提高下游特殊板組的除霧除塵效率；異型管除霧器具有自凈功能，無需沖洗。特殊板組根據氣流的流動特性對葉片進行特殊設計，含塵液滴在離心力作用下從氣流中分離。基于碰撞、擴散及布朗運動機理，改性疏松纖維床將細小的含塵霧滴凝并、聚集，含塵液滴在重力作用下從煙氣中分離。

2.3.2 應用案例

2018年11月，山東金能科技股份有限公司對焦爐煙道氣進行超低排放改造，設計煙氣量432 000 m3/h，焦爐煙道氣首先經過原脫硝和濕法脫硫裝置，脫硫塔出口的平均含塵質量濃度20 mg/m3～30 mg/m3（干基，O2體積分數8%）。為達到含塵質量濃度小于10 mg/m3（干基，O2體積分數8%）的超低排放標準，在脫硫塔后新增1臺AFMD除霧除塵器，該除霧除塵器殼體內配置有疏松纖維床、特殊板組等內件，殼體外配置有沖洗系統，對除霧器定時沖洗，沖洗電耗每小時約2.7 kWh，操作彈性30%～100%。投用后，AFMD除霧除塵器運行壓降200 Pa～300 Pa，出口含塵質量濃度5 mg/m3～8 mg/m3（干基，O2體積分數8%），除塵效率最高達90%，相較于原裝置，除塵效率提高了約50%。

3 結 語

安賜環保基于液滴倍增技術原理，通過對材料改性及深加工，開發了AFBP相分離器、Anhorn除霧器和AFMD除霧除塵器等除塵除霧設備，并成功應用于剩余氨水除焦油、焦爐煤氣凈化以及濕法脫硫后的焦爐煙道廢氣超低排放等工況，為焦化企業廢液、廢固、廢氣的分離提供了一種技術選擇。